CN100441731C - 一种可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂 - Google Patents

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Abstract

该发明属于硬质合金制品生产过程中热处理用渗碳剂，由Al2O3、石墨粒及碳酸盐或/和碳酸氢盐按一定比例均匀混合而成。该发明渗碳剂由于在传统的渗碳剂中加入了在渗碳处理的高温条件下能分解产生CO2的碳酸盐或/和碳酸氢盐；生成的CO2再与石墨粒反应又产生活性较强的CO气体，该气体在渗碳处理过程中能迅速与合金体内的η相反应，从而加快了合金体梯度结构的形成。采用本发明渗碳剂，在相同温度等条件下与背景技术相比，具有可缩短渗碳处理时间50～65%，表面层厚度提高10～30%，合金体具有明显的粘结相梯度结构，制品的平均强度提高20～25%，并可有效提高生产率、降低生产成本和能耗等特点。

Description

一种可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂
技术领域
本发明属于硬质合金生产过程中渗碳处理(热处理)用渗碳剂。特别是一种在热处理过程中可促使合金体结构(组织、金相结构)及机械性能呈梯度分布的渗碳剂。该渗碳剂尤其适合要求合金表面硬度及耐磨性高、中部要求韧性强、而芯部刚度高的钻齿、切割及模具类硬质合金渗碳处理时作为渗碳剂用。
背景技术
在常规硬质合金生产中，经烧结成的产品为只含WC和结合剂相的均匀的两相组织，因此，其产品的内、外金相结构及机械性能是一致的。这类机械性能一致的产品，存在着高硬度和耐磨性与强韧性之间的矛盾。而对于钻齿、岩石切割刀具、模具等硬质合金产品，在使用时要求表面具有很高的硬度和耐磨性；但为了使其能承受较大的冲击力并阻止表面产生的裂纹向内扩散，因而，又要求合金体内应具备较强的韧性。而金相组织均匀，机械性能一致的硬质合金则在高硬度和耐磨性与强韧性之间存在着严重的矛盾和不一致性。针对这一缺陷，瑞典Sandvik公司在申请号为85108173的专利文献《最适于岩石钻孔和矿石切割的硬质合金体》中，公开了一种具有梯度结构的硬质合金体。该合金体是在烧结成型后，再通过固体渗碳工艺，并采用混合均匀的石墨粒和Al2O3作为渗碳剂，在氢气氛保护下在1450℃左右温度条件下渗碳烧结2～4小时，使其表面具有高硬度和耐磨性的WC相(α相)和较平均量低的Co相(β相)；中间层的钴相(β相)含量则高于合金体的平均值，使其具有较强的韧性以利吸收表面承受的冲击、阻止表面产生的裂纹向内扩散；而合金体的芯部则为具有平均Co含量的α+β+γ相，由于η相(W3Co3C、W2Co4C等)的存在，使合金体芯部具有很高的刚度，从而克服了均匀相硬质合金体在使用中所存在的弊病。但采用上述渗碳剂由于仅由Al2O3加上1.0％左右的石墨粒混合而成，其配方简单，渗碳反应活性低，因此存在渗碳处理时间长，结构梯度形成速度慢，生产率低，能耗及生产成本高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究一种可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂，以达到在热处理过程中加快合金梯度结构形成的速度、缩短渗碳处理时间、提高生产率、降低能耗和生产成本等目的。
本发明的解决方案是在原渗碳剂的基础上，加入碳酸盐或/和碳酸氢盐，同时加大石墨粒在渗碳剂中的比例。即利用碳酸盐或碳酸氢盐在渗碳温度下(1450℃左右)分解得到CO2，CO2与石墨粒反应生成CO气体，此时的CO气体具有较高的活性，能够迅速进入液相并与合金体内的η相(W3Co3C、W2Co4C等)进行反应，从而加快了合金体内结构梯度的形成。其化学反应原理如下：
RXCO3＝RXO+CO2                 (1)
2R(HCO3)X＝2ROX/2+2XCO2+XH2O   (2)
CO2+C＝2CO                     (3)
W3Co3C+4CO＝3WC+3Co+2CO2       (4)
W2Co4C+2CO＝2WC+4Co+CO2        (5)
上述反应均在1380～1500℃温度下进行，其中的R可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al等元素。渗碳剂中石墨粒子量的增加又可调节炉内CO等的气氛。因此，本发明渗碳剂的成份包括Al2O3、石墨粒；关键在于其成份中还包括碳酸盐或/和碳酸氢盐；渗碳剂中各成份的重量百分比含量分别为：纯度≥98％的Al2O3：30～50Wt％，含C量＞98％的石墨粒10～30Wt％，工业纯及以上纯度的碳酸盐或/和碳酸氢盐30～50Wt％；上述各成份按比例、经充分混合均匀后计量包装，即成。所述石墨粒，其粒径为0.3～2.0mm。而所述碳酸盐、碳酸氢盐可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸盐或碳酸氢盐。
本发明由于在传统的渗碳剂中加入了在渗碳处理的高温下能够分解得到CO2的碳酸盐或/和碳酸氢盐，所生成的CO2再与石墨粒反应又生成活性较强的CO气体，该气体能迅速进入液相并与合金体内的η相进行反应，从而加快了合金体梯度结构的形成。采用本发明所述的渗碳剂在相同温度条件下，与背景技术相比可缩短渗碳处理时间50～65％，产品具有明显的粘结相梯度结构、且表面层(无η相层)厚度提高10～30％、平均强度提高20～25％(达3000N/mm2以上)。因此，本发明用于硬质合金渗碳处理可有效缩短渗碳处理时间、提高生产率，且具有产品梯度结构明显，表面无η相层较厚，平均强度高，生产成本及能耗低等特点。
实施例1
本实施例以配制200kg渗碳剂为例：
将纯度为99.0％的Al2O3：80kg，平均粒径为0.8mm、含C量为99.5％石墨粒40kg，工业纯碳酸钠80kg，置于搅拌器内，在转速为60转/分的条件下搅拌混合30分钟，混合均匀后按每个舟皿用量分袋包装，即成。
实施例2
仍以配制200kg渗碳剂为例：
将纯度为工业级的碳酸氢钙90kg，纯度为99.5％的Al2O3：80kg及含C量99.9％、平均粒径为1.2mm的石墨粒30kg，置于搅拌器内，在80转/分的条件下搅拌混合均匀后，计量分装即成。
实施例3
将纯度为工业级的碳酸氢钙和碳酸钾各40kg，纯度为99.5％的Al2O3：80kg及平均粒径为1.5mm、含C量99.0％的石墨粒40kg，置于搅拌器内，搅拌混合均匀后，按要求计量分装，即成。

Claims (3)

1、一种可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂，包括Al2O3和石墨粒；其特征在于渗碳剂成份中还包括碳酸盐或/和碳酸氢盐；渗碳剂中各成份的重量百分比含量分别为：纯度≥98.0％的Al2O3：30～50wt％，含C量＞98.0％的石墨粒10～30wt％，工业纯及以上纯度的碳酸盐或/和碳酸氢盐30～50wt％；上述各成份按比例、经充分混合均匀后计量包装，即成。
2、按权利要求1所述可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂；其特征在于所述石墨粒的粒径为0.3～2.0mm。
3、按权利要求1所述可使硬质合金呈梯度结构的渗碳剂；其特征在于所还碳酸盐、碳酸氢盐是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸盐或碳酸氢盐。
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