CN115090874B - 一种碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品，属于硬质合金领域。该碳化钛基粉末冶金材料包括芯部耐磨层和与其冶金结合的包覆层，芯部耐磨层采用高硬度的碳化钛系粉末冶金材料，包覆层采用高韧性的碳化钛系粉末冶金材料，且芯部耐磨层和包覆层一起压制，一起烧结，形成界面应力梯度变化的碳化钛基粉末冶金材料。本发明碳化钛基粉末冶金材料通过改变和摸索碳化钛基粉末冶金产品中各原料成分的配比关系，使该冶金材料具有硬度和韧性梯度变化的复合结构，实现粉末冶金材料性能的梯度变化，既能满足产品的硬度、韧性要求，又增加冶金产品与基体材料的润湿性，适用于常规焊接或铸造工艺，耐磨性、牢固性高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及硬质合金技术领域，特别是涉及一种碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品。
背景技术
粉末冶金工艺制成的硬质合金材料，是目前广泛应用的超硬耐磨材料，由于其高硬度低韧性的特点，导致使用中经常发生开裂，疲劳断裂的事故，严重缩短硬质合金材料的服役寿命。粉末冶金材料的粉末颗粒特性，使其与钢铁基体材料结合界面存在物理性能的失配问题，由于热膨胀系数的差异，在高温载荷的作用下，界面应力集中区萌生裂纹和断裂，导致粉末冶金材料与钢铁基体材料结合困难，无法采用常规的焊接、铸造工艺实现与基体材料的冶金熔合。
目前粉末冶金材料与母体铁基材料复合的方法有：
1、机械结合式复合。将硬质合金块用螺丝固定在钢铁基体的工作部位，以达到提高耐磨性的目的。比如机床用车刀。这种结合牢固度差，易发生硬质合金脱落，影响零件的使用寿命。
2、铜钎焊粘合式复合。目前国内使用的各种型号的传统锻造钎焊截齿都是采用合金钢锻造成型，然后在锻件上钻孔，并将硬质合金用铜液钎焊方法固定，再经热处理等工序处理。该铜液钎焊复合方式只是两种材质间的粘合，而不发生扩散熔合，导致结合的不可靠。
煤矿采煤掘进机截齿、盾构机刀具、旋额挖钻机的钻齿等，在使用中受到高冲击震动和高磨损。其失效机理主要是由于冲击疲劳裂纹、冲击磨损和磨粒磨损，发生断裂。因此，产品的力学性能要求既要有高耐磨性，更需要具备高断裂韧性。
现有的粉末冶金复合产品，为提高耐磨性而增加外表硬度，多采用坚硬的耐磨相包覆在表层，忽略了提高其强度和断裂韧性的不足，在高冲击震动和高磨损并存的环境下，产品仍存在开裂断裂问题，严重影响了产品的使用寿命。如专利CN 106853532 A公开了一种复合结构的金属陶瓷和或硬质合金烧结体及其制备方法，是将已烧结的芯部基体材料成品，套入高硬度包覆材料的生坯内孔中，然后进行烧结。该发明较机械连接工艺有所改进，但仍是层状突变结构界面的机械结合，表层硬化的思路，不能根本解决产品开裂断裂的问题。
由此可见，上述现有的粉末冶金复合产品仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的碳化钛基粉末冶金材料及包含其的复合铸造产品，使其通过不同硬质相和粘合相的成分变化形成应力梯度变化的界面层，提高粉末冶金产品的冲击韧性、强度、硬度等综合力学性能，以满足工业生产需求，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种碳化钛基粉末冶金材料，使其通过不同硬质相和粘合相的成分变化形成应力梯度变化的界面层，提高粉末冶金材料的冲击韧性、强度、硬度等综合力学性能，以满足工业生产需求，从而克服现有的粉末冶金复合产品的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种碳化钛基粉末冶金材料，包括芯部耐磨层和与其冶金结合的包覆层，所述芯部耐磨层采用高硬度的碳化钛系粉末冶金材料，所述包覆层采用高韧性的碳化钛系粉末冶金材料，且所述芯部耐磨层和包覆层一起压制，一起烧结，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料。
进一步改进，所述芯部耐磨层包括如下按质量百分比计的原料：60-85％TiC，1-2％Mo，1-3％Ni，6-7％Mn，余量为Fe；所述包覆层包括如下按质量百分比计的原料：30-40％TiC，1-2％Mo，1-3％Ni，8-9％Mn，余量为Fe。
进一步改进，所述芯部耐磨层呈圆柱状结构，所述包覆层包覆在所述芯部耐磨层的圆柱状结构外周。
进一步改进，所述芯部耐磨层和包覆层呈层状叠合结构设置。
进一步改进，所述芯部耐磨层的硬度为HRA88-92，所述包覆层的硬度为HRA80-84，冲击韧度akv值为10-15J。
进一步改进，所述碳化钛基粉末冶金材料的制备方法为：分别按所述芯部耐磨层和包覆层的原料比例混合，并将混合后的所述芯部耐磨层和包覆层的混合物根据需求定位，然后对定位后的所述芯部耐磨层和包覆层一起压制成复合材料生坯；最后将压制好的复合材料生坯放在1350-1450℃高温下一起烧结，随着所述芯部耐磨层和包覆层中粘合元素的融化，在热膨胀力的驱动下，所述包覆层中的粘合元素向所述芯部耐磨层扩散，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料。
进一步改进，所述粘合元素为Mn、Ni、Fe。
作为本发明的又一改进，本发明还提供一种包含上述的碳化钛基粉末冶金材料的复合铸造产品，所述碳化钛基粉末冶金材料与基体材料通过熔铸工艺一次浇注成型，且所述碳化钛基粉末冶金材料与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合，所述基体材料为铸钢或合金铸钢材料。
进一步改进，所述复合铸造产品的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述碳化钛基粉末冶金材料，放置在模具指定位置；
(2)在负压环境下，向所述碳化钛基粉末冶金材料所在模具中浇注熔炼处理好的基体材料，浇注温度为1500-1600℃；
(3)浇注完成凝固后，先停止负压1-2分钟，保持温度在2分钟内不低于1500℃；再迅速启动负压15-20分钟，达到快速冷却，即生成所述碳化钛基粉末冶金材料与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合的复合熔铸产品。
进一步改进，所述产品为铁路或矿山机械设备配件。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明碳化钛基粉末冶金材料通过改变和摸索碳化钛基粉末冶金产品中TiC、Mo、Ni、Mn、Fe各成分的配比关系，使该冶金材料具有硬度和韧性梯度变化的复合结构，实现了粉末冶金材料性能的梯度变化，既能满足产品的硬度要求，以及韧性要求，又增加粉末冶金产品与基体材料的润湿性，适用于常规的焊接或铸造工艺，实现该冶金产品与基体材料之间的冶金熔合，彻底解决现有碳化钛基粉末冶金产品无法与基体材料通过铸造、焊接工艺结合的技术问题，增加了牢固度，满足设备的耐磨性、牢固性要求，延长设备使用寿命。
具体实施方式
本发明碳化钛基粉末冶金材料通过对原料成分比例和制备工艺的改进，制备出兼具高强度和高冲击韧性的冶金结合耐磨材料，其具体实施例如下。
实施例一
生产煤矿掘进设备的截齿
本实施例中截齿的齿头由碳化钛基粉末冶金材料制成，该碳化钛基粉末冶金材料包括如下按质量百分比计的原料成分：
芯部耐磨层原料成分为：TiC 75％，Mo2％，Ni3％，Mn7％，Fe13％。
包覆层原料成分为：TiC 40％，Mo1％，Ni3％，Mn9％，Fe47％。
该齿头的制备方法为：首先，按上述原料配比分别得到芯部耐磨层和包覆层的混合物，并将混合后的芯部耐磨层和包覆层的混合物根据需求定位，如本实施例先将芯部耐磨层混合物与包覆层混合物通过隔板隔开定位，定位完成后移除隔板；然后对定位后的芯部耐磨层和包覆层一起压制成复合材料生坯；最后将压制好的复合材料生坯放在1400℃高温下一起烧结，随着芯部耐磨层和包覆层中粘合元素Mn、Ni、Fe的融化，在热膨胀力的驱动下，所述包覆层中的粘合元素Mn、Ni、Fe向所述芯部耐磨层扩散，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料齿头。
所述碳化钛基粉末冶金材料齿头的直径为25mm，复合面为圆弧型，密度为5.6-5.8g/cm3，其中，芯部耐磨层的硬度为HRA90-91。
以上述制备的碳化钛基粉末冶金材料齿头与高锰钢钢液为基体材料，制备煤矿掘进设备的截齿，其工艺步骤如下：
将上述碳化钛基粉末冶金材料齿头放置在截齿模具中工作部分的顶端位置。在负压环境下，向截齿模具中浇注高锰钢基体钢液，浇注温度为1560℃。其中，负压环境为对密闭箱体抽真空得到。
在浇注完成后，先停止负压1-2分钟，能保持箱体内部的温度在2分钟内不低于1500度，然后再迅速启动负压15-20分钟，排除箱体内部热量，使之快速凝固。凝固后即生成含碳化钛系硬质合金梯度复合材料的复合截齿产品。
本实施例生成的碳化钛系硬质合金梯度复合材料的复合截齿，该截齿头的硬度为HRA90-91。该截齿头在煤矿掘进工作过程中遇到强冲击，硬质合金部分不会出现颗粒脱落、碎裂的情况，该碳化钛基粉末冶金产品与基体材料之间结合牢固度高。
实施例二
生产旋挖钻机的旋挖截齿
本实施例中旋挖截齿的齿头由碳化钛基粉末冶金材料制成，该碳化钛基粉末冶金材料包括如下按质量百分比计的原料成分：
芯部耐磨层原料成分为：TiC 85％，Mo2％，Ni3％，Mn7％，Fe3％。
包覆层原料成分为：TiC 30％，Mo1％，Ni3％，Mn9％，Fe57％。
该旋挖齿头的制备方法同上述实施例1中齿头的制备方法，在1350℃高温下一起烧结，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料旋挖齿头。该旋挖齿头的直径为30mm，复合面同样为圆弧型，密度为5.6-5.8g/cm3，其中，芯部耐磨层的硬度为HRA90-91。
同样以高锰钢钢液作为基体材料，制备旋挖钻机的旋挖截齿，其工艺步骤同上述实施例1中煤矿掘进设备截齿的制备工艺，生成含碳化钛系硬质合金梯度复合材料旋挖截齿产品。
本实施例生成的含碳化钛系硬质合金梯度复合材料旋挖截齿齿头工作部分硬度为HRA90-91。该旋挖截齿产品在岩石地质环境旋挖工作过程中不会出现碎裂现象，该碳化钛系硬质合金梯度复合材料旋挖截齿的强韧度和硬度搭配合理，使用寿命超过同类产品。
实施例三
生产可焊接耐磨板
本实施例中耐磨板由碳化钛基粉末冶金材料制成，该碳化钛基粉末冶金材料包括如下按质量百分比计的原料成分：
芯部耐磨层原料成分为：TiC 60％，Mo1％，Ni2％，Mn6％，Fe31％。
包覆层原料成分为：TiC 35％，Mo2％，Ni2％，Mn8％，Fe53％。
该耐磨板的制备方法为：首先，按上述原料配比分别得到芯部耐磨层和包覆层的混合物，并将混合后的芯部耐磨层和包覆层的混合物根据需求定位，如本实施例将芯部耐磨层混合物与包覆层混合物重叠放置，水平方向为复合面；然后对定位后的芯部耐磨层和包覆层一起压制成复合材料生坯；最后将压制好的复合材料生坯放在1450℃高温下一起烧结，同样，随着芯部耐磨层和包覆层中粘合元素的融化，在热膨胀力的驱动下，所述包覆层中的粘合元素向所述芯部耐磨层扩散，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料耐磨板。
所述碳化钛基粉末冶金材料耐磨板的尺寸为104*80*25mm，焊接层厚度为1.2mm，芯部耐磨层硬度为HRA87-89。
将该耐磨板产品焊接在煤矿掘进机前部工作螺旋表面，在岩层掘进工作过程中，没有出现焊口脱落和耐磨层碎裂现象，表明该硬质合金梯度复合材料可焊接耐磨板与基体材料之间结合牢固度高，服役寿命超过现有高铬铸铁耐磨产品5-6倍。
从上述实施例可知，该碳化钛基粉末冶金材料的芯部耐磨层与包覆层之间可以是弧面复合，如实施例一和实施例二中芯部耐磨层呈圆柱状结构，包覆层包覆在芯部耐磨层的圆柱状结构外周，该复合工艺可制备钻头、齿头、磨球等产品；也可以是平面复合，如实施例三中，芯部耐磨层和包覆层呈层状叠合结构，该复合工艺可制备耐磨块、板等产品。
该复合工艺采用芯部耐磨层与包覆层材料一起压制，一起烧结，简化了工艺，加强了两种材料中的元素扩散、渗透，界面应力逐渐的梯度变化，减少了应力集中，提高了复合质量。
本发明碳化钛基粉末冶金材料通过对芯部耐磨层与包覆层中原料成分相同但设定比例不同，使其既减轻了传统粉末冶金复合材料因界面材料突变、热膨胀系数差异、应力集中等造成的结合面力学性能失配的问题，又能在芯部耐磨层与包覆层的共同压制成型过程中，形成互相混合渗透的扩散层，构成复合材料的生坯；再将压制好的复合材料生坯放在高温下烧结，随着烧结高温下粘合元素的融化，在热膨胀力的驱动下，包覆层材料中粘合元素向芯部耐磨层中扩散，进一步形成冶金熔合，使生成的碳化钛基粉末冶金材料具有界面结合强度高、界面应力分布平缓，易操作，成本低等特点。
更优效果在于，本发明低硬度高韧性的包覆层材料与钢铁基体材料的元素成分接近，同属面心立方晶格类型，存在共格关系，进一步促进了两种材料元素的渗透扩散，具有较高的润湿性。如包覆层材料与钢铁基体材料的热膨胀系数接近(钢铁材料的热膨胀系数为12.3-14.6，包覆层材料的热膨胀系数为11-14.35)，具有良好的焊接性能，可以将其直接与钢铁基体材料焊接或复合铸造在一起，结合牢固，易形成冶金结合，也就是说，该包覆层既具有可铸造性能，又具有可焊接性能。本发明碳化钛基粉末冶金材料复合产品的铸造、焊接性能大大高于现有硬质合金产品。
并且，该高韧性包覆层形成的应力缓冲区，一方面吸收外加应力，避免了内层的高硬度材料直接收到外力冲击，减轻了其开裂问题；还吸收了高硬度材料的各种内应力，起到缓冲保护作用。另一方面，对芯部高硬度、低断裂韧性材料起到支撑依托的保护作用，高硬度材料随着外层低硬度材料的磨损，逐渐暴露并逐渐发挥其耐磨性作用，避免了直接受到强冲击振动，导致的裂纹和断裂发生，延长产品使用寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种碳化钛基粉末冶金材料，其特征在于，包括芯部耐磨层和与其冶金结合的包覆层，所述芯部耐磨层采用高硬度的碳化钛系粉末冶金材料，所述包覆层采用高韧性的碳化钛系粉末冶金材料，且所述芯部耐磨层和包覆层一起压制，一起烧结，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料；
其中，所述芯部耐磨层包括如下按质量百分比计的原料：60-85％TiC，1-2％Mo，1-3％Ni，6-7％Mn，余量为Fe；所述包覆层包括如下按质量百分比计的原料：30-40％TiC，1-2％Mo，1-3％Ni，8-9％Mn，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的碳化钛基粉末冶金材料，其特征在于，所述芯部耐磨层呈圆柱状结构，所述包覆层包覆在所述芯部耐磨层的圆柱状结构外周。
3.根据权利要求1所述的碳化钛基粉末冶金材料，其特征在于，所述芯部耐磨层和包覆层呈层状叠合结构设置。
4.根据权利要求1所述的碳化钛基粉末冶金材料，其特征在于，所述芯部耐磨层的硬度为HRA88-92，所述包覆层的硬度为HRA80-84，冲击韧度akv值为10-15J。
5.根据权利要求1至4任一项所述的碳化钛基粉末冶金材料，其特征在于，所述碳化钛基粉末冶金材料的制备方法为：分别按所述芯部耐磨层和包覆层的原料比例混合，并将混合后的所述芯部耐磨层和包覆层的混合物根据需求定位，然后对定位后的所述芯部耐磨层和包覆层一起压制成复合材料生坯；最后将压制好的复合材料生坯放在1350-1450℃高温下一起烧结，随着所述芯部耐磨层和包覆层中粘合元素的融化，在热膨胀力的驱动下，所述包覆层中的粘合元素向所述芯部耐磨层扩散，形成界面应力梯度变化的所述碳化钛基粉末冶金材料。
6.根据权利要求5所述的碳化钛基粉末冶金材料，其特征在于，所述粘合元素为Mn、Ni、Fe。
7.一种包含权利要求1至6任一项所述的碳化钛基粉末冶金材料的复合铸造产品，其特征在于，所述碳化钛基粉末冶金材料与基体材料通过熔铸工艺一次浇注成型，且所述碳化钛基粉末冶金材料与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合，所述基体材料为铸钢或合金铸钢材料。
8.根据权利要求7所述的复合铸造产品，其特征在于，所述复合铸造产品的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述碳化钛基粉末冶金材料，放置在模具指定位置；
(2)在负压环境下，向所述碳化钛基粉末冶金材料所在模具中浇注熔炼处理好的基体材料，浇注温度为1500～1600℃；
(3)浇注完成凝固后，先停止负压1～2分钟，保持温度在2分钟内不低于1500℃；再迅速启动负压15～20分钟，达到快速冷却，即生成所述碳化钛基粉末冶金材料与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合的复合熔铸产品。
9.根据权利要求8所述的复合铸造产品，其特征在于，所述产品为铁路或矿山机械设备配件。
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