CN103205619A

CN103205619A - 一种碳化钛-碳化钨复合硬质合金

Info

Publication number: CN103205619A
Application number: CN2013101745765A
Authority: CN
Inventors: 薛烽; 周健; 巨佳; 白晶; 孙扬善
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-05-10
Also published as: CN103205619B

Abstract

本发明公开了一种碳化钛-碳化钨复合硬质相硬质合金，包括作为硬质相的碳化钛合金-碳化钨合金混合物、作为粘结相的Fe₃Al合金和Mo，其中碳化钨合金占硬质相质量百分比50%~90%；粒径为5~8μm；碳化钛合金占硬质相质量百分比10%~50%，粒径为1~3μm。Fe₃Al合金占硬质合金的质量百分比为5.5%~15%，金属Mo占硬质合金的质量百分比为0.5%~1%。本发明中，粘结相与硬质相具有良好的润湿性，得到的硬质合金可以提供高强度、高致密度、耐腐蚀、耐磨损等综合性能良好并且可机械加工、可热处理和可焊接的结构部件，而且还使同类型的硬质合金制备成本降低。

Description

一种碳化钛-碳化钨复合硬质合金

技术领域

本发明属于硬质合金领域，涉及一种复合硬质相硬质合金。

背景技术

磨损是材料失效的原因之一。据相关数据统计，设备损坏和材料失效中有超过70%部分是由于磨损所致，每年全世界由于磨损所导致的直接和间接损失达到了数千亿元。因此高强度、高致密度、耐腐蚀、耐磨损等综合性能良好的结构部件成为了迫切需要。

在现有的热处理钢、奥氏体钢、高铬铁钢和硬质合金四类耐磨材料中，硬质合金具有最好的耐磨性，特别是WC-Co硬质合金兼具高耐磨性和良好的韧性已广泛的使用在切削工具、耐磨零件、采矿与筑路工程机械等领域。但由于WC-Co硬质合金的粘结相Co属于战略资源，价格不断上涨，因此寻找Co的代用材料和新型硬质合金的开发成为当务之急的任务。

TiC是过渡金属碳化物中的一种具有面心立方结构的间隙相，具有高硬度、高熔点、低密度、热稳定性以及烧结过程中晶粒长达趋势小等特点，是新型硬质合金的开发的材料之一。以TiC作为硬质相的合金和钢材相比具有钢材无法比拟的高硬度、高耐磨性和淬透性，和一般硬质合金相比具有可机械加工、可热处理和可焊接等优点。

但另一方面以TiC作为硬质相的合金性能上的好坏很大程度取决于粘结相溶化后对硬质相的润湿性。在实际应用中，TiC硬质合金尽管有高硬度、高熔点、低密度、热稳定性以及烧结过程中晶粒长达趋势小等优点，但是由于粘结相的对其润湿性差而限制了其发展。与之相反，WC则与粘结相有着良好的润湿性，所以应用范围反而更广。针对这一情况，期望开发一种新型TiC-WC复合硬质相硬质合金，寻找能够对TiC和WC都具有良好润湿性的粘结相，使其兼有钢材和硬质合金两种材料的特点与长处。

发明内容

技术问题：本发明提供一种以Fe₃Al+Mo为粘结相、可提高材料强度、致密度、耐腐蚀性、耐磨损性的碳化钛-碳化钨复合硬质合金。

技术方案：本发明的碳化钛-碳化钨复合硬质合金，包括作为硬质相的碳化钛合金-碳化钨合金混合物、作为粘结相的Fe₃Al合金和金属Mo，碳化钛-碳化钨合金混合物中，包括占硬质相质量百分比50%～90%、粒径5～8μm的碳化钨合金和占硬质相质量百分比10%～50%、粒径1～3μm的碳化钛合金；Fe₃Al合金占硬质合金的质量百分比为5.5%～15%，Mo占硬质合金的质量百分比为0.5%～1%，Fe₃Al合金的成分为：

Al 17%～20%；

Cr 1.3%～1.9%；

Nb 2.0%～2.4%；

Zr 0.3%～0.5%；

B 0.1%～0.3%；

Ce 0.2%～0.5%；

Fe 75%～79%。

本发明的硬质合金具有能够制成高强度、高致密度、耐腐蚀、耐磨损的结构部件，可采用机械加工、热处理和焊接的处理手段。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提出了一种以Fe₃Al+Mo为粘结相的TiC-WC复合硬质相新型硬质合金。通过用Fe₃Al+Mo作为新的粘结相替代传统粘结相Co，解决了液态粘结相与硬质相润湿性差的问题，同时提高硬质合金的硬度及耐磨性能，降低了硬质相与粘结相之间的线膨胀系数差。

TiC-WC复合硬质相也使合金兼有钢材的可机械加工、可热处理和可焊接等特点以及硬质合金的高强度、高致密度、耐腐蚀和耐磨损等特点。

经新粘结相真空烧结后制备的硬质合金，获得硬质相与粘结相的良好粘合，其SEM观察如图1所示，从图中可以看出，硬质相TiC-WC与粘结相Fe₃Al+Mo能良好粘合，大颗粒（颗粒大小在5～8μm）的WC颗粒很好地分布在TiC颗粒（颗粒大小在1～3μm）周围。通过这种方法获得的硬质合金，性能改进如下：

1）改善了粘结相与硬质相的润湿性差的问题。新粘结相Fe₃Al中添加1%的Mo后在1500℃真空下对TiC的润湿角为<15°，对WC的润湿角<1°。

2）提高硬度和耐磨性。粘结相Co的硬度为HB=125；粘结相Fe₃Al的硬度为HRC≥29。

3）缩小粘结相与硬质相之间热膨胀系数差，减少内应力。

硬质相WC热膨胀系数为：4.50×10^-6/K；

粘结相Co热膨胀系数为：12.5×10^-6/K，热膨胀系数之差为：8×10^-6/K；

粘结相Fe₃Al热膨胀系数为：11.5×10^-6/K，热膨胀系数之差为：7×10^-6/K。

4）新粘结剂和TiC-WC复合硬质相均降低合金成本。

由于粘结相Co的密度为：8.9g/cm³，而粘结相Fe₃Al的密度为：6.7g/cm³。以Fe₃Al为粘结相的硬质合金可以降低合金本身自重，并且金属件化合物Fe3Al价格更是低于金属Co的价格，因此Fe₃Al作为粘结相可以减少生产成本。

硬质相TiC的密度为4.99g/cm³，WC密度为15.6g/cm³。硬质合金中TiC的加入会降低合金的自重，减少生产成本。

5）TiC-WC复合硬质相也使合金兼有钢材的可机械加工、可热处理和可焊接等特点以及硬质合金的高强度、高致密度、耐腐蚀和耐磨损等特点。

综上所述，本发明采以Fe₃Al+Mo为粘结相的TiC-WC复合硬质合金解决了硬质相的润湿问题并且提高合金的硬度及耐磨性能，降低了硬质相与粘结相之间的线膨胀系数差，降低合金烧结时产生的内应力，降低制备成本，使其兼有钢材和硬质合金两种材料的特点与长处，并且制备方法工艺简单，成本相对较低，可以大规模生产。

附图说明

图1为真空烧结制备以Fe₃Al+Mo为粘结相的TiC-WC新型硬质合金SEM照片。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步具体说明。

实施例1：

首先将提前过筛选好均匀粒度为1～3μm左右的TiC粉和粒度为5～8μm左右的WC粉按质量分数1:9配好，粘结剂Fe₃Al和Mo按硬质合金质量分数的5.5%和1%配好，其中Fe₃Al合金的成分为（占Fe₃Al合金得质量百分比）：Al17%；Cr1.3%；Nb2.0%；Zr0.3%；B0.2%；Ce0.2%；Fe79%。并添加总质量分数1%的添加剂硬脂酸配料，在球磨机中进行混合并研磨48小时；将混合并研磨好的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，待制成混合料经鉴定合格后，再在1000kg/cm²的压力下进行精密压制，制成高精度压坯；将制好的高精度压坯置于真空烧结炉中，压坯在真空度为5×10^-4MPa的气氛中加热至1400℃下烧结1小时，接着在1400℃和100MPa下进行1小时的热等静压（HIP）处理，制成硬质合金。待冷却后取出即得到成品。

实施例2：

首先将提前过筛选好均匀粒度为1～3μm左右的TiC粉和粒度为5～8μm左右的WC粉按质量分数3:7配好，粘结剂Fe₃Al和Mo按硬质合金质量分数的9.3%和0.7%配好，其中Fe₃Al合金的成分为（占Fe₃Al合金得质量百分比）：Al19.2%；Cr1.6%；Nb2.4%；Zr0.5%；B0.1%；Ce0.5%；Fe75.7%。并添加总质量分数0.5%的添加剂硬脂酸配料，在球磨机中进行混合并研磨48小时；将混合并研磨好的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，待制成混合料经鉴定合格后，再在1000kg/cm²的压力下进行精密压制，制成高精度压坯；将制好的高精度压坯置于真空烧结炉中，压坯在真空度为5×10^-4MPa的气氛中加热至1400℃下烧结1小时，接着在1400℃和100MPa下进行1小时的热等静压（HIP）处理，制成硬质合金。待冷却后取出即得到成品。

实施例3：

首先将提前过筛选好均匀粒度为1～3μm左右的TiC粉和粒度为5～8μm左右的WC粉按质量分数1:1配好，粘结剂Fe₃Al和Mo按硬质合金质量分数15%和0.5%配好，其中Fe₃Al合金的成分为（占Fe₃Al合金得质量百分比）：Al20%；Cr1.9%；Nb2.1%；Zr0.4%；B0.3%；Ce0.3%；Fe75%。并添加总质量分数0.8%的添加剂硬脂酸配料，在球磨机中进行混合并研磨48小时；将混合并研磨好的原料经真空干燥后筛分去除团聚体，然后制粒，待制成混合料经鉴定合格后，再在1000kg/cm²的压力下进行精密压制，制成高精度压坯；将制好的高精度压坯置于真空烧结炉中，压坯在真空度为5×10^-4MPa的气氛中加热至1400℃下烧结1小时，接着在1400℃和100MPa下进行1小时的热等静压（HIP）处理，制成硬质合金。待冷却后取出即得到成品。

所制硬质合金性能

Claims

1.一种碳化钛-碳化钨复合硬质合金，其特征在于，该硬质合金包括作为硬质相的碳化钛合金-碳化钨合金混合物、作为粘结相的Fe₃Al合金和金属Mo，所述碳化钛合金-碳化钨合金混合物中，包括占硬质相质量百分比50%~90%、粒径5~8μm的碳化钨合金和占硬质相质量百分比10%~50%、粒径1~3μm的碳化钛合金；

所述Fe₃Al合金占硬质合金的质量百分比为5.5%~15%，所述Mo占硬质合金的质量百分比为0.5%~1%，所述Fe₃Al合金的成分为：

Al 17%~20%；

Cr 1.3%~1.9%；

Nb 2.0%~2.4%；

Zr 0.3%~0.5%；

B 0.1%~0.3%；

Ce 0.2%~0.5%；

Fe 75%~79%。