一种包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品
阅读说明：本技术 一种包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品 (Composite cast product containing titanium carbide-based powder metallurgy product ) 是由 孙岗 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品,属于冶金技术领域。该产品中碳化钛基粉末冶金产品由如下按质量百分比计的成分烧结生成：48％～55％TiC、8.5％～9％Mn、2％Mo、1.5％～1.7％Ni、12％～13％C、余量为Fe。该冶金产品与基体材料通过熔铸工艺一次浇注成型,且冶金产品与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合。本发明通过限定碳化钛基粉末冶金产品中的各成分配比关系,使其能与基体材料之间形成包覆结构碳化物,既能满足硬质冶金产品的硬度要求,又能增加硬质冶金产品与基体材料的润湿性,实现该冶金产品与基体材料之间的弥散性冶金熔合,满足产品耐磨性、牢固性要求,延长产品使用寿命。(The invention discloses a composite casting product containing a titanium carbide-based powder metallurgy product, belonging to the technical field of metallurgy. The titanium carbide-based powder metallurgy product is prepared by sintering the following components in percentage by mass: 48 to 55 percent of TiC, 8.5 to 9 percent of Mn, 2 percent of Mo, 1.5 to 1.7 percent of Ni, 12 to 13 percent of C and the balance of Fe. The metallurgical product and the base material are cast and molded at one time through a casting process, and dispersive metallurgical fusion is formed between the metallurgical product and the base material. According to the invention, by limiting the proportion relation of each component in the titanium carbide-based powder metallurgy product, a coating structure carbide can be formed between the titanium carbide-based powder metallurgy product and the base material, so that the hardness requirement of the hard metallurgy product can be met, the wettability of the hard metallurgy product and the base material can be increased, the dispersive metallurgy fusion between the metallurgy product and the base material can be realized, the requirements of the wear resistance and the firmness of the product can be met, and the service life of the product can be prolonged.)
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，特别是涉及一种包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品。
背景技术
粉末冶金工艺产品是由硬质元素钨、钛等粉末与钴钼等元素搅拌、压块，烧结生成的硬质合金材料。这种材料硬度高，可以达到HRA90--93，是目前广泛使用的超硬耐磨材料。但是，现有的由粉末冶金材料制成的硬质合金由于其内部的孔隙结构及其组织强度低、韧性差等先天的缺陷，使其与基体材料之间不能形成熔化扩散，难以与母体材料形成牢固的结合。
目前该硬质合金材料与母体铁基材料复合的方法有：
1、机械结合式复合将硬质合金块用螺丝固定在钢铁基体的工作部位，已达到提高耐磨性的目的。比如机床用车刀。这种结合牢固度差，易发生硬质合金脱落，影响零件的使用寿命。
2、铜钎焊粘合式复合一般采用固态钎焊、镶嵌等机械结合方式。该复合方式只是两种材质间的粘合，而不发生扩散熔合，导致结合的不可靠，在工作中经常出现脱落、断裂的现象，设备易损坏，维护成本高，且易造成材料的浪费。
综上，现有技术中的硬质合金材料与基体材料之间的复合仍存在各种不足之处，本申请就是针对现有技术中的上述问题，创设的一种新的包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品，使其能满足硬质增强相与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合，避免硬质增强相的脱落开裂，提高结合牢固度，满足零件不同部位的不同性能要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品，使其能满足硬质增强相与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合，避免硬质增强相的脱落分离，提高结合牢固度，满足零件不同部位的不同性能要求，从而克服现有的硬质合金材料与母体材料难以复合的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造产品，所述碳化钛基粉末冶金产品包括如下按质量百分比计的成分：48％～55％TiC、8.5％～9％Mn、2％Mo、1.5％～1.7％Ni、12％～13％C、余量为Fe，所述碳化钛基粉末冶金产品与基体材料通过熔铸工艺一次浇注成型，且所述碳化钛基粉末冶金产品与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合。
进一步改进，所述碳化钛基粉末冶金产品的密度为6.4～6.6，硬度为HRA86～90。
进一步改进，所述碳化钛基粉末冶金产品由如下按质量百分比计的成分烧结生成：55％TiC、9％Mn、2％Mo、1.7％Ni、12％C、20.3％Fe，所述碳化钛基粉末冶金产品的密度为6.4～6.5，硬度为HRA88～90。
进一步改进，所述碳化钛基粉末冶金产品由如下按质量百分比计的成分烧结生成：48％TiC、8.5％Mn、2％Mo、1.5％Ni、13％C、27％Fe，所述碳化钛基粉末冶金产品的密度为6.5～6.6，硬度为HRA86～88。
进一步改进，所述基体材料为铸钢或合金铸钢液材料。
进一步改进，所述复合铸造产品的制备方法包括如下步骤：
(1)将所述碳化钛基粉末冶金产品，放置在模具指定位置；
(2)在负压环境下，向所述碳化钛基粉末冶金产品所在模具中浇注熔炼处理好的基体材料，浇注温度为1500～1600℃；
(3)浇注完成凝固后，淬火，回火，即生成所述碳化钛基粉末冶金产品与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合的复合熔铸产品。
进一步改进，所述步骤(3)中浇注完成后，先停止负压1～2分钟，保持温度在2分钟内不低于1500℃；再迅速启动负压15～20分钟，达到快速冷却。
进一步改进，所述产品为铁路或矿山机械设备配件。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明复合铸造产品通过改变和摸索其中碳化钛基粉末冶金产品中TiC、Mn、Mo、Ni、C、Fe各成分的配比关系，使该冶金产品外周形成包覆结构碳化物(Fe(Ti-Mn)C)，增加硬质冶金产品与基体材料的润湿性，通过熔铸工艺实现该冶金产品与基体材料之间的弥散性冶金熔合，既能满足硬质冶金产品的硬度要求，又能避免冶金产品从基体材料中的脱落开裂，彻底解决现有碳化钛基粉末冶金产品无法与基体材料通过铸造工艺熔合的技术问题，增加了牢固度，满足设备的耐磨性、牢固性要求，延长设备使用寿命。
具体实施方式
本发明要解决现有碳化钛基粉末冶金产品无法与基体材料通过铸造工艺熔合的技术问题，通过改变和摸索该碳化钛基粉末冶金产品中TiC、Mn、Mo、Ni、C、Fe各成分的配比关系，使其能形成包覆结构碳化物(Fe(Ti-Mn)C)，既能满足硬度要求，又能增加了TiC与基体材料的润湿性，实现该冶金产品与基体材料之间的弥散性冶金熔合，避免冶金产品从基体材料中的脱落开裂，增加牢固度，满足设备的耐磨性、牢固性要求。具体实施例如下。
实施例一
利用复合熔铸工艺生产煤矿掘进设备的截齿。
本实施例中该碳化钛基粉末冶金产品(TM50)包括如下按质量百分比计的成分：48％TiC、8.5％Mn、2％Mo、1.5％Ni、13％C、27％Fe。由上述各成分按比例烧结生成该碳化钛基粉末冶金产品(TM50)硬质合金材料。生成的碳化钛基粉末冶金产品(TM50)的密度为6.5～6.6，硬度为HRA86～88。该基体材料采用高锰钢钢液。
采用下述工艺步骤：
将该碳化钛基粉末冶金产品(TM50)放置在截齿模具中工作部分的顶端位置。在负压环境下，向截齿模具中浇注高锰钢基体钢液，浇注温度为1600℃。其中，负压环境为对密闭箱体抽真空得到，将该碳化钛基粉末冶金产品置于模具中的指定位置，并将该模具置于该密闭箱体内部。
在浇注完成后，先停止负压1-2分钟，能保持箱体内部的温度在2分钟内不低于1500度，然后再迅速启动负压15～20分钟，排除箱体内部热量，使之快速凝固，利于熔铸反应的完成。凝固后，850-950℃淬火，回火，即生成含碳化钛基粉末冶金产品的复合截齿产品。
本实施例生成的含碳化钛基粉末冶金产品的复合截齿产品经水韧处理，该截齿头的硬度为HRA86～88。该截齿头在工作过程中遇到强冲击，硬质合金部分没有出现颗粒脱落、碎裂的情况，表明该碳化钛基粉末冶金产品与基体材料之间结合牢固度高。
实施例二
利用复合熔铸工艺生产旋挖转机的钻头。
本实施例中该碳化钛基粉末冶金产品(TM45)包括如下按质量百分比计的成分：55％TiC、9％Mn、2％Mo、1.7％Ni、12％C、20.3％Fe。由上述各成分按比例烧结生成该碳化钛基粉末冶金产品(TM45)硬质合金材料。生成的碳化钛基粉末冶金产品(TM45)的密度为6.4～6.5，硬度为HRA88～90。该基体材料同样采用高锰钢钢液。
根据上述实施例一的工艺步骤，将该碳化钛基粉末冶金产品(TM45)放置在锤钻头模具中工作部分位置。在负压环境下，向锤钻头模具中浇注基体钢液，浇注温度为1500℃。负压环境和快速凝固步骤同上实施例一。凝固后，淬火，回火，即生成含碳化钛基粉末冶金产品的复合钻头产品。
本实施例生成的含碳化钛基粉末冶金产品的复合钻头产品经水韧处理，该钻头工作部分硬度为HRA88～90。该钻头产品在长期工作过程中没有出现碎裂现象，表明该碳化钛基粉末冶金产品与基体材料之间结合牢固度高。
对比例一
利用上述实施例一的制备工艺步骤，制备包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造截齿。
本对比例中该碳化钛基粉末冶金产品(TM30)包括如下按质量百分比计的成分：70％TiC、5％Mn、0.7％Mo、1.4％Ni、13％C、9.9％Fe，由上述各成分按比例烧结生成该碳化钛基粉末冶金产品(TM30)硬质合金材料。生成的碳化钛基粉末冶金产品的密度为5.4～5.6，硬度为HRA90～92。基体材料同样采用高锰钢钢液。
根据上述工艺步骤，将该碳化钛基粉末冶金产品(TM30)放置在截齿模具中工作部分的顶端位置。在负压环境下，向截齿模具中浇注基体钢液，浇注温度为1600℃。
结果发现，该碳化钛基粉末冶金产品(TM30)遇到钢液后，会发生开裂，说明其韧性低；并且发现该碳化钛基粉末冶金产品(TM30)与基体材料之间不熔合，无法实现两者的结合，达不到复合的技术效果。
对比例二
同样制备包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造截齿。
本对比例中该碳化钛基粉末冶金产品(TM38)包括如下按质量百分比计的成分：62％TiC、7％Mn、0.6％Mo、1.4％Ni、12％C、17％Fe，由上述各成分按比例烧结生成该碳化钛基粉末冶金产品(TM38)硬质合金材料。生成的碳化钛基粉末冶金产品的密度为5.5～5.7，硬度为HRA88～90。基体材料同样采用高锰钢钢液。
根据上述工艺步骤，将该碳化钛基粉末冶金产品(TM38)放置在截齿模具中工作部分的顶端位置。在负压环境下，向截齿模具中浇注基体钢液，浇注温度为1500℃。
结果发现，该碳化钛基粉末冶金产品(TM38)虽然增加了铁、锰元素比例，能形成部分包覆结构碳化物(Fe(Ti-Mn)C)，对润湿性和强韧性有提高，铸态开裂率能降低至约20％，但热处理后开裂率还是超过30％，说明该配比条件下该冶金产品的润湿性仍然较差，该冶金产品与基体材料仍存在熔合困难的问题。
对比例三
同样制备包含碳化钛基粉末冶金产品的复合铸造截齿。
本对比例中该碳化钛基粉末冶金产品(TM60)包括如下按质量百分比计的成分：38％TiC、8％Mn、0.7％Mo、1.4％Ni、13％C、38.9％Fe，由上述各成分按比例烧结生成该碳化钛基粉末冶金产品(TM60)硬质合金材料。生成的碳化钛基粉末冶金产品的密度为6.5～6.6，硬度为HRA82～85。基体材料同上。
根据上述工艺步骤，将该碳化钛基粉末冶金产品(TM60)放置在截齿模具中工作部分的顶端位置。在负压环境下，向截齿模具中浇注基体钢液，浇注温度为1550℃。
结果发现，该碳化钛基粉末冶金产品(TM60)虽然进一步降低TiC比例，增加铁、锰、钼等元素比例，同样能形成包覆结构碳化物(Fe(Ti-Mn)C)，冲击韧性和润湿性均有明显改善，该硬质合金冶金产品(TM60)与基体材料能形成冶金融合层，但是该硬质合金冶金产品(TM60)的硬度偏低，耐磨性差，不能满足复合铸造产品的硬度和耐磨性要求。
从上述实施例和对比例生成的复合铸造产品来看，只有在特定配比的碳化钛基粉末冶金产品条件下，该碳化钛基粉末冶金产品才能与高温钢液经过一次性熔铸混合后，达到在该碳化钛基粉末冶金产品与基体材料之间形成弥散性的冶金熔合的技术效果，使该碳化钛基粉末冶金产品牢牢的结合在基体材料中，复合牢固，既满足复合熔铸产品的硬度要求，又避免硬质合金脱落开裂，大大提高了复合材料性能，最终提高产品的使用寿命。
本发明生成的复合铸造产品优势在于，以碳化钛合金产品超强的硬度对基体起到明显的加强作用，且基体材料对碳化钛合金产品起到支撑保护作用，二者复合牢固，相辅相成，延长了产品使用寿命。另外，对于生产成本的优势在于，现有的铜钎焊生产工艺复杂，需要进行结合面的清洁处理、基体材料和硬质合金材料的加热升温、铜元素的熔化钎焊加工、后期处理等步骤，周期长，成本高。而本申请采用一次性浇注的铸造方法，生产工艺过程简单，成本较铜钎焊工艺的成本降低75％，经济效益可观。
本发明生成的复合铸造产品还可以为煤矿掘进设备或铁路机械设备中的需要高硬度材料的任何配件，适用范围广。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
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