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CN106435322A - 一种低成本高性能WC‑Fe‑Ni‑Co‑Cr硬质合金辊环 - Google Patents

一种低成本高性能WC‑Fe‑Ni‑Co‑Cr硬质合金辊环 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本高性能WC‑Fe‑Ni‑Co‑Cr硬质合金辊环，合金成分为：WC：70~92wt.%，Fe：3.2~24wt.%，Ni：3~12wt.%，Co：1~9wt.%，Cr：0.2~1.0wt.%。合金粘结剂中含26~44.2wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时为奥氏体，含44.2~58.7wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时为奥氏体+马氏体，含58.7~79.4wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时为马氏体。本发明通过调整合金粘结剂中Fe和Co含量，改变粘结剂中奥氏体与马氏体数量及形态制备出具有低成本，高的使用寿命、强度、韧性和耐磨性的高性能硬质合金辊环。

Description

一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环
技术领域
本发明涉及一种硬质合金辊环，尤其涉及一种一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环。
背景技术
随着我国轧钢工业的快速发展，对辊环质量和精度的要求也在不断提高，传统高铬铁、高铬钢和高速钢材质辊环已无法满足钢铁行业的飞速发展。硬质合金辊环由于具有硬度高、耐磨性好、机械强度高、抗冲击性好、弹性模量高、线膨胀系数小、耐蚀性和抗高温氧化性能好等特点。硬质合金辊环的室温下硬度78~94HRA，并且常温刚性好，无明显塑性变形，其杨氏模量为钢的2~3倍，高温红硬性好，600℃超过高速钢，1000℃超过碳钢的室温硬度值目前,市场上主要使用WC-Co和WC-Co-Ni两种材质的硬质合金辊环。硬质合金辊环材料中粘接相的含量一般在8～25wt.%之间调整,以满足辊环不同的韧性和耐磨性要求。
硬质合金辊环已广泛应用在高速线材、棒材、螺纹钢、无缝钢管等轧制生产中，并且具有广阔市场前景。但是与传统钢结辊环相比硬质合金辊环价格昂贵，在一定程度上限制了硬质合金辊环的使用与发展。同时Co是一种非常重要且稀缺的战略资源，全球储量极其有限，价格昂贵且逐年上涨，并且污染环境，具有毒性。在硬质合金辊环生产中减少Co的使用，能够降低成本，减少资源的过度消耗，有利于辊环生产企业的健康可持续发展。
开发出能够部分或者完全替代Co做粘接相的新型产品，并且能够与市场上使用的硬质合金辊环性能相当或者更高是目前科技工作者主要研究方向。采用Fe、Ni和Cr金属部分取代Co做粘接相能够大幅节约Co的使用，Cr的加入可以强化粘结剂，提高耐磨性，耐蚀性和抗高温氧化性。开发出的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环能够在提高辊环的使用寿命和性能的基础上大幅降低辊环的生产成本。
开发的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，根据具体轧制工况和不同的使用环境对轧辊性能的要求,不同精轧机架和预精轧机架需要选择不同粘结剂组织的硬质合金辊环，以实现各机架牌号的最佳匹配。辊环中奥氏体结构具有高的韧性，马氏体具有高的硬度和耐磨性，奥氏体+马氏体组织兼具有高的韧性和耐磨性。通过WC-Fe-Ni-Co-Cr对硬质合金辊环成分的特殊设计，大幅降低辊环的生产成本、并使辊环具有高的强度、韧性和耐磨性。其使用寿命、产品质量可以与国外进口辊环相媲美，价格低廉，性价比高，特别适合推广应用。
发明内容
本发明的目的是针对目前现有硬质合金辊环成本高、性能差及寿命低的特性，提供一种成本比现有硬质合金辊环价格更低廉，性能更优，使用寿命更长的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，从而满足高速线材的轧制要求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，该硬质合金辊环具体成分为：WC：70~92wt.%，Fe：3.2~24wt.%，Ni：3~12wt.%的，Co：1~9wt.%，Cr：0.2~1.0wt.%。
粘结剂中Fe所占的比例为26~79.4wt.%，粘结剂中Co所占的比例为10~30wt.%。
调整粘结剂中的成分，从而改变粘结剂中奥氏体与马氏体数量及形态，制备出具有低廉的生产成本，高的使用寿命，高的强度，韧性和耐磨性的高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环。
当粘结剂中含有26~44.2wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时硬质合金辊环的粘结剂组织为奥氏体，该硬质合金辊环具有高的韧性和抗裂纹扩展能力。
当合金的粘结剂中含有44.2~58.7wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时硬质合金辊环的粘结剂组成为奥氏体+马氏体共存组织，合金具有较好的韧性与适中的耐磨性，通用性最好。
当粘结剂中含有58.7~79.4wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时硬质合金辊环的粘结剂组织为马氏体，合金具有最高的强度和耐磨性。
配料时选用平均晶粒尺寸为2.5-15μmWC粉(碳含量为6.01~6.25wt.%)，粘粒径为0.5-2.0μm的Fe粉，粒径为0.5-2.0μm的Ni粉，粒径为1.0-2.0μm的Co粉，以及粒径为1.0-2.0μm的Cr粉。
本发明所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，将一定粒度的WC粉末、Fe、Ni、Co和Cr粉按一定的比例配比，根据产品性能需要，调整粘接相中Fe和Co的含量，达到改变粘结剂中奥氏体与马氏体数量及形态的目的，经球磨，干燥、压制，低压烧结制得相应的硬质合金辊环，具体工艺步骤如下：
（1）球磨混料：将一定含量的WC粉、Fe粉、Ni粉、Co粉和Cr粉按一定比例一次性混合完成，以汽油作为球磨介质，其中每公斤混合料加入200~400ml的汽油，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球，其中硬质合金球与混合料的质量比为(3~5):1，球磨转速为60~250rpm，在滚筒球磨机上球磨混料12~48h，球磨混料后，料浆在真空环境中于60~180℃下干燥2~12h；
（2）掺胶：使用合成橡胶做成型剂，按占混合料质量百分比的0.75~1.5%掺入橡胶，加入球磨干燥后的混合料中，均匀拌和后进行干燥、制粒；
（3）压制成型：将通过上述工艺制得的混合粉料，装入用于制备辊环的模具中，通过压机在10~250MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯；
（4）排胶和烧结：将压制成型好的硬质合金辊环压坯置于排胶炉中在450~750℃下排胶60~80min，排胶过后置于气压烧结炉中在1350~1440℃下烧结60~120 min，在烧结过程中充入4.5~6.0MPa压力的氩气进行加压烧结。
本发明专利与现有辊环相比具有下述显著优点和实质进步：
（1）采用Fe、Ni、Co和Cr作为该硬质合金辊环的粘结剂，极大地节约稀缺而昂贵的钴资源，同时降低硬质合金辊环的生产成本；
（2）通过调整该硬质合金粘结剂中Fe和Co含量，改变粘结剂中奥氏体与马氏体数量及形态，使硬质合金辊环满足不同的使用性能要求，根据具体轧制工况和不同的使用环境要求的需要制备出具有高强、高韧、高耐磨的硬质合金辊环材料；
（3）WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环的硬度为854～1100MPa,抗弯强度≧2750MPa,断裂韧性≧18.97MPa.m1/2, 磨损率≦1.94×10-7mm3/(N.m)，开发的该硬质合金辊环综合性能优于现有牌号的硬质合金辊环。
附图说明
图1是本发明实施例1中制得的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金的XRD物相分析图。
图2是本发明实施例1中制得的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金的TEM透射电镜照片。
图3是本发明实施例2中制得的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金的XRD物相分析图。
图4是本发明实施例2中制得的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金的TEM透射电镜照片。
图5是本发明实施例3中制得的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金的XRD物相分析图。
图6是本发明实施例3中制得的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金的TEM透射电镜照片。
具体实施方式
实施例1
一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，粘结剂中Fe所占的比例控制在42.5wt.%。具体合金成分为：80wt.%WC粉（平均晶粒度6-15μm）8.5wt.%的Fe粉（粒径为0.5-2.0μm），8.2wt.%Ni粉（粒径为0.5-2.0μm），2.7 wt.%的Co粉（粒径为1.0-2.0μm），0.6wt.%Cr粉（粒径为1.0-2.0μm）。将上述粉末按要求进行球磨混料，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球做为研磨体，球料质量比为4:1，以汽油作为球磨介质，按每公斤混合料加入200~400ml的比例加入，球磨转速为60~250rpm，在滚筒球磨机上球磨16h，球磨混料后，料浆在真空环境中于80℃下干燥4h。加入0.8wt.%合成橡胶做成型剂，在120MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯，将压坯置于排胶炉中在580℃下排胶65min，排胶过后，在1385℃下的气压烧结炉中，在5MPa压力下烧结60 min，制备出高强、高韧、高耐磨的硬质合金辊环。制备的该合金的XRD物相分析见图1，由图1知粘结剂组织主要为奥氏体。粘结剂中奥氏体形态见图2所示的TEM透射电镜照片。
实施例2
一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，粘结剂中Fe所占的比例控制在57.5wt.%。具体合金成分为：80wt.%WC粉（平均晶粒度6-15μm）11.5wt.%的Fe粉（粒径为0.5-2.0μm），5.9wt.%Ni粉（粒径为0.5-2.0μm），2.1 wt.%的Co粉（粒径为1.0-2.0μm），0.5wt.%Cr粉（粒径为1.0-2.0μm）。将上述粉末按要求进行球磨混料，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球做为研磨体，球料质量比为4:1，以汽油作为球磨介质，按每公斤混合料加入200~400ml的比例加入，球磨转速为60~250rpm，在滚筒球磨机上球磨16h，球磨混料后，料浆在真空环境中于80℃下干燥4h。加入0.8wt.%合成橡胶做成型剂，在120MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯，将压坯置于排胶炉中在580℃下排胶65min，排胶过后，在1385℃下的气压烧结炉中，在5MPa压力下烧结60 min，制备出高强、高韧、高耐磨的硬质合金辊环。制备的该合金的XRD物相分析见图3，由图3知粘结剂组织主要为奥氏体+马氏体。粘结剂中奥氏体和马氏体数量及形态见图4所示的TEM透射电镜照片。
实施例3
一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，粘结剂中Fe所占的比例控制在71.5wt.%。具体合金成分为：80wt.%WC粉（平均晶粒度6-15μm）14.3wt.%的Fe粉（粒径为0.5-2.0μm），3.2wt.%Ni粉（粒径为0.5-2.0μm），1.2 wt.% Co粉（粒径为1.0-2.0μm），0.6wt.%Cr粉（粒径为1.0-2.0μm）。将上述粉末按要求进行球磨混料，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球做为研磨体，球料质量比为4:1，以汽油作为球磨介质，按每公斤混合料加入200~400ml的比例加入，球磨转速为60~250rpm，在滚筒球磨机上球磨16h，球磨混料后，料浆在真空环境中于80℃下干燥4h。加入0.8wt.%合成橡胶做成型剂，在120MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯，将压坯置于排胶炉中在580℃下排胶65min，排胶过后，在1385℃下的气压烧结炉中，在5MPa压力下烧结60 min，制备出高强、高韧、高耐磨的硬质合金辊环。制备的该合金的XRD物相分析见图5，由图5知粘结剂组织主要为马氏体。粘结剂中马氏体数量及形态见图6所示的TEM透射电镜照片。
对实施例1、实施例2和实施例3所制备的WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，进行硬度、抗弯强度、断裂韧性和摩擦磨损测试。其中对比例为市场上购买的同类型的WC-Co基硬质合金辊环材料（YG20），实施例和对比例的性能是在相同实验方法测试得到，实施例与对比例的力性能详见下表1：
硬度（HV10/MPa） 抗弯强度/MPa 断裂韧性/MPa.m1/2 磨损率/10-7mm3/(N.m)
实施例1 854 2799 20.75 1.94
实施例2 958 2812 20.01 1.75
实施例3 1086 3003 18.97 1.60
对比例YG20 952 2546 19.63 1.81
由表1可以看出WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环的硬度为854～1100MPa,抗弯强度≧2750MPa,断裂韧性≧18.97MPa.m1/2, 磨损率≦1.94×10-7mm3/(N.m)。

Claims (8)

1.一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，其特征在于具体成分如下：WC：70~92wt.%，Fe：3.2~24wt.%，Ni：3~12wt.%的，Co：1~9wt.%，Cr：0.2~1.0wt.%。
2.根据权利要求1 所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，其特征在于：所述的Fe在粘结剂中所占的比例为26~79.4wt.%，Co在粘结剂中所占的比例为10~30wt.%。
3.根据权利要求1和2 所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，调整粘结剂中的成分，从而改变粘结剂中奥氏体与马氏体数量及形态，制备出具有低廉的生产成本，高的使用寿命，高的强度，韧性和耐磨性的高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环。
4.根据权利要求1-3 所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，其特征在于：所述的合金的粘结剂中含有26~44.2wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时硬质合金辊环的粘结剂组织为奥氏体。
5.根据权利要求1-3所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，其特征在于：所述的合金的粘结剂中含有44.2~58.7wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时硬质合金辊环的粘结剂组成为奥氏体+马氏体共存组织。
6.根据权利要求1-3所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，其特征在于：所述的合金的粘结剂中含有58.7~79.4wt.%的Fe，10~30wt.%的Co时硬质合金辊环的粘结剂组织为马氏体。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环，其特征在于：所述的平均晶粒尺寸为2.5-15μmWC(碳含量为6.01~6.25wt.%)，粘粒径为0.5-2.0μm的Fe粉，粒径为0.5-2.0μm的Ni粉，粒径为1.0-2.0μm的Co粉，以及粒径为1.0-2.0μm的Cr粉。
8.根据权利要求1-7所述的一种低成本高性能WC-Fe-Ni-Co-Cr硬质合金辊环的制备方法，其特征在于，以汽油作为球磨介质，使用直径为6~12mm的YG8硬质合金球作为研磨球，球料的质量比为(3~5):1，球磨转速为60~250rpm，并将各组分WC、Fe、Ni、Co和Cr粉在滚筒球磨机上球磨混料12~48h，球磨混料后，料浆在真空环境中于60~180℃下干燥2~12h，使用0.75~1.5wt.%合成橡胶做成型剂，在10~250MPa压力下压制成硬质合金辊环压坯，将压制成型的硬质合金辊环压坯置于排胶炉中在450~750℃下排胶60min~80min，排胶过后置于气压烧结炉中在1350~1440℃下烧结60~120 min，在烧结过程中充入4.5~6.0MPa压力的氩气进行加压烧结,制得相应组织结构的硬质合金辊环材料。
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