機械性能呈梯度分布的硬質合金滲碳處理方法
2023-09-23 14:29:05
專利名稱：機械性能呈梯度分布的硬質合金滲碳處理方法
技術領域：
本發明屬於硬質合金製品的滲碳處理方法，特別是一種可使硬質合金製品的機械性能呈梯度分布的滲碳處理方法。該方法尤其適合用於對WC-Co類硬質合金工、模具進行滲碳處理，以提高其綜合機械性能。
背景技術：
常規WC-Co類硬質合金鑽齒、巖石切割及拉絲模等工、模具的內、外金相組織均勻、機械性能一致。這種均勻結構的硬質合金製品存在高硬度和耐磨性與強韌性之間難以調和的矛盾，即當減少合金中鈷(Co)的含量以提高其硬度和耐磨性時，合金體的韌性即隨之下降；返之則影響其硬度和耐磨性；此外，鑽齒、巖石切割刀具、模具等硬質合金製品，在使用時要求表面具有很高的硬度和耐磨性，但為了使其能承受較大的衝擊力並阻止表面產生的裂紋向內擴散，又要求合金體內應具備較強的韌性；而金相及機械性能一致的產品在使用過程中，一旦表面產生裂紋時，其裂紋將很快擴展並導致整個模具破裂而報廢。為了克服這一弊病，在公靠號為CN106711B的專利文獻《最適於巖石鑽孔和礦石切割的硬質合體》中公開了一種合金體的機械性能等呈梯度結構的硬質合金。該硬質合金體的生產方法是採用低碳WC與適量的鈷(Co)粉為原料，混合均勻並壓製成坯件後，在900℃左右溫度及N2氣氛中預燒1小時，再在1450℃的溫度下燒結成金相及機械性能均勻一致的常規硬質合金體；然後再將其置於石墨舟皿中並採用Al2O3與石墨粒混合粉作為滲碳劑，在1450℃的滲碳氣氛中熱處理2小時以上，而製得合金表面層為含Co量低於合金平均值的WC+γ相區，中間層為Co含量高於合金平均值WC+γ相區，而芯部仍為含η相的硬質合金體。該發明雖然具有表面硬度及耐磨性高；合金中部富鈷(Co)層的形成，又具有韌性強而可吸收合金體表面承受的衝擊、有效阻止表面裂紋向內擴展等特點。但由於滲碳劑僅由Al2O3加上1.0％左右的石墨粒混合而成，其配方簡單、滲碳反應活性低，因而存在滲碳處理時間長、溫度要求相對較高、而結構梯度形成速度慢、超過2小時的高溫滲碳處理又將會造成合金的晶粒長大、降低其使用性能以及生產率低等弊病，；此外，採用上述方法生產機械性能呈梯度變化的硬質合金，還存在能耗及生產成本較高的缺陷。
發明內容
本發明的目的是針對背景技術存在的弊病，研究設計一種機械性能呈梯度分布的硬質合金滲碳處理方法，以達到在對硬質合金體進行滲碳處理過程中加快其梯度結構形成的速度、縮短滲碳處理時間、提高合金體的綜合機械性能、使用性能和生產率、延長合金體的使用壽命，降低能耗和生產成本等目的。
本發明的解決方案是針對背景技術滲碳劑成份簡單、滲碳反應活性低、滲碳處理時間長、效率低的缺陷。改進滲碳劑配方並調整石墨粒在滲碳劑中的比例，即在原滲碳劑的基礎上加入碳酸鹽或/和碳酸氫鹽，利用碳酸鹽及碳酸氫鹽在滲碳溫度下分解得到CO2，CO2與石墨粒反應生成CO氣體，此時的CO氣體具有較強的活性，能夠迅速進入液相併與合金體內的η相(W3CO3C、W2CO4C等)進行反應生成WC，從而達到目的。其化學反應原理如下(1)(2)(3)(4)(5)上述反應均在1380～1500℃溫度下進行，其中的R可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al等元素。因此，本發明方法包括A、配製滲碳劑按重量百分比計，將Al2O3細粉30～50Wt％、石墨粒10～30Wt％及碳酸鹽或/和碳酸氫鹽30～50Wt％投入攪拌器內，攪拌混合均勻後待用。
B、裝舟將配製好的滲碳劑按要求量裝入石墨舟皿中，同時將按常規方法生產的金相組織均勻且機械性能一致的硬質合金燒結體埋於滲碳劑內；C、滲碳處理將上述裝好的石墨舟皿送入熱處理爐內，在1390°～1450℃溫度範圍內滲碳處理50～120min；冷卻後即得目的物。
上述滲碳劑中Al2O3的純度≥98.0％，石墨粒為含C量＞98％、粒徑為0.3～2.0mm的石墨粒，碳酸鹽及碳酸氫鹽的純度均為工業級。而所述碳酸鹽及碳酸氫鹽可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸鹽或碳酸氫鹽。所述冷卻後即得目的物，其冷卻速度為5～30℃/min。
本發明由於在滲碳處理過程中滲碳劑內的碳酸鹽或/和碳酸氫鹽在滲碳溫度下分解得到CO2，繼而與石墨粒反應又生成活性較強的CO氣體，該氣體迅速進入液相併與合金體內的η相反應生成WC，游離出Co並促使其向內遷移，使模具表層成為W+γ相且Co含量低於模具體平均值的相區，而具有高的硬度和耐磨性；中間層為W+γ相且Co含量高於模具平均值的相區，而具有較高的韌性；模具體的芯部由於在滲碳過程中幾乎沒發生化學反應，仍含有η相組織，其剛性強。因此，本發明生產的產品結構梯度明顯、滲碳處理時間短，表面無η相層厚度值高、形成速度快，與背景技術相比在同等厚度的梯度下可縮短滲碳時間50～65％，表面無η相厚度提高20～50％、平均強度提高20～25％，；與相應的標準硬質合金工、模具比較，其使用壽命提高30～65％，且具有生產率高、生產成本及能耗低等特點。
實施例1本實施例以yG6球形鑽齒滲碳處理為例；滲碳劑由純度為99.0％的Al2O340wt％，，粒徑為1.2mm、含C量為99.5％石墨粒20wt％、，純度為工業純級的碳酸鈉40wt％配製而成；將由常規方法生產的金相組織均勻的yG6連同滲碳劑2kg裝舟，yG6球齒埋於滲碳劑內後送入馬弗爐內，在1400°～1410℃溫度下滲碳處理80min，自然冷卻後將表層WC+γ兩相區(無η相區)厚2.4mm的球齒，而背景技術在滲碳處理3小時無η相層厚僅1.8mm。
本實施例用φ45mm硬質合金鑽頭在進給壓力6MPa旋轉壓力5MPa和轉速200rpm的條件下，與標準硬質合金球齒在抗壓強度270～320MPa的花崗巖上鑿孔，作對比試驗，其使用壽命平均長31.8％。
實施例2本實施例採用硬質合金WC-8％Co製作的φ40mm的鑽頭為例滲碳劑由純度為工業級的碳酸鈣和碳酸鉀各20wt％，純度為99.5％的Al2O340wt％及平均粒徑為1.5mm、含C量99.0％的石墨粒20wt％，配製而成；與金相組織均勻一致的硬質合金鑽頭燒結體按要求裝舟後，送入馬弗爐內，在1420℃下滲碳處理110min，得表面層無η相層厚2.5mm的呈梯度結構的鑽頭，其平均抗彎強度達3490N/mm2。該鑽頭與標準硬質合金鑽頭在石英砂巖上作對比試驗，其結果耐磨性提高22.6％、平均壽命延長35.5％。
實施例3本實施例以總碳含量5.25％的WC-7％Co的混合粉料製得的高為16mm、直徑為12mm、定徑帶直徑1.5mm的拉絲模為例其滲碳劑由工業級純度的碳酸氫鈣45wt％，純度為99.5％的Al2O340wt％及含C量99.9％、平均粒徑為1.2mm的石墨粒15wt％配製而成；將滲碳劑2.2kg與按常規方法生產的質地均勻、機械性能內、外一致的上述硬質合金拉絲模燒結體一併置於石墨舟皿中，將滲碳劑完全覆蓋拉絲模表面後，送入馬弗爐內在1400℃溫度下滲碳處理60min，冷卻後得表層梯度厚達1.8mm的無η相區，而採用背景技術在相同條件下梯度僅為1.2mm。該拉絲模的平均抗彎強度3128N/mm2，硬度(HRA)91.90，與標準硬質合金拉絲模作拉制焊絲的對比試驗，本實施例平均產量為3.8噸，標準硬質合金拉絲模平均為2.3噸，其使用壽命提高65％。
權利要求
1.一種機械性能呈梯度分布的硬質合金滲碳處理方法；其特徵在於該方法包括A、配製滲碳劑按重量百分比計，將Al2O3細粉30～50Wt％、石墨粒10～30Wt％及碳酸鹽或/和碳酸氫鹽30～50Wt％投入攪拌器內，攪拌混合均勻後待用。B、裝舟將配製好的滲碳劑按要求量裝入石墨舟皿中，同時將按常規方法生產的金相組織均勻且機械性能一致的硬質合金燒結體埋於滲碳劑內；C、滲碳處理將上述裝好的石墨舟皿送入熱處理爐內，在1390°～1450℃溫度範圍內滲碳處理50～120min；冷卻後即得目的物。
2.按權利要求1所述硬質合金滲碳處理方法；其特徵在於所述碳酸鹽及碳酸氫鹽可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸鹽或碳酸氫鹽。
3.按權利要求1所述硬質合金滲碳處理方法；其特徵在於所述滲碳劑中Al2O3的純度≥98.0％，石墨粒為含C量＞98％、粒徑為0.3～2.0mm的石墨粒，碳酸鹽及碳酸氫鹽的純度均為工業級。
4.按權利要求1所述硬質合金滲碳處理方法；其特徵在於所述冷卻後即得目的物，其冷卻速度為5～30℃/min。
全文摘要
該發明公開了一種硬質合金製品的滲碳處理方法，該方法包括配製滲碳劑、裝舟、滲碳處理。其中滲碳劑由Al
文檔編號C23C8/00GK1526847SQ03135888
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月24日 優先權日2003年9月24日
發明者劉詠, 羊建高, 王海兵, 張林秋, 龍鄭易, 李克林, 劉 詠 申請人:自貢硬質合金有限責任公司