一種硬質合金表面滲碳方法與流程

2023-10-17 17:19:29

本發明涉及一種表面處理方法，特別涉及一種硬質合金表面滲碳方法，屬於表面工程領域。

背景技術：

硬質合金具有高硬度、高耐磨性、耐高溫,同時還具有高強度、高彈性模量和極好的化學穩定性,在現代材料工業中佔有極其重要的地位。為了進一步提高其摩擦磨損性能，通常在其表面進行滲碳處理。

cn104493161a公開了一種硬質合金在真空燒結爐中滲碳的方法，包括以下步驟：a.將每件硬質合金脫碳製品單件放入存有滲碳混合料的包套中，硬質合金脫碳製品被滲碳混合料包覆，繫緊包套袋口後，放入冷等靜壓機中通過壓制工藝進行壓制，形成壓坯塊；b.去除壓坯塊表面的包套，再將壓坯塊放入真空燒結爐中進行滲碳燒結；c.滲碳燒結完成後，去除包覆在硬質合金脫碳製品表面的滲碳混合料包覆物；d.在去除硬質合金脫碳製品表面的滲碳混合料包覆物後，對硬質合金脫碳製品進行噴砂處理，去除的滲碳混合料作均勻化處理後另存保管。cn102002664a公開了一種梯度結構硬質合金的製備方法，先通過表面氧化的方法使硬質合金表面一定深度內脫碳得到梯度合金前驅體，即把標準硬質合金埋在一定比例的mg(oh)2和al2o3的混合填料內於氫氣氣氛中加熱到1420-1450℃高溫熱處理一定時間，並在氫氣保護環境中冷卻，使合金一定深度範圍內局部脫碳生成η相，再把脫碳的樣品在石墨中進行固體滲碳處理，處理溫度為1420-1450℃，從而得到粘結相呈梯度的梯度結構硬質合金。

但是，上述方法是在硬質合金燒結完成後再進行滲碳處理，滲碳時間長效率不高且硬質合金材料容易出現晶粒長大。因此，尋找簡單可靠的滲碳技術十分必要。

技術實現要素：

本發明針對目前硬質合金表面滲碳處理時，「燒結+滲碳」工藝存在的晶粒長大嚴重、滲碳時間長、效率低的問題，提出先將製備含碳化物形成元素的硬質合金坯體，再將al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末、石墨烯混合行星球磨時均勻混合形成含氫滲碳介質，然後將多孔生坯放入滲碳介質中並進行緊實，最後進行液相燒結時實現硬質合金表面滲碳。

本發明的一種硬質合金表面滲碳方法，其特徵在於依次包含以下步驟：

（1）含碳化物形成元素的硬質合金坯體製備：稱取各種原料粉末配料，按重量百分比co佔3～20wt%，mo佔0～5wt%,w佔1～5wt%，wc為餘量；將稱取的粉末混合併經過球磨、過濾、乾燥、摻成型劑、壓製成型得到硬質合金生坯；硬質合金生坯在真空燒結爐中升溫到550～700℃，升溫速度為1～5℃/min，真空度為5～15pa,並保溫1～2h，形成含碳化物形成元素的硬質合金坯體；

（2）含氫滲碳介質配製：先稱取粒度為0.5~1.5μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2佔35wt%的混合液，然後進行20~40min的超聲分散處理，並在80~100℃和真空度為10～20pa條件下真空乾燥1h；再以去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配製溶液，按濃度為0.1～0.8mol/l加入alcl3，按alcl3濃度的7倍加入經過超聲分散的tih2粉末，並用ch3cooh調節ph值到3～6,然後在磁力攪拌器中60～80℃下攪拌8～24h，並在120~150℃下乾燥1～3h，得到al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末；再將al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末，厚度小於3nm、層數小於3層且比表面積大於250m2/g的石墨烯混合，兩種物質按重量百分比2:3混合，並在行星球磨機中球磨1~2h，製成含氫滲碳介質；

（3）生坯在含氫滲碳介質中的裝填：先將含氫滲碳介質裝入石墨坩堝中，再將脫除成型劑的硬質合金生坯埋入；含氫滲碳介質與脫成型劑硬質合金生坯的重量比為5:1，並確保脫成型劑硬質合金生坯周圍的含氫滲碳介質厚度大於5mm；然後在5~15mpa壓力下緊實含氫滲碳介質，使其體積縮小到松裝狀態的40%~60%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止滲碳介質逸出；

（4）硬質合金表面滲碳：在真空燒結爐中1350～1500℃保溫1～3h，碳元素由含氫滲碳介質向硬質合金表面擴散，形成300~550μm厚的表面滲碳層，最終實現表硬質合金表面滲碳。

本發明的硬質合金表面滲碳方法，其進一步的特徵在於：

（1）硬質合金生坯製備時球磨時間為24～72h，過濾採用400目篩網，乾燥在85～100℃進行，按硬質合金粉末重量的50～120%摻入丁鈉橡膠成型劑，在300～400mpa壓力下壓製成型；

（2）含氫滲碳介質配製時，超聲處理時超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w，配製溶液使用的溶劑中去離子水與無水乙醇的體積比為1:10，製備al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末時，磁力攪拌的速度為20～50r/min，核/殼結構粉末、石墨烯混合行星球磨時，轉速為300r/min;

（3）生坯在滲碳介質中裝填時所用的石墨坩堝的石墨材質抗折強度大於20mpa；

（4）硬質合金表面滲碳時，先以5～10℃/min升溫到550～700℃並保溫1～2h；然後以5～10℃/min升溫到1100～1250℃並保溫1～3h；再以5～10℃/min升溫到1350～1500℃並保溫1～3h，燒結真空度為1～5pa；燒結結束後的降溫速度為1～8℃/min。

本發明的優點在於：（1）以含碳化物形成元素的硬質合金坯體作滲碳基體，在燒結過程中原位實現表面滲碳，這與傳統的先燒結再滲碳相比工藝更簡潔，且不會存在晶粒二次長大的問題；（2）滲碳劑中引入金屬氫化物tih2，在燒結過程中分解出h2並與石墨烯發生c+2h2=ch4，ch4=[c]+h2，形成的活性炭原子進入金屬中實現滲碳；al2o3包覆在tih2表面可控制h2釋放速率，避免快速耗盡；（3）滲碳基體中的碳化物形成元素在燒結過程中與碳元素反應形成碳化物，能夠促使活性炭原子從滲碳介質向硬質合金基體表面擴散，有利於活性炭原子的吸附和滲碳效率的提高；（4）提出通過控制滲碳介質的緊實度來確保滲碳介質與硬質合金之間的接觸，提高滲碳效率；（5）採用石墨烯為碳源，其粒度小反應活性更大，滲碳效率高。

附圖說明

圖1本發明的硬質合金表面滲碳方法的工藝示意圖。

具體實施方式

實例1：按以下步驟實現硬質合金表面滲碳：

（1）含碳化物形成元素的硬質合金坯體製備：稱取各種原料粉末配料，按重量百分比co佔3wt%，w佔1wt%，wc為餘量；將稱取的粉末混合併經過40h球磨、400目篩網過濾、85℃乾燥、按硬質合金粉末重量的60%摻入丁鈉橡膠成型劑、在320mpa壓力下壓製成型得到硬質合金生坯；硬質合金生坯在真空燒結爐中升溫到580℃，升溫速度為2℃/min，真空度為8pa,並保溫1h，形成含碳化物形成元素的硬質合金坯體；

（2）含氫滲碳介質配製：先稱取粒度為0.6μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2佔35wt%的混合液，然後進行25min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w；並在85℃和真空度為12pa條件下真空乾燥1h；再以體積比為1:10的去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配製溶液，按濃度為0.2mol/l加入alcl3，按1.4mol/l加入經過超聲分散的tih2粉末，並用ch3cooh調節ph值到3,然後在磁力攪拌器中65℃下攪拌10h，磁力攪拌的速度為25r/min，並在125℃下乾燥1h，得到al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末；再將al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末，厚度小於3nm、層數小於3層且比表面積大於250m2/g的石墨烯混合，兩種物質按重量百分比2:3混合，並在行星球磨機中球磨1h，球磨轉速為300r/min，製成含氫滲碳介質；

（3）生坯在含氫滲碳介質中的裝填：先將含氫滲碳介質裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質抗折強度大於20mpa，再將脫除成型劑的硬質合金生坯埋入；含氫滲碳介質與脫成型劑硬質合金生坯的重量比為5:1，並確保脫成型劑硬質合金生坯周圍的含氫滲碳介質厚度大於5mm；然後在6mpa壓力下緊實含氫滲碳介質，使其體積縮小到松裝狀態的45%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止滲碳介質逸出；

（4）硬質合金表面滲碳：先以6℃/min升溫到580℃並保溫1h；然後以6℃/min升溫到1150℃並保溫1h；再以6℃/min升溫到1480℃並保溫1h，燒結真空度為2pa；燒結結束後的降溫速度為2℃/min，碳元素由含氫滲碳介質向硬質合金表面擴散，形成350μm厚的表面滲碳層，最終實現表面硬質合金表面滲碳。

實例2：按以下步驟實現硬質合金表面滲碳：

（1）含碳化物形成元素的硬質合金坯體製備：稱取各種原料粉末配料，按重量百分比co佔20wt%，mo佔2wt%,w佔2wt%，wc為餘量；將稱取的粉末混合併經過62h球磨、400目篩網過濾、90℃乾燥、按硬質合金粉末重量的110%摻入丁鈉橡膠成型劑、在370mpa壓力下壓製成型得到硬質合金生坯；硬質合金生坯在真空燒結爐中升溫到670℃，升溫速度為4℃/min，真空度為10pa,並保溫2h，形成含碳化物形成元素的硬質合金坯體；

（2）含氫滲碳介質配製：先稱取粒度為1.2μm的tih2粉末加入到無水乙醇中形成tih2佔35wt%的混合液，然後進行35min的超聲分散處理，超聲波的頻率為4×104hz,功率為100w；並在90℃和真空度為20pa條件下真空乾燥1h；再以體積比為1:10的去離子水和無水乙醇混合液為溶劑配製溶液，按濃度為0.6mol/l加入alcl3，按4.2mol/l加入經過超聲分散的tih2粉末，並用ch3cooh調節ph值到5,然後在磁力攪拌器中80℃下攪拌20h，磁力攪拌的速度為47r/min，並在140℃下乾燥2h，得到al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末；再將al2o3包覆tih2的核/殼結構粉末，厚度小於3nm、層數小於3層且比表面積大於250m2/g的石墨烯混合，兩種物質按重量百分比2:3混合，並在行星球磨機中球磨2h，球磨轉速為300r/min，製成含氫滲碳介質；

（3）生坯在含氫滲碳介質中的裝填：先將含氫滲碳介質裝入石墨坩堝中，石墨坩堝的石墨材質抗折強度大於20mpa，再將脫除成型劑的硬質合金生坯埋入；含氫滲碳介質與脫成型劑硬質合金生坯的重量比為5:1，並確保脫成型劑硬質合金生坯周圍的含氫滲碳介質厚度大於5mm；然後在12mpa壓力下緊實含氫滲碳介質，使其體積縮小到松裝狀態的55%；用帶螺紋的蓋子密封石墨坩堝，防止滲碳介質逸出；

（4）硬質合金表面滲碳：先以8℃/min升溫到620℃並保溫2h；然後以7℃/min升溫到1200℃並保溫2h；再以8℃/min升溫到1390℃並保溫2h，燒結真空度為4pa；燒結結束後的降溫速度為6℃/min，碳元素由含氫滲碳介質向硬質合金表面擴散，形成350μm厚的表面滲碳層，最終實現表面硬質合金表面滲碳。