专利名称:双晶优化比为2.2的碳化钨-钴合金的制法的制作方法
本发明属于粉末冶金生产工艺领域，硬质合金的WC晶粒组成及结晶形态，对WC-Co类凿岩硬质合金的物理机械性能及使用效果有着重大的影响，合金的组织结构与性能的关系是材料科技人员十分关注的问题。
为制取高抗冲击能力含钴量低的WC-Co类合金，目前有多种方法。应用热等静压技术生产低孔隙的合金获得明显的成效，但设备复杂，生产成本高昂，投资为采用氢气钼丝炉或真空烧结炉方法生产的3-5倍，推广受到限制。生产厂家力图通过提高WC晶粒尺寸来提高合金韧性，往往因WC晶粒不够完整，在冲击力作用下，易产生“穿晶断裂”。也由于WC晶粒增粗，晶粒间的邻接度增大，当WC晶粒尺寸增大到某一范围时，合金的强度反而下降。因此，WC-Co类凿岩合金的耐冲击能力问题，至今尚未得到满意的解决。
美国Rudy教授1976年先后两次提及“双重晶粒结构”(dual grain structcere)的概念，并以WC-Tic-Co系切削用硬质合金为例作阐述。至于实践中如何实现，能否应用于WC-Co类凿岩合金的生产，都未能提及。日本铃木寿教授还认为属于非均匀类的“双重晶粒结构”硬质合金中大WC晶粒将成为裂纹源而降低合金的强度。因此，WC-Co类凿岩合金的理想结构尚未定论，工艺方法也有待于探索。
本发明的目的在于制取一种“双重晶粒结构”并且WC晶粒优化比K＝2.2±0.1的凿岩用WC-Co类硬质合金，此类合金其WC晶粒平均尺寸2.2-3.2(微米)，其两侧有两个粒度范围，它们的个数比例关系是大于平均晶粒尺寸的WC粗＝(30～32)%，小于平均晶粒尺寸的WC细＝(70～68)%，其优化比K＝WC细/WC粗＝2.2±0.1。
本发明的特点在于选用粒度不同的粗细两种W粉制取粒度不同结晶完整的粗、细两种W粉，以1∶2的配比作两次投料分段湿磨最后采取真空磁场烧结，获得了凿岩用WC-Co类“双重晶粒结构”硬质合金。
本发明的方法过程(1)在于选用一阶段还原制得的粒度大于12(微米)的粗W粉和粒度为5～9(微米)的细W粉，按6.04～6.10%的比例配碳，制取结晶完整、粗细不同的两种WC粉。其总碳含量为(6.12～6.16)%，游离碳则应小于0.06%，平均粒度分别为＞12(微米)和＞6(微米)。方法过程(2)在于选用两次投料分段湿磨的方法制备混合料。第一次投细WC粉占WC粉总用量的2/3(重量)和全批量钴粉，加酒精磨(16～24)小时。第二次投入粗WC粉，占WC总用量的1/3，加酒精继续研磨14～18小时，具体方案见表一。对于同一种粒度较粗的WC粉，采用表一的工艺方案，也能得到较大K值的合金，方法过程之(3)在于选用“磁场烧结法及其烧结炉”的烧结设备和工艺，在大于100(奥)磁场中，按升温-固相预烧-升温-液相烧结-冷却等五个阶段进行，其中以固相预烧和液相烧结两个阶段最重要。预烧温度在1200-1260℃范围，并按含钴量升高或碳含量升高，烧结温度取下限，反之取上限。保温时间依产品单重确定，单重在12-100克时，保温时间90～120分钟。烧结温度在1460～1420℃范围。对于含钴量(4-10)%(重量)，平均晶粒尺寸2-4(微米)的WC-Co合金，随含钴量增加和晶粒降低烧结温度适当降低，采用普通真空炉烧结，应用以上工艺也能获得一定效果。
表一 两次进料分段湿磨混料方案
注〔1〕-用f·s·s·s法测定。
〔2〕-为合金中WC总量的百分数。
采用上述方法生产的合金，WC晶粒的分布状态见附图一、附图二。其特点是K＝2.2±0.1且具有双峰分布的规律。
其实施例为以橡胶(或石蜡)作成型剂，制取WC-(6～9.5)%钴的合金，其过程及效果如下以松装比重2(克/厘米3)的合格WO3粉，在钼丝炉和五带七管炉中用氢气一次还原成粗、细两种不同粒度范围的钨粉，并在碳管炉中制取WC粉。还原及碳化工艺制度如下粗W粉的制取以装舟量2.5公斤/舟，推舟速度每40分钟推一舟，在1200±10(℃)的钼丝炉中一次还原得到氧含量0.058%，铁含量0.005%，平均粒度大于12(微米)的粗W粉。
粗WC粉的制取将粗W粉按6.04～6.10%比例配碳，以每50分钟推一舟的速度在直径为128毫米的碳管炉中，在1870±50(℃)的温度下碳化，得到总碳为(6.14～6.16)%，游离碳小于0.06%，铁小于0.1%，松装比重大于5.5(克/厘米3)，平均粒度大于12(微米)的粗WC粉。
细W粉的制取以装舟量300克/舟，每25分钟推一舟的速度，在900～930(℃)的马弗炉中一次还原得到氧含量0.08%，铁含量0.003%，松装比重3.3(克/厘米3)，平均粒度6.4(微米)的细W粉。
细WC粉的制取将细W粉按(6.04～6.10)%比例配碳，以每50分钟推一舟的速度，在直径为128毫米的碳管炉中于1750～1800(℃)下碳化，得到总碳(6.14～6.16)%，游离碳小于0.05%，铁小于0.1%，松装比重5(克/厘米3)，平均粒度大于6(微米)的细WC粉。
两次投料分段湿磨的工艺第一段取细WC粉123公斤，钴粉17.3公斤，工业酒精27立升，装入180立升的球磨机内研磨23小时;第二段加入粗WC粉60公斤，酒精13立升，球磨14小时，球料比4∶1，大小球比1∶1。
将料浆干燥后加入浓度11.6%的橡胶汽油溶液80(ml/kg)，在螺旋混合机中掺和均匀于蒸汽干燥柜内干燥，经擦筛后制得掺胶(蜡)混合料，经成型、压坯干燥、排胶(蜡)、预烧等主要工序制成烧结前的压坯，此时压坯的化学成份含钴量8.52%，铁0.09%，总碳5.51%，氧0.16%。
根据“均匀磁场烧结法及其烧结炉”提供的立式真空磁场烧结炉进行烧结，具体烧结工艺如表二表二 WC-8.5%Co合金的烧结工艺
结果得到的WC-8.5%Co合金的抗弯强度285(公斤/毫米2)，硬度88.3HRA，顽磁力83(奥)，密度14.81(克/厘米3)，合金断口粗视组织无脏化，孔隙度为0.02%，平均晶粒度2.6(微米)。WC的平均晶粒分布规律如附图一，其中小于平均晶粒尺寸的细WC晶粒数占总数的69.13%，其优化比K＝2.24(即在K＝2.2±0.1以内)，用K＝2.24的合金柱齿组配直径为50毫米的钎头，在f＝12-14石英砂岩中，使用25公斤·米的重型液压凿岩机，平均使用寿命为641(米/只)，纯钻速160(厘米/分)。
用同样的工艺方法生产的WC-9.5%Co的合金物理机械性能如下抗弯强度310.2(公斤/毫米2)，硬度88.1(HRA)，顽磁力89(奥)，密度14.59(克/厘米3)，WC的平均晶粒尺寸2.2(微米)，细WC晶粒数占总数的68.3%，其优化比K＝2.16(即在K＝2.2±0.1以内)，如附图二。
选用上述条件用于石蜡作成型剂的工艺，也能取得相近的效果。
生产优化比K＝2.2±0.1的工艺方法也适用于重载切削刀具的生产。
附图一 WC-8.5%Co合金WC晶粒组成状态平均晶粒尺寸2.6(微米) WC细＝69.13%优化比K＝ (WC细)/(WC粗) ＝2.24附图二 WC-9.5%Co合金WC晶粒组成状态平均晶粒尺寸2.2(微米) WC细＝68.3%优化比K＝ (WC细)/(WC粗) ＝2.1权利要求
1.一种生产“双重晶粒结构”的WC-Co低钴凿岩合金的工艺，本发明的特征是以两种不同粒度范围的WC粉为原料，按两次进料湿磨混合、经真空烧结制取WC晶粒平均尺寸2.2～3.2(微米)、优化比K=2.2±0.1的合金产品。
2.根据权利要求
1所述的制取粗WC的工艺，其特征在于以颗粒度大于12(微米)的W粉，经1870±50(℃)的碳管炉中以每50～60分钟推一舟的速度碳化制取总碳(6.14～6.16)%、游离碳小于0.06%、铁小于0.1%、松装比重大于5.5(克/厘米3)、平均粒度大于12(微米)结晶完整的粗WC粉。
3.根据权利要求
1所述的制取细WC粉的工艺，其特征在于以粒度大于5(微米)的W粉于1750～1800℃的碳管炉中，以每50分钟推一舟的速度碳化制取总碳(6.14～6.16)%，游离碳小于0.05%，铁小于0.1%，松装比重大于5(克/厘米3)，平均粒度6～12(微米)，结晶完整的细WC粉。
4.根据权利要求
1所述的制取大于5(微米)的W粉的工艺，其特征是WO3粉在900～930(℃)的马弗炉中一次还原制得6～9(微米)，松装比重大于5(克/厘米3)的细W粉。
5.根据权利要求
1所述的两次投料湿磨工艺，其特征是第一次将占总WC重量的67%的细WC粉和按牌号配定的批量钴粉以及每公斤粉末加入0.2立升工业酒精投入球料比为4∶1的滚动球磨机中，研磨23小时，第二次投入占总WC重量的33%的粗WC粉加入第一次比例相同的酒精，继续研磨14小时。
6.根据权利要求
1所述的WC优化比K＝2.2±0.1的“双重晶粒结构”合金，其特征在于平均晶粒2.2～3.2(微米)小于平均晶粒的细WC晶粒数占(68～70)%，大于平均晶粒的粗WC晶粒数占(32-30)%，其粒度分布为双峰曲线。
专利摘要
双晶优化比为2.2的WC-Co合金的制法，属于粉末冶金生产工艺领域。它是制取WC平均晶粒2.2～3.2(微米)具有优化比K＝WC细/WC粗＝2.2±0.1的“双重晶粒结构”WC-Co类合金的工艺方法。此法的特征在于选用两种不同粒度范围的WC粉，以分批进料湿磨混合的方法制备混合料。最后经均匀磁场真空烧结炉烧结而制得。此法制得的WC-Co类低钴凿岩合金，其孔隙度为0.02％，在f＝12-14的石英砂岩中合金的使用寿命超过600米/只钎头。
文档编号C22C29/08GK85100348SQ85100348
公开日1986年8月27日 申请日期1985年4月1日
发明者谭映国, 张达明, 周洛三 申请人:中南工业大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan