專利名稱：一種制備硬質合金/鋼層合復合材料的顆粒熔浸鑄造工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于硬質合金/鋼層合復合材料的制備技術領域，特別是提供了一種用金屬碳化物顆?；蛴操|合金顆粒，通過熔浸鑄造的新工藝可制備出任何形狀，任何厚度，并有基體鋼芯強化的硬質合金/鋼雙層或多層層合復合材料工藝。
背景技術：
硬質合金的特點是具有高硬度(HRA7(T93)，高耐磨性和極高的抗壓強度彡500kg/mm2，特別是在很高的溫度下(< 1100°C )仍能保持很高的硬度和抗壓強度。因此近90年來硬質合金被廣泛的應用在機械加工刀具、石油開采、礦業(yè)開采的鑿巖工具，交通運輸、煤炭開采、人造金剛石合成、計算機行業(yè)、紡織、玻璃、金屬管線材加工等幾乎在國民經濟各部門中都得到了廣泛應用。但是硬質合金材料最大的弱點是脆性較大(抗彎強度較低)。近30年來，材料研究工作者們采用了多種途徑，將硬質合金與各種鋼材進行層合復合工藝及材料性能的研究，其中主要有(1)復合電鍍顆粒沉積工藝；(2)各種熱噴涂工藝，其中包括火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂等；(3)復合噴射成型工藝；(4)爆炸復合工藝；(5)壓力擴散結合工藝；(6)銅液浸滲工藝等。前兩種工藝均屬于鋼材的表面改性技術，由于所得的硬質合金涂層一般很薄(< 2 mm)密度較低，與基體鋼表面的結合強度低， 故涂層合金不能在較大的應力條件下使用，特別是硬質合金涂層。因材質的膨脹系數與基體相差較大(物理相容性較差)故很容易剝落。第三種復合噴射成型工藝，近20年來我國北京科技大學曾開發(fā)了一種復合噴射成型技術(本申請者開發(fā)的技術)，其原理為采用一種特制的高速氣流超聲霧化噴嘴，將熔化的高速鋼液噴成為由高溫液滴組成的霧化錐體，與此同時在霧化錐體周圍，用另一環(huán)形噴嘴向高速鋼的霧化錐體內噴入WC粉末顆粒，經高溫混合后共同沉積在基體鋼表面，從而形成為表層是高速鋼粘結的WC硬質合金層并同時與基體鋼表面釬焊燒結成一體，即可制成(硬質合金/鋼)層合復合材料或部件。這種技術目前正處在研究和完善階段；第四種爆炸復合工藝，主要因爆炸條件所限，很難推廣，且控制較難、成品率較低；第五種壓力擴散結合工藝，這種工藝對校厚的平板狀(硬質合金/鋼)層合復合材料較為適用，對其他復雜形狀的制品較難適用；第六種銅液浸滲工藝是50年前在粉末冶金工業(yè)中被用來制造銅鎢觸頭材料和火箭用發(fā)汗材料的一種常規(guī)工藝。在8年前， 美國休斯頓石油鉆頭公司又用這種銅浸滲工藝制備了石油開采用海底鉆頭并迅速地占領了整個歐洲和美國市場。遺憾的是這種工藝雖然簡單，但在合金成分的調整(包括碳化物顆粒的成分和金屬液的成分)上以及鑄造部件的復雜性上都沒有廣泛的適用性，更不能使用強度、硬度更佳的黑色金屬液體進行浸滲工序。為了改進上述各種工藝的缺點，本發(fā)明采用了一種用金屬碳化物顆?；蛴操|合金顆粒物，充填鑄型模腔以解決形狀復雜部件的造型問題，然后在一定溫度下，用高溫金屬液體進行熔浸燒結和釬焊，從而可用簡單的工序制備出(硬質合金/鋼)層合復合材料或部件。
發(fā)明內容
本發(fā)明的技術原理是提供了一種顆粒熔浸鑄造工藝制備(硬質合金/鋼)層合復合材料或部件的技術，其主要工藝步驟如下將顆粒狀的金屬碳化物或硬質合金粒狀物，充填到所需形狀的模腔與基體鋼芯的夾層空間中，形成為具有特定外形、特定三維尺寸和堆積密度的顆粒堆積體，在設定的預熱溫度下，將某種選定的具有浸潤性的金屬液(如銅液，高錳鋼液、超高強度鋼液)等注入到夾層空間的顆粒堆積體中利用金屬液體對金屬碳化物顆粒或硬質合金顆粒良好的浸潤性和高溫金屬液攜帶的充足熱量，在很短的時間內將夾層空間內所有金屬碳化物顆粒迅速浸透、燒結并迅速形成一個整體。更重要的是與此同時，新生的硬質合金層與基體鋼芯表面也完成了釬焊過程，最終可形成具有所需外形，表面極為堅硬、耐磨的內部又有極高強度的(硬質合金/鋼)層合復合材料或部件?；w鋼芯的材質， 一般均選用廉價的(T45 )碳鋼、高錳鋼和低合金高強度鋼。鑄造模具可使用石墨模(簡單形狀)、自凝耐火材料耐高溫塑造模(復雜外形)所使用的金屬碳化物顆粒也可在很大的范圍內自由選擇，如萊利特(鑄造碳化鎢)顆粒，YG、YT類硬質合金碎屑，碳化硅粗顆粒，自蔓燃合成碳化鈦粗顆粒粉，以及部分改性的氧化鋁，氧化鋯陶瓷顆粒粉等。粉末的粒度組成會直接影響顆粒堆積體的充填密度。顆粒形狀直接會影響硬質合金鑄造層的耐磨性和切削性能。確切來說球形顆粒耐磨性較好，多使用在平面抗磨損部件上，如坦克履帶，軋鋼輥、破碎輥和抗沖擊、抗穿透裝甲部件。帶尖角的碎屑狀顆粒，適用于鑿巖、切削等使用條件，如石油井勘探用鉆頭，礦山開采鉆頭胎體合金等。本發(fā)明的具體技術方案如下一種制備硬質合金/鋼層合復合材料的顆粒熔浸鑄造工藝，其特征在于所述工藝包括如下步驟
1. 1模具準備包括型腔模和基體鋼芯的設計和制造，所用模具的材料和加工方法根據被鑄造部件的形狀、硬質合金層厚度及鋼芯的合金成分而定；型腔模和基體鋼芯制好后，轉入烘干和裝配；
1. 2顆粒充填將顆粒狀的金屬碳化物或硬質合金粒狀物，充填到所需形狀的型模腔與基體鋼芯的夾層空間中，形成為具有特定外形、特定三維尺寸和堆積密度的顆粒堆積體；
1. 3模具預熱及氣體保護將充填好的模具，放入爐內預熱、升溫； 1.4熔浸澆注將選定的具有浸潤能力的金屬液注入到夾層空間的顆粒堆積體中； 1. 5冷卻脫模； 所述步驟1. 3,1. 4,1. 5均在隊或Ar的保護下進行。進一步的所述的金屬碳化物顆粒為碳化鎢、碳化鈦、碳化鎢-碳化鈦固溶體，碳化硅、碳化硼、碳化鉻、碳化釩、碳化鋯、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉿顆粒狀物；所述的硬質合金顆粒物為YG、YT類硬質合金顆粒物、粒徑為0. 05飛mm，或相同粒徑的硬質合金碎屑。進一步的所述金屬液為銅或銅合金液、高錳鋼液、或超高強度鋼液。進一步的所述步驟1. 2中，充填物顆粒狀的金屬碳化物或硬質合金粒狀物的相對密度為50 75%。
進一步的所述步驟1.3、1.4、1.5中，可以再通入體積分數為廣5%、純度為 99. 69Γ99. 9%的工業(yè)普H2氣體，進行活化性保護。進一步的所述模具采用石墨模或自凝耐火材料塑造模。本發(fā)明的優(yōu)點；
1、從生產技術上提供了一種通過顆粒熔浸鑄造的簡單工藝能夠快速可靠的制成具有任何外形，而厚度不受任何限制的(硬質合金/鋼)層合復合材料或部件。 特別是工程機械中，鏟土機的牙齒合金部件，隧道盾構機的整體硬合金牙齒部件及側翼防護板件。打井機用的整體硬質合金鉆頭、石油鉆頭(牙輪鉆和刮刀鉆)、海底石油鉆頭(包括金剛石聚晶顆粒孕鑲鉆頭、坦克履帶及主動輪耐磨層合金、高壓耐磨零部件等。2、硬面層及基體鋼芯的材質成份可在很大范圍內自由調整，打破了只能用低強度的銅液熔浸鑄造的限制。從而擴大了這種層合復合材料的應用范圍。3、在投資較大，設備條件較好的情況下可生產超大型的冷軋軋輥或特種防護裝甲部件。4、該工藝可完全消除層合材料的層間剪切應力(物理相容性較差)的難題， 同時可解決高應力使用條件下的層面剝落問題。5、這種層合復合材料具有較好的局部修復的能力和分段接續(xù)熔浸鑄造的能力。6、在層合的外層合金層中，可制備成具有顆粒梯度、成份梯度、和性能各異的夾層或梯度合金材料。7、工藝簡單設備投資少，產品市場廣闊、風險小。適合于中小企業(yè)快速投產。
圖1為某內層為管狀、硬質合金層基體鋼芯為T45鋼管部件顆粒熔浸鑄造示意圖。圖2為本發(fā)明的具體步驟示意圖。圖3為實施例1的工藝實施示意圖。圖4為實施例2的工藝實施示意圖。
具體實施例方式附圖1為簡單示意的部件(內層為管狀的硬質合金層，基體鋼芯為T45鋼管)的顆粒熔浸鑄造示意圖，圖中1、中頻感應爐的鋼包；2、為金屬液流；3、石墨模具；4、基體T45 鋼管；5、硬質合金顆粒充填物；6、石墨芯桿。附圖2中，模具準備主要包括型腔模和基體鋼芯的設計和制造，所用模具的材料和加工方法一般要根據被鑄造部件的形狀，硬質合金層厚度及鋼芯的合金成分而定，如形狀簡單的回旋體(園柱體，管，棒，球)等部件，一般采用石墨模。形狀復雜非對稱部件采用自凝耐火材料塑造模，該種模具可在< 1700°C的溫度下使用?；w鋼芯的材質一般用廉價的T45碳鋼制造。鋼芯的形狀基本上與外形部件保持為相似形。模具和基體鋼芯制好后，
5轉入烘干和裝配。
顆粒充填主要是將選配好的顆粒物充填到型腔模與鋼芯之間的空腔內，在充填時可采用振動臺，振動充填搗實棒等設備和工具，以便盡量提高顆粒充填物的密度
模具預熱及氣體保護將充填好的模具，放入有保護氣體(N2)的爐內預熱、升溫并通入 N2氣保護。模具和基體鋼芯的預熱目的一是彌補金屬液攜帶熱量不足的問題，二是改善金屬液與顆粒表面之間的浸潤性，加速浸透、排氣和重排列過程。三是加速液-固相之間的均勻地相變反應(浸潤、溶解、析出、重結晶等)。因預熱工序十分重要而且預熱溫度必須嚴格設定。氣體保護的目的是為了使金屬碳化物顆粒表面及基體鋼芯表面不被高溫氧化。金屬液熔煉高溫金屬液包括純金屬液⑶口銅、鎳、鐵液)和各種合金液(如黃銅、45 鋼、高鉻、高猛、高硅等鑄鐵、低合金高強度鋼、高速鋼等)。以上金屬液可以使用現(xiàn)有的純金屬或合金進行重熔而制成，也可采用各種合金鋼冶煉的方法進行冶煉。獲得金屬液后必須將金屬液表面的渣皮清理干凈或在傾注時，使用耐高溫的陶瓷過濾器濾渣。熔浸澆注是將重熔或冶煉好的金屬液注入到顆粒充填物中。冷卻脫模和產品檢查模具冷卻應在氣體保護下，使鑄模完全冷卻以防止鑄件在降溫時氧化。脫模方法要根據鑄模情況而定。一般在使用自凝耐火塑造模時可直接打碎回收。而多次重復使用的石墨模具，因內壁使用脫模劑可用專門設備脫模。產品檢驗主要檢查是否有未鑄造好的部分(可返回修理)，同時可用超聲回波探傷儀檢查鋼芯和硬面層間是否有空洞或裂紋。此外產品還需必要的表面清理或打磨。實施例1 ；制備一個外表面為硬質合金層面的園柱體，其外徑Φ 100、層厚10mm、 高100mm，基體鋼芯為T45碳鋼。層合面處，外徑Φ80 mm、尾桿段Φ100 mm、總高185mm， 平底。成品表面層硬度HRC68 70，應按下列步驟完成；
1、設計、制作、安裝模具應按附圖3制作和安裝模具，其中13為基體鋼芯，14為硬質合金碎屑顆粒(-40目)充填物，15為石墨模具，16為基體鋼芯尾桿段，17為金屬液漏斗。2、顆粒物充填將YG8牌號的硬質合金顆粒碎屑2.9 kg分批放入模具空腔內， 用振動裝填棒將每次放入的充填物搗實，并陸續(xù)再裝入顆粒物，不斷搗實，在有條件的情況下，可在震動臺上裝填顆粒物，直至裝到IOOmm高度，刮平并戴上澆注漏斗17。3、模具預熱、氣體保護將上述裝好顆粒充填物的模具放入保護氣體預熱爐內，按設定溫度(900°C )升溫預熱，并通入氮氣保護，爐體上蓋暫時關閉。4、用中頻感應爐中的石墨坩堝將牌號為(6-6-3) (Sn6%，Ζη69 )，1^3%質量)的青銅合金1. 8-2 kg融化成銅液，并將銅液升溫至1150°C保溫。5、熔浸澆注當預熱模具溫度達到900°C，銅水溫度達1150°C時，打開預熱爐爐蓋，將銅液傾注到澆注漏斗17中，進行熔浸澆注，待銅液完全滲入到顆粒充填物后，爐體降溫，模具冷卻。6、冷卻脫模爐體斷電降溫后，待溫度低于35°C時，模具出爐并進行脫模?！?、產品檢查產品表面一般用鋼絲刷清理，并檢查表面是否有凹坑，裂紋等缺陷，否則轉入修補。實施例2
制備一個硬質合金外層的球體，厚20mm，外徑Φ200mm，內徑Φ 160mm，基體鋼芯為實心球體，材質為(T45)碳鋼，基體鋼球體外徑Φ 160mm，有一桿狀尾桿Φ IOOmm長^Omm。要求成品的外層合金硬度HRC68 — 72，耐磨抗沖擊?？稍?00 下工作，上述產品應按下列步驟完成
1、設計、制造、安裝模具、應按附圖4制造和安裝模具，其中18為金屬液漏斗，材質為自凝耐火材料塑造，19為上半園溶浸鑄造模，其下部的型腔為硬質合金層的上半園球體模，其周邊有定位止口。上部有金屬液漏斗18并用錐面定位安裝，其下部有一小部分表面與19 形成球面型腔。20為模具的金屬外殼上半部分。21為模具的下半金屬外殼，上下用螺釘連接。22為顆粒充填物。23為基體鋼芯。19、對為硬質層球形體的兩個凹形半球面模具，兩者的分型面在球體的最大直徑處。模具的材質為耐高溫自凝耐火塑造材料，主要為鎂砂料， 凹形半球面的造型?？捎盟芰稀⒛静?、不銹鋼板沖壓的球形焊接件、泥塑(石膏)等制成球體的正型造型模。在下部凹形模的中心處開有基體鋼芯的安裝及定位孔，模具造好后，在烘箱內150°C，2小時烘干，待冷卻后轉到充填工序。2、安裝鋼芯、顆粒充填將鋼芯的尾桿23插入下半模M的中心孔內，再將YG6牌號的硬質合金碎屑充填到下半型腔模與鋼芯球體下部空間內，待充實填滿后刮平，然后安裝上半模并充填顆粒物。充滿后，再戴上澆注漏斗，最后將少量顆粒物由漏斗中心孔加入， 以調整補充顆粒物的不足。這種充填工作最好在振動臺上進行。顆粒物的粒度組成除與充填物的充填密度有關外，還與部件的形體空間復雜程度以及硬質層厚度有關。故在選配顆粒物的粒度組成時，應事先用與實體部件形體空間相似的或近似的容器來確定最高充填密度所對應的粒度組成數據。并嚴格按此數據配制YG6牌號的充填物顆粒狀粉末。按照充填密度為68%時形體空間的體積為V=3923. 7cm3, YG6合金密度為14. 95g/cm3，則所用YG6合金的顆粒充填物為39. 29kg
3、模具預熱、氣體保護同實施例1中的3。4、金屬液熔煉用中頻感應爐將高碳合金鑄鐵12kg重熔，并在1300°C保溫。5、熔浸澆注
當模具預熱溫度達到950°C，金屬液溫度達到1300°C時，打開預熱爐爐蓋緩慢地將金屬液傾注到澆注漏斗(18)中進行熔浸澆注，當金屬液完全滲入到顆粒充填物后爐體快速降溫冷卻。6、冷卻脫模
與實施例1中的6相同，另外可采用將自凝耐火模具局部打碎或局部修復的方法進行脫模-修模的整體考慮。7、產品檢查
與實施例1中7相同。
權利要求
1. 一種制備硬質合金/鋼層合復合材料的顆粒熔浸鑄造工藝，其特征在于所述工藝包括如下步驟1. 1模具準備包括型腔模和基體鋼芯的設計和制造，所用模具的材料和加工方法根據被鑄造部件的形狀、硬質合金層厚度及鋼芯的合金成分而定；型腔模和基體鋼芯制好后，轉入烘干和裝配；1. 2顆粒充填將顆粒狀的金屬碳化物或硬質合金粒狀物，充填到所需形狀的型模腔與基體鋼芯的夾層空間中，形成為具有特定外形、特定三維尺寸和堆積密度的顆粒堆積體；1.3模具預熱及氣體保護將充填好的模具，放入爐內預熱、升溫；1.4熔浸澆注將選定的具有浸潤能力的金屬液注入到夾層空間的顆粒堆積體中； 1. 5冷卻脫模； 所述步驟1. 3,1. 4,1. 5均在隊或Ar的保護下進行。
2.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于所述的金屬碳化物顆粒為碳化鎢、碳化鈦、碳化鎢-碳化鈦固溶體，碳化硅、碳化硼、碳化鉻、碳化釩、碳化鋯、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉿顆粒狀物；所述的硬質合金顆粒物為YG、YT類硬質合金顆粒物、粒徑為0. 05飛mm，或相同粒徑的硬質合金碎屑。
3.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于所述金屬液為銅或銅合金液、高錳鋼液、 或超高強度鋼液。
4.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于所述步驟1.2中，充填物顆粒狀的金屬碳化物或硬質合金粒狀物的相對密度為5(Γ75%。
5.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于所述步驟1.3,1. 4,1. 5中，可以再通入體積分數為廣5%、純度為99. 69Γ99. 9%的工業(yè)普H2氣體，進行活化性保護。
6.根據權利要求1所述的工藝，其特征在于所述模具采用石墨?；蜃阅突鸩牧纤茉炷！?br>
全文摘要
本發(fā)明屬于硬質合金/鋼層合復合材料的制備技術領域，特別是提供了一種用金屬碳化物顆?；蛴操|合金顆粒，通過熔浸鑄造的新工藝可制備出任何形狀，任何厚度，并有基體鋼芯強化的硬質合金/鋼雙層或多層層合復合材料工藝。具體包括(1)模具準備；(2)顆粒充填；(3)模具預熱及氣體保護；(4)熔浸澆注；(5)冷卻脫模。本發(fā)明的工藝能夠快速可靠的制成具有任何外形，而厚度不受任何限制的(硬質合金/鋼)層合復合材料或部件。
文檔編號B22D19/14GK102389962SQ20111037463
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2011年11月22日
發(fā)明者劉祥慶, 吳成義, 李艷軍, 溫芳, 石永亮, 辛延君, 郭志猛, 郭雷辰 申請人:北京科技大學