網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法

《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》涉及一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，即微觀結(jié)構(gòu)具有網(wǎng)狀形貌的硬質(zhì)合金，具體涉及一種微觀結(jié)構(gòu)具有網(wǎng)狀形貌的球齒用硬質(zhì)合金材質(zhì)及其制備方法。

球齒用硬質(zhì)合金，是由鈷粉和碳化鎢粉末通過粉末冶金方法制備的一類高性能耐磨材料，因其高的硬度、耐磨性和良好的抗沖擊性能，用于鑿巖、鉆探等領(lǐng)域。其性能好壞直接關(guān)系到鑿巖鉆頭的使用效率和使用壽命。

球齒用硬質(zhì)合金在使用過程中，世界各國已逐漸形成了較為統(tǒng)一的性能標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。

常規(guī)球齒用硬質(zhì)合金的微觀組織是一種均勻結(jié)構(gòu)，WC顆粒在鈷粘結(jié)相基體上均勻分布。該類材質(zhì)制備的硬質(zhì)合金球齒在中硬巖層中的使用效果較好，已取代了硬質(zhì)合金釬片。但在高硬度、高致密性巖層中，往往出現(xiàn)不耐磨情況，使用壽命較短。

美國專利US5880382公開了一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金球齒用材質(zhì)，該合金是在純鈷基體上分布著硬質(zhì)合金團(tuán)粒，因此合金的韌性較好。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)能夠明顯的提高硬質(zhì)合金抗沖擊性能，適用于要求高韌性的油田開采。但其耐磨性較低，不適宜在礦用合金領(lǐng)域采用。

圖1是《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的微觀組織照片（X500）。

2016年12月7日，《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。

實(shí)施例1：球齒用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材質(zhì)——F10牌號材質(zhì)及其制備方法。

F10牌號材質(zhì)由A^#材質(zhì)與B^#材質(zhì)復(fù)合而成，用于制作球齒，其中A^#材質(zhì)用于制備硬質(zhì)合金團(tuán)粒，B^#材質(zhì)用于制備硬質(zhì)合金基體。其成分和性能如表2所示，重量百分比為80:20。

首先按照表2中A^#材質(zhì)的成分要求配料，采用常規(guī)硬質(zhì)合金的制備方法，即：配料后，在300升球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨，球料比為3:1，研磨介質(zhì)為酒精，加量為300毫升/千克，濕磨時(shí)間30~40小時(shí)；濕磨后過400目篩網(wǎng)，再干燥，干燥溫度80~95℃；干燥后過篩，然后摻入成型劑，制粒。A^#材質(zhì)取樣燒結(jié)后的性能典型值如表2所示，燒結(jié)溫度1450±10℃。

B^#材質(zhì)的成分要求見表2，制備工藝與上述工藝基本相同，但在摻入成型劑后形成的是料漿，不制粒B^#材質(zhì)取樣燒結(jié)后的性能典型值如表2所示，燒結(jié)溫度1450±10℃。。

將重量百分比為80:20的的A^#團(tuán)粒與B^#料漿混合20~30分鐘；將上述混合料在干燥箱中干燥，干燥溫度80~95℃；將干燥后混合物過60目篩，然后壓制；最后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度：1440±10℃。其最終產(chǎn)品——網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金F10的性能典型值如表2所示。

實(shí)施例2：球齒用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材質(zhì)——F20牌號材質(zhì)及其制備方法。

F20牌號材質(zhì)由C^#材質(zhì)與D^#材質(zhì)復(fù)合而成，用于制作球齒，其中C^#材質(zhì)制備為團(tuán)粒，D^#材質(zhì)制備成料漿。其成分和性能如表3所示，重量百分比為80:20。

首先按照表3中C^#的成分要求配料，采用常規(guī)硬質(zhì)合金的制備方法，即：配料后，在300升球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨，球料比為3:1，研磨介質(zhì)為酒精，加量為300毫升/千克，濕磨時(shí)間30~40小時(shí)；濕磨后過400目篩網(wǎng)，再干燥，干燥溫度80~95℃；干燥后過篩，然后摻入成型劑，制粒。C^#取樣燒結(jié)后的性能典型值如表3所示，燒結(jié)溫度1450±10℃。

D^#材質(zhì)的成分要求見表3，制備工藝與上述工藝基本相同，但在摻入成型劑后形成的是料漿，不制粒。D^#取樣燒結(jié)后的性能典型值如表3所示，燒結(jié)溫度1450±10℃。。

將重量百分比為80:20的的A^#團(tuán)粒與B^#料漿混合20~30分鐘；將上述混合料在干燥箱中干燥，干燥溫度80~95℃；將干燥后混合物過60目篩，然后壓制；最后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度：1450±10℃。其最終產(chǎn)品——網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金F20的性能典型值如表3所示。

實(shí)施例3：球齒用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材質(zhì)——F30牌號材質(zhì)及其制備方法。

F30牌號材質(zhì)由E^#材質(zhì)與F^#材質(zhì)復(fù)合而成，用于制作球齒，其中E^#材質(zhì)用于制備硬質(zhì)合金團(tuán)粒，F(xiàn)^#材質(zhì)用于制備硬質(zhì)合金網(wǎng)狀基體。其成分和性能如表4所示，重量百分比為70:30。

首先按照表4中E^#的成分要求配料，采用常規(guī)硬質(zhì)合金的制備方法，即：配料后，在300升球磨機(jī)中進(jìn)行濕磨，球料比為3:1，研磨介質(zhì)為酒精，加量為300毫升/千克，濕磨時(shí)間30~40小時(shí)；濕磨后過400目篩網(wǎng)，再干燥，干燥溫度80~95℃；干燥后過篩，然后摻入成型劑，制粒。A^#取樣燒結(jié)后的性能典型值如表4所示，燒結(jié)溫度1450±10℃。

F#材質(zhì)的成分要求見表4，制備工藝與上述工藝基本相同，但在摻入成型劑后形成的是料漿，不制粒。B^#取樣燒結(jié)后的性能典型值如表4所示，燒結(jié)溫度1450±10℃。

將重量百分比為70:30的的E^#團(tuán)粒與F^#料漿混合2030分鐘；將上述混合料在干燥箱中干燥，干燥溫度80~95℃；將干燥后混合物過60目篩，然后壓制；最后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度：1450±10℃。其最終產(chǎn)品——網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金F30的性能典型值如表4所示。

實(shí)施效果：

試制的F10，F(xiàn)20，F(xiàn)30材質(zhì)與表1所述材質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)場對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)新材質(zhì)的合金使用壽命提高了15％以上。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法專利目的

《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》的目的是提供一種具有高耐磨性的礦用硬質(zhì)合金球齒及其制備方法，該合金具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的典型形貌，適宜在高硬度、致密性巖層中使用，使用壽命能夠比常規(guī)硬質(zhì)合金球齒提高15％以上。

《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，是在硬度較低的硬質(zhì)合金網(wǎng)狀基體上分布有一定數(shù)量的另一種高硬度硬質(zhì)合金團(tuán)粒；所述團(tuán)粒在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金中所占重量比例為70~90％；所述網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的硬度為HRA88.5~91，矯頑磁力Hc11~15千安/米，鈷磁Com4.2～7.5，密度14.8～15.2克/立方米。

所述團(tuán)粒的組成是：鈷的重量百分比為3.5~6％，TaC小于2％，余量為WC；所述團(tuán)粒按常規(guī)硬質(zhì)合金制備方法單獨(dú)壓制、燒結(jié)后的硬度為HRA90~92，矯頑磁力Hc為12~18千安/米。

所述網(wǎng)狀基體的組成是：鈷的重量百分比為6~10％，TaC小于1％，余量為WC；所述基體按常規(guī)硬質(zhì)合金制備方法單獨(dú)壓制、燒結(jié)后的硬度為HRA87~89.5，矯頑磁力Hc為7~11.8千安/米。

《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，其制備方法依次包括以下步驟：按照網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金中團(tuán)粒的成分及性能要求，將原料進(jìn)行配料、濕磨、干燥過篩，然后摻入成型劑、制粒，制備成團(tuán)粒；按照網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金中網(wǎng)狀基體的成分及性能要求，將原料進(jìn)行配料、濕磨、干燥過篩，然后摻入成型劑，制備成料漿；將重量百分比為70~90％的團(tuán)粒與料漿混合20～30分鐘；將上述混合料在干燥箱中干燥，干燥溫度80~95℃；將干燥后混合物過60目篩，然后壓制；最后進(jìn)行燒結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，燒結(jié)溫度：1430~1460℃。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法改善效果

《網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金及其制備方法》的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，其中硬度較高的硬質(zhì)合金作為團(tuán)粒，硬度較低的硬質(zhì)合金作為網(wǎng)狀基體，由于硬質(zhì)合金團(tuán)粒的硬度較高，因此耐磨性好，而基體的硬度低韌性好，從而達(dá)到了高耐磨性與高韌性的統(tǒng)一，應(yīng)用于制作礦用硬質(zhì)合金球齒，具有高的耐磨性，解決了硬質(zhì)合金球齒在高硬度巖層使用壽命低的問題。

1.一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，其特征在于：在硬度較低的硬質(zhì)合金網(wǎng)狀基體上分布有一定數(shù)量的另一種高硬度的硬質(zhì)合金團(tuán)粒；所述團(tuán)粒在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金中所占重量比例為70～90％；所述網(wǎng)狀硬質(zhì)合金的硬度為HRA88.5～91，矯頑磁力Hc11～15千安/米，鈷磁Com4.2～7.5，密度14.8～15.2克/立方米。

2.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，其特征在于：所述團(tuán)粒中鈷的重量百分比為3.5～6％，TaC小于2％，余量為WC；所述團(tuán)粒按照常規(guī)硬質(zhì)合金制備方法單獨(dú)壓制、燒結(jié)后的硬度HRA在90~92，矯頑磁力Hc為12～18千安/米。

3.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，其特征在于：所述網(wǎng)狀基體中鈷的重量百分比為6～10％，TaC小于1％，余量為WC；所述網(wǎng)狀基體按照常規(guī)硬質(zhì)合金制備方法單獨(dú)壓制、燒結(jié)后的硬度HRA為87～89.5，矯頑磁力Hc為7～11.8千安/米。

4.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的制備方法，依次包括以下步驟：按照權(quán)利要求2所述的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金中團(tuán)粒的成分及性能要求，將原料進(jìn)行配料、濕磨、干燥過篩，然后摻入成型劑、制粒，制備成團(tuán)粒；按照權(quán)利要求3所述的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金中網(wǎng)狀基體的成分及性能要求，將原料進(jìn)行配料、濕磨、干燥過篩，然后摻入成型劑，制備成料漿；將重量百分比為70～90％的團(tuán)粒與料漿混合20～30分鐘；將上述混合料在干燥箱中干燥，干燥溫度80～95℃；將干燥后混合物過60目篩，然后壓制；最后進(jìn)行燒結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，燒結(jié)溫度：1430～1460℃。

鋁渣球及其制備方法專利目的

《鋁渣球及其制備方法》提供了一種有害雜質(zhì)含量低級的鋁渣球及其制備方法，適用于鋁鎮(zhèn)靜鋼冶煉純凈或超純凈鋼且在初煉出鋼投加后能很快生成覆蓋鋼水表面作保溫劑。

鋁渣球及其制備方法技術(shù)方案

《鋁渣球及其制備方法》解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種鋁渣球，含有金屬鋁（Al）、螢石（CaF₂）、碳酸鈣（CaCO₃）、三氧化二鋁（Al₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）以及少量的水份（H₂O）、磷（P）、硫（S）、銅（Cu）和不可避免的其它雜質(zhì)，它的組份含量是（重量％）：鋁10～45；三氧化二鋁5～35；螢石10～60；碳酸鈣5～15；二氧化硅≤5；水份≤0.5；磷≤0.02；硫≤0.15；銅≤0.3；其它物質(zhì)余量。

為適應(yīng)不同鋼種的需要，進(jìn)一步地，它的組份含量是（重量％）：鋁20～30；三氧化二鋁10～15；螢石40～50；碳酸鈣10～12；二氧化硅≤5；水份≤0.5；磷≤0.02；硫≤0.15；銅≤0.3；其它物質(zhì)余量。

進(jìn)一步地，它的組份含量是（重量％）：鋁10～20；三氧化二鋁20～30；螢石40～50；碳酸鈣10～15；二氧化硅≤5；水份≤0.5；磷≤0.02；硫≤0.15；銅≤0.3；其它物質(zhì)余量。

進(jìn)一步地，它的組份含量是（重量％）：鋁23.5～26.5；三氧化二鋁10～15；螢石43.5～46.5；碳酸鈣10～12；二氧化硅≤5；水份≤0.5；磷≤0.02；硫≤0.15；銅≤0.3；其它物質(zhì)余量。

進(jìn)一步地，它的組份含量是（重量％）：鋁20～25；三氧化二鋁30～35；螢石20～35；碳酸鈣10～15；二氧化硅≤5；水份≤0.5；磷≤0.02；硫≤0.15；銅≤0.3；其它物質(zhì)余量。

一種鋁渣球的制備方法，具有如下工藝流程：將取樣分析合格后的金屬鋁粒、鋁渣粉、螢石精礦、優(yōu)質(zhì)石灰石粉、玻璃水采購到位并分倉儲存，將化驗(yàn)合格的原材料稱重配比，然后投入混料機(jī)混合均勻，再加入玻璃水混合均勻，然后將物料投入對輥式壓球機(jī)內(nèi)滾壓成球，經(jīng)干燥設(shè)備干燥即得到成品。

進(jìn)一步地，所述各原材料的化學(xué)成份的組份含量（重量％）分別為：鋁粒：Al≥95％，Cu≤0.5％，Si≤3％；鋁渣粉：Al≥40％，Al₂O₃≤55％，SiO₂≤5％；螢石粉：CaF₂≥98％，SiO₂≤1％，S≤0.05％，P≤0.03％；石灰石粉：CaCO₃≥95％，SiO₂≤2％，S≤0.05％，P≤0.01％。

當(dāng)這種鋁渣球在出鋼后加入鋼包中，由于球狀物料具有很好的流動(dòng)性，因而能迅速在鋼水表面形成覆蓋層；由于鋼水的加熱作用，物料中的碳酸鈣在1000℃左右分解產(chǎn)生CO₂氣體使球體崩裂離散，形成松散粉狀物對鋼水表面起保溫作用。逸出的CO₂氣體排出鋼水表面空氣，以防止鋼水的氧化，由于粉狀物料的保溫作用，CaCO₃升溫分解并不激烈而延續(xù)一段時(shí)間，以滿足出鋼至精煉的時(shí)間要求。在精煉期中，粉狀物在攪拌條件下熔融并參與鋼水的脫氧反應(yīng)，

2Al 3FeO→Al₂O₃ 3Fe

脫氧產(chǎn)物氧化鋁與螢石粉中的氟化鈣產(chǎn)生反應(yīng)，

Al₂O₃ 3CaF₂→3CaO 2AlF₃↑

生成的三氟化鋁成氣體逸出，生成的氧化鈣繼續(xù)與脫氧產(chǎn)物三氧化二鋁化合，

CaO Al₂O₃→2Al₂O₄

以上反應(yīng)與化合過程同時(shí)進(jìn)行，脫氧產(chǎn)物化合成渣的動(dòng)力學(xué)條件非常有利，最終生成以CaAl₂O₄（偏鋁酸鈣）為主的渣相，該渣的理論熔點(diǎn)為1575℃，當(dāng)有10％以上的氟化鈣及少量二氧化硅存在時(shí)，其熔點(diǎn)可降至1400℃左右，與鋼水具有較大的相間張力，能很好地上浮成渣而不會(huì)在鋼中形成夾雜，從而更有利于鋼水的純凈。

當(dāng)采用部分鋁渣粉代替金屬鋁粉，部分碳酸鈣粉代替螢石粉時(shí)，該鋁渣球的主要成分為金屬鋁、氟化鈣、碳酸鈣、三氧化二鋁、二氧化硅，其脫氧及精煉反應(yīng)可用下式表達(dá)：

22Al 33O 4Al₂O₃ 12CaF₂ 3CaCO₃ 2SiO₂→

12CaAl₂O₄·2SiO₂ 3CaF₂ 6AlF₃↑ 3CO₂↑

上式左邊的反應(yīng)物中的氧來自鋼水，其余物質(zhì)為保溫兼精煉劑成分，每公斤以上成分物料能結(jié)合0.25公斤左右的氧，CO₂氣體在保溫期間生成逸出，AlF₃氣體在脫氧精煉期間生成除去。

如上所述的鋁渣球，可在其中添加合金化劑，最典型的成分是Al、Ti，Al可以鋁粒的形式加入，其它成分可以鐵合金的粉劑的形式加入，加入量可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，最高可達(dá)20（重量％），以適應(yīng)鋼種合金化的需要。由于在基料中有大量的金屬鋁作保護(hù)，因此所加入的合金化元素氧化損失很少且收得率穩(wěn)定。

如上所述的鋁渣球，可在其中添加Ba、Mg、K、Na、Li的碳酸鹽，以部分或全部取代碳酸鈣，碳酸鹽總量在15％以下時(shí)不會(huì)對使用造成不良影響。這些堿金屬或堿土金屬的氧化物對以CaAl₂O₄（偏鋁酸鈣）為主的渣相能起到改性、變質(zhì)和改變表面張力的作用，從而更有利于鋼水的純凈。

如上所述的鋁渣球，可用Ti部分或全部取代Al，以滿足用Ti脫氧與合金化的鋼種（如不銹鋼等）。

如上所述的鋁渣球，可在其中添加釩、鈮的氧化物，利用鋁的還原作用完成對鋼中添加合金成分的過程，以降低合金化的成本。

鋁渣球及其制備方法有益效果

一、碳、硅、硫、磷等雜質(zhì)含量很低，特別適用于低碳，低硅純凈鋼和其他超純凈鋼；代替了粉煤灰、碳化稻殼等有缺陷的保溫劑；水分含量的控制，避免了物料進(jìn)入鋼水中的爆騰現(xiàn)象。

二、可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)改變脫氧和合金化元素的成分含量，適應(yīng)多鋼種變化的需要。

三、在一定含量的范圍內(nèi)可任意選擇堿金屬或堿土金屬氧化物（以碳酸鈣化合物的形式加入）完成對精煉合成渣的改性、變質(zhì)等特殊要求。

四、原料普通、易得，成球工藝簡單、可靠，不存在成分偏析波動(dòng)，投加工藝簡單，鋼水表面鋪展保溫性能優(yōu)良。

五、脫氧與精煉同步進(jìn)行，鋼水中氧化物夾雜減少。

2007年，《鋁渣球及其制備方法》獲得第五屆江蘇省專利項(xiàng)目獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。