[发明专利]一种制备硬质合金/钢层合复合材料的颗粒熔浸铸造工艺

说明书

 

技术领域

本发明属于硬质合金/钢层合复合材料的制备技术领域，特别是提供了一种用金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒，通过熔浸铸造的新工艺可制备出任何形状，任何厚度，并有基体钢芯强化的硬质合金/钢双层或多层层合复合材料工艺。

 

背景技术

硬质合金的特点是具有高硬度（HRA70~93），高耐磨性和极高的抗压强度≥500kg/mm²，特别是在很高的温度下（﹤1100℃）仍能保持很高的硬度和抗压强度。因此近90年来硬质合金被广泛的应用在机械加工刀具、石油开采、矿业开采的凿岩工具，交通运输、煤炭开采、人造金刚石合成、计算机行业、纺织、玻璃、金属管线材加工等几乎在国民经济各部门中都得到了广泛应用。但是硬质合金材料最大的弱点是脆性较大（抗弯强度较低）。近30年来，材料研究工作者们采用了多种途径，将硬质合金与各种钢材进行层合复合工艺及材料性能的研究，其中主要有（1）复合电镀颗粒沉积工艺；（2）各种热喷涂工艺，其中包括火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂等；（3）复合喷射成型工艺；（4）爆炸复合工艺；（5）压力扩散结合工艺；（6）铜液浸渗工艺等。前两种工艺均属于钢材的表面改性技术，由于所得的硬质合金涂层一般很薄（﹤2㎜）密度较低，与基体钢表面的结合强度低，故涂层合金不能在较大的应力条件下使用，特别是硬质合金涂层。因材质的膨胀系数与基体相差较大（物理相容性较差）故很容易剥落。第三种复合喷射成型工艺，近20年来我国北京科技大学曾开发了一种复合喷射成型技术（本申请者开发的技术），其原理为采用一种特制的高速气流超声雾化喷嘴，将熔化的高速钢液喷成为由高温液滴组成的雾化锥体，与此同时在雾化锥体周围，用另一环形喷嘴向高速钢的雾化锥体内喷入WC粉末颗粒，经高温混合后共同沉积在基体钢表面，从而形成为表层是高速钢粘结的WC硬质合金层并同时与基体钢表面钎焊烧结成一体，即可制成（硬质合金/钢 ）层合复合材料或部件。这种技术目前正处在研究和完善阶段；第四种爆炸复合工艺，主要因爆炸条件所限，很难推广，且控制较难、成品率较低；第五种压力扩散结合工艺，这种工艺对校厚的平板状（硬质合金/钢）层合复合材料较为适用，对其他复杂形状的制品较难适用；第六种铜液浸渗工艺是50年前在粉末冶金工业中被用来制造铜钨触头材料和火箭用发汗材料的一种常规工艺。在8年前，美国休斯顿石油钻头公司又用这种铜浸渗工艺制备了石油开采用海底钻头并迅速地占领了整个欧洲和美国市场。遗憾的是这种工艺虽然简单，但在合金成分的调整（包括碳化物颗粒的成分和金属液的成分）上以及铸造部件的复杂性上都没有广泛的适用性，更不能使用强度、硬度更佳的黑色金属液体进行浸渗工序。为了改进上述各种工艺的缺点，本发明采用了一种用金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒物，充填铸型模腔以解决形状复杂部件的造型问题，然后在一定温度下，用高温金属液体进行熔浸烧结和钎焊，从而可用简单的工序制备出（硬质合金/钢）层合复合材料或部件。

 

发明内容

本发明的技术原理是提供了一种颗粒熔浸铸造工艺制备（硬质合金/钢）层合复合材料或部件的技术，其主要工艺步骤如下：将颗粒状的金属碳化物或硬质合金粒状物，充填到所需形状的模腔与基体钢芯的夹层空间中，形成为具有特定外形、特定三维尺寸和堆积密度的颗粒堆积体，在设定的预热温度下，将某种选定的具有浸润性的金属液（如铜液，高锰钢液、超高强度钢液）等注入到夹层空间的颗粒堆积体中利用金属液体对金属碳化物颗粒或硬质合金颗粒良好的浸润性和高温金属液携带的充足热量，在很短的时间内将夹层空间内所有金属碳化物颗粒迅速浸透、烧结并迅速形成一个整体。更重要的是与此同时，新生的硬质合金层与基体钢芯表面也完成了钎焊过程，最终可形成具有所需外形，表面极为坚硬、耐磨的内部又有极高强度的（硬质合金/钢）层合复合材料或部件。基体钢芯的材质，一般均选用廉价的（T45）碳钢、高锰钢和低合金高强度钢。铸造模具可使用石墨模（简单形状）、自凝耐火材料耐高温塑造模（复杂外形）所使用的金属碳化物颗粒也可在很大的范围内自由选择，如莱利特（铸造碳化钨）颗粒，YG、YT类硬质合金碎屑，碳化硅粗颗粒，自蔓燃合成碳化钛粗颗粒粉，以及部分改性的氧化铝，氧化锆陶瓷颗粒粉等。

粉末的粒度组成会直接影响颗粒堆积体的充填密度。颗粒形状直接会影响硬质合金铸造层的耐磨性和切削性能。确切来说球形颗粒耐磨性较好，多使用在平面抗磨损部件上，如坦克履带，轧钢辊、破碎辊和抗冲击、抗穿透装甲部件。带尖角的碎屑状颗粒，适用于凿岩、切削等使用条件，如石油井勘探用钻头，矿山开采钻头胎体合金等。