一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法，包括以下步骤：分别制备WC粒度不同、Co含量相同、碳含量不同的混合料A和混合料B；依据实际收缩系数设计模具，采用正向压制，先将混合料B加入模具中预压，再加入混合料A压制成混合压坯；烧结时，在1280℃‑1430℃进行分压烧结，通入氩气20‑60mba，冷却时，在1430℃‑1350℃缓慢冷却，在1350℃‑1250℃快速冷却，1250℃‑室温，自然冷却至室温，出炉得到宏观梯度硬质合金锥形柱齿。本发明专利技术的宏观梯度硬质合金锥形柱齿的表层具有高韧性、芯部具有高硬度和耐磨性，提高了锥形柱齿的使用寿命。

A kind of macro gradient cemented carbide conical cylindrical tooth and its preparation method

The invention discloses a macro gradient cemented carbide conical cylindrical tooth and a preparation method thereof, which comprises the following steps: preparing mixture a and mixture B with different WC particle size, the same CO content and different carbon content respectively; designing a mold according to the actual shrinkage coefficient, adopting forward pressing, adding mixture B into the mold for pre pressing first, and then adding mixture a for pressing into the mixed compact; sintering, The sintering was carried out at 1280 \u2103 - 1430 \u2103, and 20 \u2011 60mba of argon was introduced. When it was cooled, it was slowly cooled at 1430 \u2103 - 1350 \u2103, rapidly cooled at 1350 \u2103 - 1250 \u2103, and naturally cooled to room temperature. The macro gradient cemented carbide conical teeth were obtained. The surface layer of the macro gradient cemented carbide conical cylindrical tooth of the invention has high toughness, the core part has high hardness and wear resistance, and the service life of the conical cylindrical tooth is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法
本专利技术属于硬质合金
，具体涉及一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法，本专利技术的宏观梯度硬质合金锥形柱齿尤其适用于锥形牙轮钻齿等矿用柱齿。
技术介绍
硬质合金由难熔金属硬质化合物和粘结金属(主要是Co)组成。传统的硬质合金都是均匀结构，这种均匀结构的硬质合金在耐磨性与强韧性之间存在一种矛盾，即钴含量低则硬度和耐磨性高而韧性低，反之钴含量高则韧性高而硬度和耐磨性差。在相同钴含量的条件下，碳化钨的粒度对硬度与韧性会带来一定影响，碳化钨粒度越细硬度越高。硬质合金矿用柱齿广泛应用于矿山工程、资源开采、地质勘探等领域，其中锥形柱齿是矿用柱齿中一类重要应用。硬质合金矿用锥形柱齿的失效方式主要是断裂失效和磨损失效。据统计，目前市场上传统均匀结构的矿用锥形柱齿的失效方式主要是不耐磨。为了提高耐磨性，各国大力研究功能梯度硬质合金，功能梯度硬质合金柱齿也是均匀结构的柱齿，是通过对其齿冠表面进行梯度处理使齿冠表面具有低估高硬度层而提高表层的耐磨性，进而可使使用寿命比传统均匀结构合金提高20%以上。但是，目前的功能梯度硬质合金柱齿的表面耐磨梯度层相对较薄（通常梯度层厚度≤4mm），在表层的硬化梯度层磨蚀过后，剩余芯部合金的抗磨损能力急剧下降，导致合金齿整体的使用寿命仍不能满足使用需求。因此，提高芯部合金的抗磨损能力对延长锥形柱齿整体的使用寿命具有重要意义。鉴于此，本专利技术提出一个创新型的宏观梯度锥形柱齿的设计理念及其制备方法，设计出的宏观梯度锥形柱齿的表层高韧性，芯部高硬度，可以提高芯部大范围的耐磨性，进而提高整齿的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法，解决传统的均匀结构和功能梯度结构的硬质合金锥形柱齿的芯部耐磨性不足的问题，进而提高整齿的使用寿命。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法，采用以下步骤：（1）混合料制备：分别配制两种WC粒度不同、Co含量相同、碳含量不同的混合料A和混合料B，并将混合料A和混合料B分别球磨、喷雾干燥制粒；（2）压制成型：根据锥形柱齿的表层齿冠与芯部齿身的实际收缩系数设计模具。模具正向放置于压机中，先将一定比例混合料B加入所述模具中，预压成型，再向模具中加入一定比例的混合料A，加压成型，制得混合压坯；（3）烧结：将所述混合压坯置于低压烧结炉中，按照特定的烧结工艺进行正压脱蜡、真空烧结、分压烧结、液相烧结、冷却，出炉得到所述宏观梯度硬质合金锥形柱齿。所述混合料A是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为2.5-3.5μm，Co质量百分含量10-15%，碳质量百分含量为6.10%-6.15%；所述混合料B是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为1.5-2.5μm，Co含量10-15%，碳含量为6.18%-6.23%。所述混合料A和所述混合料B的Co含量相同。优选地，所述混合料A是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为3.0μm，Co含量11%，碳含量为6.13%；所述混合料B是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为2.0μm，Co含量11%，碳含量为6.18%；所述混合料A和所述混合料B的Co的含量相同。所述模具设计的下冲头的收缩系数为1.20-1.22，上冲头的收缩系数为1.23-1.25；所述模具正向放置是上冲头为齿冠成型，下冲头为齿身成型；所述混合料A用于齿冠成型，混合料A的添加量为总料重的10%-30%，所述混合料B用于齿身成型，混合料B的添加量为总料重的70%-90%；所述预压成型阶段的压力为30-50MPa，预压5-10s，所述加压成型阶段的压力为150-250MPa，加压10-20s。所述分压烧结是在1280℃-1430℃，通入氩气20-60mba，通氩速率3-8L/min。所述冷却阶段，在1430℃-1350℃缓慢冷却，冷却速度3-5℃/min，在1350℃-1250℃快速冷却，冷却速度10-15℃/min，在1250℃-室温，自然冷却至室温。优选地，在1430℃-1350℃缓慢冷却，冷却速度4℃/min，在1350℃-1250℃快速冷却，冷却速度15℃/min，1250℃-室温，自然冷却至室温。上述技术方案中的相关内容解释如下：本专利技术的设计理念是：传统的功能梯度硬质合金柱齿是表面硬度和耐磨性高，芯部韧性高，这种外硬内韧的性能一方面决定了其芯部耐磨性不足，另一方面决定了其主要应用于齿冠比较钝的近球形表面柱齿，利用高硬度的梯度表层来提高使用寿命。但是对于锥形柱齿，由于齿冠顶端表层锥度高、抗折断能力弱，顶端表层锥形区内硬度太高会导致顶端的梯度层部分直接断裂剥落失效，大大降低使用寿命。本专利技术的宏观梯度硬质合金锥形柱齿是表面的韧性高，芯部的硬度和耐磨性高，与现有的传统功能梯度硬质合金的设计理念相反。本专利技术的宏观梯度锥形柱齿的齿冠表层部位采用中粗晶粒WC，利用中粗晶粒WC的高韧性提高锥形齿冠表层的抗冲击能力，待齿冠表层的中粗晶WC磨蚀后，剩余芯部齿冠钝化，形状接近类球冠（如图1所示），这种球冠端面圆度高、抗冲击能力强，此时球冠部位主要是磨损失效，因此球冠部分采用细晶粒WC，利用细晶粒WC的高硬度以提高整个球冠齿芯部的耐磨性。区别于传统功能梯度柱齿合金只有表面梯度层内部具有高耐磨性（通常梯度层厚度≤4mm），本专利技术的宏观梯度柱齿合金的整个芯部都因细晶粒WC而具有高的耐磨性，实现了更大范围内的高耐磨性，显著提升了柱齿的使用寿命。在所述混合料制备中，混合料A和混合料B的Co含量要相同，一是为了避免Co含量的差异加剧Co的迁移，导致合金齿冠部分变形加剧和齿冠抗冲击能力降低，二是为了保证混合料A和混合料B通过WC晶粒差来实现齿冠表层和齿身芯部的硬度差。所述混合料制备中，混合料A的碳含量比混合料B的碳含量高是为了弥补粗晶粒导致的液相Co迁移。硬质合金在烧结三相区（WC固相Co+液相Co）时，引起液相Co发生迁移的三种情况：高钴区的Co向低钴区迁移、高碳区的Co向低碳区迁移、粗晶粒区的Co向细晶粒区迁移。基于齿冠表层的混合料A和齿身芯部的混合料B的WC晶粒差异会引起Co从齿冠表层向芯部迁移，这将导致齿冠处的Co含量减少而发生收缩变形。为此，增加混合料A和B之间的碳差，利用混合料A的低碳降低或牵制表层齿冠的Co向芯部迁移。所述压制成型中的模具设计，表层齿冠的模具收缩系数比芯部齿身的模具收缩系数大，是为了弥补因为Co迁移引起的齿冠与齿身之间的收缩差，避免齿冠的变形和尺寸超差。所述烧结中的分压烧结是为了通过氩气抑制液相Co的蒸发；冷却阶段在1430℃-1350℃缓慢冷却，目的是促进齿冠表层与齿身芯部的Co的均匀化；在1350℃-1250℃快速冷却，是因为在该三相区（WC固相Co+液相Co）的温度段容易发生Co迁移，通过快速冷却以降低Co迁移。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益优点：（1）设计理念的创新。目前市场上的传统功能梯度硬质合金都是表面硬度高、耐磨性高，芯部韧性高；而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法，采用以下步骤：/n（1）混合料制备：分别配制两种WC粒度不同、Co含量相同、碳含量不同的混合料A和混合料B，并将混合料A和混合料B分别球磨、喷雾干燥制粒；/n（2）压制成型：根据锥形柱齿的表层齿冠与芯部齿身的实际收缩系数设计模具；模具正向放置于压机中，先将一定比例混合料B加入所述模具中，预压成型，再向模具中加入一定比例的混合料A，加压成型，制得混合压坯；/n（3）烧结：将所述混合压坯置于低压烧结炉中，按照特定的烧结工艺进行正压脱蜡、真空烧结、分压烧结、液相烧结、冷却，出炉得到所述宏观梯度硬质合金锥形柱齿。/n

【技术特征摘要】
1.一种宏观梯度硬质合金锥形柱齿及其制备方法，采用以下步骤：
（1）混合料制备：分别配制两种WC粒度不同、Co含量相同、碳含量不同的混合料A和混合料B，并将混合料A和混合料B分别球磨、喷雾干燥制粒；
（2）压制成型：根据锥形柱齿的表层齿冠与芯部齿身的实际收缩系数设计模具；模具正向放置于压机中，先将一定比例混合料B加入所述模具中，预压成型，再向模具中加入一定比例的混合料A，加压成型，制得混合压坯；
（3）烧结：将所述混合压坯置于低压烧结炉中，按照特定的烧结工艺进行正压脱蜡、真空烧结、分压烧结、液相烧结、冷却，出炉得到所述宏观梯度硬质合金锥形柱齿。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合料A是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为2.5-3.5μm，Co含量10-15%，碳含量为6.10%-6.15%；所述混合料B是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为1.5-2.5μm，Co含量10-15%，碳含量为6.18%-6.23%；所述混合料A和所述混合料B的Co的含量相同。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述混合料A是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为3.0μm，Co含量11%，碳含量为6.13%；所述混合料B是由WC和Co粉组成，WC晶粒度为2.0μm，Co含量11%，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志远，郑君姿，李辉，邓丽芳，崔蒙，
申请(专利权)人：济南市冶金科学研究所有限责任公司，
类型：发明
国别省市：山东;37