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一種新型WCFENI硬質合金輥環及其制備方法.pdf

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一種 新型 WCFENI 硬質合金 及其 制備 方法
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摘要
申請專利號:

CN201510383989.3

申請日:

2015.07.03

公開號:

CN104894452A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C22C 29/08申請日:20150703|||公開
IPC分類號: C22C29/08; C22C1/05; C22F1/00 主分類號: C22C29/08
申請人: 中南大學
發明人: 羅兵輝; 高陽; 趙勇; 柏振海; 朱斌
地址: 410083湖南省長沙市麓山南路932號
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510383989.3

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.09.12|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法。WC-Fe-Ni硬質合金輥環是通過粉末冶金方法將平均晶粒尺寸為6-15μm含量為75~92wt%的WC硬質相(其碳含量為6.01~6.11wt%),粒徑為2-4μm含量為5~14wt%的Fe粉,粒徑為2-4μm含量為3~11wt%的Ni粉,經球磨混料,壓制成形,在4.5~6.0MPa壓力下加壓燒結而成。燒結加工成型后再將硬質合金輥環以20~30℃/min的速度冷卻到-80℃~-100℃,保溫2~10小時,再以20~30℃/min的速度升至室溫。WC-Fe-Ni輥環經深冷處理發生馬氏體相變,且在粘接相中析出彌散分布的W,進一步強化粘接相,其硬度提高19.5%,摩擦系數減少22.4%,耐磨性提高55.5%,綜合性能優于YGR55(WC-25(Co-Ni-Cr))的硬質合金輥環,使用壽命比YGR55硬質合金輥環產品提高了5%,生產成本降低15%以上。

權利要求書

權利要求書
1.  一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法,其特征在于:采用WC做硬質相,采用Fe、Ni金屬做粘接相,通過粉末冶金工藝制備硬質合金輥環,并對輥環進行相應的深冷處理,強化粘接相,增加表面壓應力,增加硬度、提高耐磨性和抗沖擊韌性,降低輥環的生產成本,提高輥環的性能和使用壽命。

2.  根據權利要求1所述的一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法,其特征在于:所述的硬質相WC( 其中WC含碳量控制在6.01~6.11wt%)含量為75~92wt%,其中硬質相WC粉的平均晶粒尺寸為6-15μm,粘結相為8~25 wt%(Fe/Ni)粉,所用粒徑為2-4μm的羥基Fe粉含量為5~14wt%,粒徑為2-4μm的羥基Ni粉含量為3~11 wt%,并將各組分WC、Fe、Ni 經球磨,壓制,加壓燒結,隨后進行深冷處理,制得硬質合金輥環。

3.  根據權利要求2所述的WC-Fe-Ni硬質合金輥環的制備方法,其特征在于,以汽油作為球磨介質,使用直徑為6~12mm的YG8硬質合金球作為研磨球,球料的質量比為(3~5):1,球磨轉速為150~200rpm,在滾筒球磨機上球磨混料12~30h,球磨混料后,料漿在真空環境中于80~110℃下干燥4~8h,使用1.2~1.5wt%合成橡膠做成型劑,在150~250MPa壓力下壓制成硬質合金輥環壓坯,將壓制成型好的硬質合金輥環壓坯置于排膠爐中在530~590℃下排膠60min~80min,排膠過后置于氣壓燒結爐中在1350~1410℃下燒結70~120 min,在燒結過程中充入4.5~6.0MPa壓力的氬氣進行加壓燒結。

4.  根據權利要求1和2所述的一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法,其特征在于將制備好的硬質合金輥環,加工成形所需尺寸后,按照下面步驟進行深冷處理:
(1)將WC-Fe-Ni硬質合金輥環放到深冷箱中,以20~50℃/min的冷卻速度降至-80~-100℃,保溫2~10小時
(2)隨后再以20~50℃/min的速度升至室溫,并將WC-Fe-Ni硬質合金輥環從深冷箱中取出,完成深冷處理。

說明書

說明書一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法
技術領域
本發明涉及一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法。
背景技術
現用硬質合金輥環材料是一種以難熔金屬化合物WC為硬質相,以過渡族金屬Co、Ni、Cr為粘接相,通過粉末冶金方法制備而成的金屬陶瓷工具材料。目前,市場上主要使用WC-Co和WC-Co-Ni-Cr兩種材質的硬質合金輥環。根據不同軋制條件對軋輥性能的要求, 不同精軋機架和預精軋機架需要選擇不同牌號的硬質合金輥環,以實現各機架牌號的最佳匹配,硬質合金輥環材料中Co的含量在6~30wt%之間調整,以滿足輥環不同的韌性和耐磨性要求。Co作為一種昂貴而稀缺的金屬,全球儲量極其有限,價格昂貴且逐年上漲,并且污染環境,節約和替代Co成為影響我國硬質合金行業生存和發展的頭等大事,要解決此問題就需要開發出能夠替代Co做粘接相的新產品,并且提高現有硬質合金的使用效率和壽命。采用Fe、Ni金屬復合粉作為粘接相能夠大幅節約Co的使用,開發出的新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環能夠在提高輥環的使用壽命和性能的基礎上大幅節約成本。
在高速線材生產中,硬質合金輥環的使用條件非常惡劣,對輥環的要求也非常苛刻,在熱軋過程中要經受高溫、熱沖擊、熱腐蝕、軋制應力、沖擊載荷等的作用。因此,硬質合金輥環要具有良好的耐磨性、斷裂韌性、高溫紅硬性、熱傳導性、耐熱疲勞性和高溫強度等特點。
為了改善硬質合金輥環性能,提高使用壽命,需要對輥環進行必要的處理,以提高輥環的耐磨性和抗沖擊性能來提高輥環的性能和使用壽命。
深冷處理作為一種傳統熱處理工藝的擴展和延續,是將被處理材料置于低溫環境中對材料進行一定時間處理,使材料微觀結構和應力狀態發生改變,它作為傳統熱處理工藝的擴展,也秉承了熱處理的優點,在一定程度上達到改善材料組織結構和強化性能的目的。
對WC-Fe-Ni硬質合金輥環進行深冷處理改變材料的內部組織結構,使粘接相得到強化,深冷處理后的硬質合金輥環耐磨性、硬度、抗壓強度和沖擊韌性等力學性能得到大幅提高。經深冷處理后的WC-Fe-Ni硬質合金輥環較傳統的同規格的現用輥環使用壽命大幅提高,質量可以與國外進口輥環相媲美,價格低廉,性價比高,特別適合推廣應用。
發明內容
本發明的目的是針對目前硬質合金輥環成本偏高,在性能方面要同時具有良好的耐磨性、紅硬性、耐熱疲勞性及較高的抗沖擊韌性的特點,提供一種成本比傳統輥環更低廉,性能更優,同時具有高耐磨性和高韌性特點的新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法,滿足高速線材的軋制要求。
為實現上述目的,本發明提供一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環及其制備方法,該WC-Fe-Ni硬質合金輥環中硬質相占合金的重量百分比為75~92%,其中硬質相WC粉的平均晶粒尺寸為6-15μm,碳含量為6.01~6.11wt%。粘結相為8~25wt%(Fe/Ni)粉,所用粒徑為2-4μm的Fe粉含量為5~14wt%,粒徑為2-4μm的Ni粉含量為3~11wt%。并將各組分WC、Fe、Ni 經球磨,干燥、壓制,低壓燒結制得硬質合金輥環,并對機加工后成品就行一定時間的深冷處理。
本發明的制備工藝是直接用粉末冶金的工藝方法制備WC-Fe-Ni硬質合金,將一定粒度的WC粉末、Fe、Ni粉按一定的比例配比,經球磨,干燥、壓制,低壓燒結制得硬質合金輥環,具體工藝步驟如下:
(1)球磨混料:將WC粉(平均晶粒度6-15μm)、羥基Fe粉(平均晶粒度2-4μm)和羥基Ni粉(平均晶粒度2-4μm)按一定比例一次性混合完成,以汽油作為球磨介質,其中每公斤混合料加入200~400ml的汽油,使用直徑為6~12mm的YG8硬質合金球,按照硬質合金球與混合料的質量比為(3~5):1,球磨轉速為150~200rpm,在滾筒球磨機上球磨混料12~30h,球磨混料后,料漿在真空環境中于80~110℃下干燥4~8h;
(2)摻膠:使用合成橡膠做成型劑,按占混合料質量百分比的1.2~1.5%摻入橡膠,加入球磨干燥后的混合料中,均勻拌和后進行干燥、制粒;
(3)壓制成型:將通過上述工藝制得的混合粉料,裝入用于制備輥環的模具中,通過壓機在150~250MPa壓力下壓制成硬質合金輥環壓坯;
(4)排膠和燒結:將壓制成型好的硬質合金輥環壓坯置于排膠爐中在530~590℃下排膠60~80min,排膠過后置于氣壓燒結爐中在1350~1410℃下燒結70~120 min,在燒結過程中充入4.5~6.0MPa壓力的氬氣進行加壓燒結。
將經燒結機加工好的硬質合金輥環按照下面步驟進行深冷處理制成最終產品:
(1)將WC-Fe-Ni硬質合金輥環放到深冷箱中,以20~50℃/min的冷卻速度降至-80~-100℃,保溫2~10小時;
(2)隨后再以20~50℃/min的速度升至室溫,并將WC-Fe-Ni硬質合金輥環從深冷箱中取出,完成深冷處理。
本發明最終制得的輥環具有以下技術效果:
(1)采用Fe、Ni作為該硬質合金輥環的粘結相,極大地節約稀缺而昂貴的鈷資源,并且制備工藝簡單,可進一步降低硬質合金輥環的生產成本;
(2)對制備的WC-Fe-Ni硬質合金輥環進行深冷處理在一定程度上改善材料組織結構和強化了粘接相,增加了輥環材料的壓應力,從而使耐磨性、硬度、抗壓強度、沖擊韌性和抗高溫氧化性等力學性能得到大幅提高;
(3)經深冷處理的WC-Fe-Ni硬質合金輥環比沒經深冷處理的輥環具有更好綜合性能,其性能和使用壽命與現用同類硬質合金輥環相當。
附圖說明
圖1是本發明實施例中深冷處理前WC-Fe-Ni硬質合金的背散射SEM微觀結構圖。
圖2是本發明實施例中深冷處理后WC-Fe-Ni硬質合金的背散射SEM微觀結構圖。
圖3是本發明實施例中深冷處理前WC-Fe-Ni硬質合金的XRD物相分析圖譜。
圖4是本發明實施例中深冷處理后WC-Fe-Ni硬質合金的XRD物相分析圖譜。
圖5是本發明實施例中深冷處理前WC-Fe-Ni硬質合金和工廠硬質合金輥環磨損表面SEM形貌。
圖6是本發明實施例中深冷處理后WC-Fe-Ni硬質合金和工廠硬質合金輥環磨損表面SEM形貌。
圖7是本發明實施例中型號為YGR55(WC-25(Co-Ni-Cr))硬質合金輥環磨損表面SEM形貌。
圖8是本發明實施例中試制新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環。
具體實施方式
本發明的一種具體實施方法為:將一定粒度的WC粉末、Fe、Ni粉按一定的比例配比,經球磨,干燥、壓制,低壓燒結后經機加工成形后,最后進行深冷處理,制得硬質合金輥環,具體工藝步驟如下:將75~92wt%WC粉(平均晶粒度6-15μm)、粒徑為2-4μm含量為5~14wt%的羥基Fe粉,粒徑為2-4μm含量為3~11 wt %的羥基Ni粉。按比例一次性混合完成,以汽油作為球磨介質,其中每公斤混合料加入200~400ml的汽油,使用直徑為6~12mm的YG8硬質合金球,按照硬質合金球與混合料的質量比為(3~5):1,球磨轉速為150~200rpm,在滾筒球磨機上球磨混料12~30h,球磨混料后,料漿在真空環境中于80~110℃下干燥4~8h。加入1.2~1.5% wt%合成橡膠做成型劑,在150~250MPa壓力下壓制成硬質合金輥環壓坯,將壓坯置于排膠爐中在530~590℃下排膠60~80min,排膠過后,在在1350~1410℃下的氣壓燒結爐中,在4.5~6.0MP壓力下燒結70~120 min。燒結后的輥環,機加工成形后,置于深冷箱中,以20~50℃/min的冷卻速度降至-80~-100℃,保溫2~10小時,隨后再以20~50℃/min的速度升至室溫,從深冷箱中取出,完成深冷處理,最終制得新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環。深冷處理前后的WC-Fe-Ni硬質合金輥環背散射SEM微觀結構如圖1。
本發明實施例中對深冷處理前后的WC-Fe-Ni硬質合金輥環,選擇性腐蝕硬質合金中WC相,避免WC衍射峰對粘接相的干擾,然后再進行XRD物相分析,如圖2,發現深冷前粘接相結構主要為面心立方相,深冷處理一段時間后,粘接相中發生馬氏體相變,變為體心立方相,并且在粘接相中析出彌散分布的W。
實施例1
本發明實施例中對深冷處理前后的WC-Fe-Ni硬質合金和同類型現用牌號YGR55硬質合金輥環在MM-200型萬能摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損實驗,試樣尺寸為20×12×8mm。采用環—塊配副,對磨磨環材料選用Cr12模具鋼圓環,外徑尺寸為φ40mm,內徑尺寸為φ16mm,寬度為10mm,其硬度為58HRC,表面粗糙度Ra=0.4μm。摩擦實驗在無任何潤滑劑的條件下進行,試驗選擇的法向載荷為50N,轉速為0.42m/s,時間為120min。深冷處理前后的WC-Fe-Ni硬質合金輥環的維氏硬度、抗彎強度和耐磨性與工廠輥環(YGR55)對比見表1。圖3為深冷處理前后的WC-Fe-Ni硬質合金輥環的和牌號為YGR55(WC-25(Co-Ni-Cr))硬質合金輥環試樣的摩擦磨損實驗中試樣磨損表面形貌,從圖3可以看出未經深冷處理的試樣出現嚴重的粘著磨損和磨粒磨損現象,經深冷處理后WC-Fe-Ni硬質合金輥環試樣和工廠輥環一樣出現輕微的粘接相擠出現象,說明經深冷處理的WC-Fe-Ni硬質合金輥環耐磨性得到極大提高。所制備的硬質合金經深冷處理硬度提高19.5%,耐磨性提高55.5%,抗彎強度變化不大,深冷處理后綜合性能已經明顯優于現用同類型牌號為YGR55(WC-25(Co-Ni-Cr))硬質合金輥環。

實施例2
本發明制備的一種新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環,其尺寸規格為170.66×95×57.35mm。圖4為試制的新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環。在某鋼廠現場裝機實驗,在精軋螺紋鋼中,該新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環修磨前,單槽過鋼量為3500t,下線后軋槽修磨量小,沒有出現裂紋,碎輥,掉肉等問題,而現用同類型牌號為YGR55(WC-25(Co-Ni-Cr))工廠輥環單槽過鋼量為3300t。開發出該新型型WC-Fe-Ni硬質合金輥環使用壽命比YGR55輥環的過鋼量提高5%。目前各粉末價格大致為:WC粉末260元/千克,Fe粉30元/千克,Ni粉140元/千克,Co粉240元/千克。制備的新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環生產成本較同規格現用工廠輥環YGR55價格降低約15%。該新型WC-Fe-Ni硬質合金輥環耐磨性好,使用壽命高,生產成本低,滿足了鋼廠對軋輥的應用要求。

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