CN102126025A - 一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺 - Google Patents

一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺 Download PDF

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Abstract

一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，是将常规WC-Co硬质合金压坯脱蜡预烧后，浸泡在偏钨酸铵溶液中，干燥后于真空炉中进行烧结，制得表层脱碳的WC-Co梯度硬质合金预制体。该工艺先将正常WC-Co硬质合金压坯进行脱蜡预烧，获得一定强度及孔隙度的预烧坯；再渗入偏钨酸铵溶液，从表向里形成一定深度及浓度梯度的偏钨酸铵分布；干燥后将试样放在真空炉中进行烧结，在低温阶段缓慢升温，让偏钨酸铵分解，分解产物(钨的氧化物)与表层WC、Co作用，即可制得表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体。本发明工艺方法简单、操作方便，制备出仅表层脱碳的WC-Co梯度硬质合金预制体，为提高硬质合金的综合性能提供了可能；适于工业化生产。

Description

一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺
技术领域
本发明公开了一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺。属于硬质合金材料制造技术领域。
背景技术
硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)为基体，以过渡族金属(Co、Fe和Ni)为粘结相，采用粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。由于其高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质稳定等优点，在金属切削、木材加工、石油矿山钻探、复合材料加工等方面有着重要的应用。常规WC-Co类硬质合金由WC相和粘结相的两相均匀组成，其产品内外结构及机械性能是一致的，存在着高硬度和耐磨性与强韧性之间的矛盾。而对于钻头及切割刀具用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展，故又要求硬质合金体内具有较高的韧性。
若能克服这一矛盾，制备表面高硬耐磨、心部强韧这种性能呈梯度变化的硬质合金，将能大大改善硬质合金的使用寿命。二十世纪八十年代，瑞典Sandvik公司开发了此类功能WC-Co梯度结构硬质合金，成功推出牌号为DP55、DP60和DP65三个牌号的双相(DP)硬质合金。即通过采用低碳含量的合金先预烧结出相成分为WC+γ+η相三相组织的预制体，然后采用固相渗碳的方法得到钴相呈梯度分布的硬质合金。这类合金最外层由WC+γ两相组成，γ相含量低于合金的名义钴含量，具有很高的硬度和耐磨损性能；中间层也由WC+γ两相组成，γ相含量高于合金的名义钴含量，具有很好的韧性；内层由WC+γ+η三相组成，为平均Co含量。由于低碳压坯制备出的预制体内全部脱碳，渗碳后材料内层硬脆η相无法完全消除，势必会对材料的使用性能有影响，因此发明一种方法，方便地控制表面η相层形成深度，对WC-Co梯度结构硬质合金的制备具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便，制备表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的工艺。
本发明一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，包括下述步骤：
第一步：正常WC-Co硬质合金压坯脱蜡预烧
将正常WC-Co硬质合金压坯在真空条件下于100～500℃之间进行脱蜡，然后于800～900℃之间进行预烧，获得一定强度及孔隙度的预烧坯；
第二步：预烧坯渗钨
将第一步所得预烧坯浸泡在40～60％质量浓度的偏钨酸铵溶液中，浸泡5～25min，然后在真空条件下于50～100℃进行干燥；
第三步：渗钨预烧坯干燥后烧结
将第二步所得渗钨预烧坯在真空条件下进行烧结，随炉冷却，即制得表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体；烧结工艺制度为：室温～450℃，加热时间120～180min，于450℃保温20～40min；然后，从450℃加热至1420～1460℃，加热时间为120～240min，烧结时间为50～90min，烧结完毕随炉冷却。
本发明一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，制备的WC-Co硬质合金表层脱碳深度为600～1200μm，心部为正常两相组织。
本发明由于采用上述工艺方法，利用正常WC-Co硬质合金压坯脱蜡预烧后，具有一定的强度及孔隙度预烧坯，在含钨溶液中浸泡，偏钨酸铵溶液容易渗入。偏钨酸铵在水中的溶解度大，可以方便地配制成不同浓度的溶液。通过控制渗入时间，可以较好地形成不同深度及浓度梯度的偏钨酸铵分布。偏钨酸铵在100℃左右开始分解，并最终形成水，氨气，WO3。在渗入偏钨酸铵的深度范围内，偏钨酸铵呈梯度分布，离表面越远，浓度越低，待偏钨酸铵分解后，形成了WO3的梯度分布。在随后的烧结温度下，由于表层含有WO3，一部分C与O发生反应，并从硬质合金预烧坯中脱除，且由于W原子的引入，使得材料表层满足形成L+WC+η三相共存的成分和热力学条件，冷却后在表层形成不同深度的含η相层。由于WO3呈梯度分布，因此形成的η相也呈梯度分布，得到在一定深度范围内形成脱碳由重到轻分布的结构。
本发明基于渗钨使材料表层一定深度范围内的W含量呈梯度分布，从而在烧结的时候形成仅表层一定深度范围脱碳，且脱碳程度呈梯度分布的WC-Co梯度硬质合金预制体。通过对该预制体进行后续渗碳消除表层η相，以期获得最外层钴相含量低于合金的名义钴含量，具有高的硬度和耐磨损性能；中间层钴相含量高于合金的名义钴含量，具有好的韧性；内层为名义钴含量，是正常平衡两相组织；这种表层钴含量呈梯度变化，具有良好综合性能的WC-Co梯度结构硬质合金。
综上所述，本发明制备出仅表层脱碳的WC-Co梯度硬质合金预制体，为提高硬质合金的综合性能提供了可能；且工艺方法简单、操作方便，适于工业化生产。
附图说明
附图1为实施例1的梯度硬质合金预制体表层金相显微组织图；
附图2为实施例1的梯度硬质合金预制体脱碳表层界面金相显微组织图；
附图3为实施例2的梯度硬质合金预制体表层金相显微组织图；
附图4为实施例3的梯度硬质合金预制体表层金相显微组织图；
附图5为实施例3的梯度硬质合金预制体心部金相显微组织图；
从附图1、2可以看出：实施例1制备的梯度硬质合金预制体表层约800μm的深度内形成明显脱碳相，而心部无脱碳相。
从附图3可以看出：实施例2制备的梯度硬质合金预制体表层约1100μm的深度内形成明显脱碳相，而心部无脱碳相。
从附图4、5可以看出：实施例3制备的梯度硬质合金预制体表层脱碳严重，而心部脱碳较少。
具体实施方式
下面参照附图和实施例对本发明作行一步详细说明。
实施例1
以WC-6Co的混合料制备表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体为例，混合料经双向压机压制成形；在真空炉中，于150～350℃之间经100min进行脱蜡；脱蜡完成后，升温至800℃，在800℃预烧0.5h，随炉冷却；预烧坯在质量分数为40％的偏钨酸铵溶液中浸泡5min，取出后在真空条件下于80℃干燥12h；干燥后的渗钨预烧坯在真空炉中，经过3h由室温升温至450℃，在450℃保温20min，再经2h升温至1460℃，在1460℃烧结50min，最后随炉冷却。参见附图1、2，对试件进行金相分析，分析结果表明试样表层约800μm的深度内形成明显脱碳相，而心部无脱碳相。
实施例2
以WC-6Co的混合料制备表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体为例，混合料经双向压机压制成形；在真空炉中，于200～400℃之间经100min进行脱蜡；脱蜡完成后，升温至850℃，在850℃预烧0.5h，随炉冷却；预烧坯在质量分数为50％的偏钨酸铵溶液中浸泡15min，取出后在真空条件下于100℃干燥12h；干燥后的渗钨预烧坯在真空炉中，经过3h由室温升温至450℃，在450℃保温30min，再经3h升温至1440℃，在1440℃烧结80min，最后随炉冷却。参见附图3，对试件进行金相分析，分析结果表明试样表层约1100μm的深度内形成明显脱碳相，而心部无脱碳相。
实施例3
以WC-8Co的混合料制备表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体为例，混合料经双向压机压制成形；在真空炉中，于300～500℃之间经100min进行脱蜡；脱蜡完成后，升温至900℃，在900℃预烧0.5h，随炉冷却；预烧坯在质量分数为60％的偏钨酸铵溶液中浸泡25min，取出后在真空条件下于100℃干燥12h；干燥后的渗钨预烧坯在真空炉中，经过3h由室温升温至450℃，在450℃保温40min，再经4h升温至1420℃，在1420℃烧结90min，最后随炉冷却。参见附图4、5，对试件进行金相分析，分析结果表明试样表层脱碳严重，而心部脱碳较少。

Claims (5)

1.一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，包括下述步骤：
第一步：正常WC-Co硬质合金压坯脱蜡预烧
将正常WC-Co硬质合金压坯在真空条件下于100～500℃之间进行脱蜡，然后于800～900℃之间进行预烧，获得一定强度及孔隙度的预烧坯；
第二步：预烧坯渗钨
将第一步所得预烧坯浸泡在偏钨酸铵溶液中，然后在真空条件下进行干燥；
第三步：渗钨预烧坯干燥后烧结
将第二步所得渗钨预烧坯在真空条件下进行烧结，随炉冷却，即制得表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体。
2.根据权利要求1所述的一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，其特征在于：偏钨酸铵溶液浓度为40～60％，所述预烧坯在偏钨酸铵溶液中浸泡时间为5～25min。
3.根据权利要求1或2所述的一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，其特征在于：所述真空条件下干燥温度为50～100℃。
4.根据权利要求3所述的一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，其特征在于：所述真空烧结工艺制度为：室温～450℃，加热时间120～180min，于450℃保温20～40min；然后，从450℃加热至1420～1460℃，加热时间为120～240min，烧结时间为50～90min，烧结完毕随炉冷却。
5.根据权利要求4所述的一种表层脱碳WC-Co梯度硬质合金预制体的制备工艺，其特征在于：所制备的WC-Co硬质合金表层脱碳深度为600～1200μm，心部为正常两相组织。
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