CN105880605B - 一种φ80以上大规格硬质合金阀球生产工艺 - Google Patents

一种φ80以上大规格硬质合金阀球生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种φ80以上大规格硬质合金阀球生产工艺，包括步骤如下：按照配方所需的比例，配置混合料；将混合料注入上、下半球模组装成球模，密封后送入静压机中，压制出阀球初步形状，调整球模压制角度，多次压制成型；采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结；在压力烧结炉内进行加压返烧；在研磨机上研磨制作成品球；检测成品球参数，确定合格后完成加工，不合格产品进行破碎回收处理。本发明能按照不同要求，制定不同的配方，制取混合料；采用多次成型的方式，所生产的毛坯球有效解决了现有技术方式产生的压制缺陷；采用特殊的烧结工艺，不会形成裂纹；成品球尺寸精度达到±3μm、椭圆度＜1μm、粗糙度达到小于等于Ra0.01。

Description

一种φ80以上大规格硬质合金阀球生产工艺
技术领域
本发明属于硬质合金制造技术领域，具体涉及一种硬质合金阀球生产工艺。
背景技术
硬质合金是指由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金阀求是表面材料及表面技术的一种重要的高硬度材料，通过采用堆焊等方式与基体材料结合，满足耐磨耐腐蚀等功能要求，延长设备及工件的使用寿命。目前常见的硬质合金是指由碳化钨(WC)和钴(Co)和钛合金(Ti)等主要成分组成，在高硬度的同时，还具有良好的耐磨耐腐蚀性能。
目前，国内外普遍采取粉末冶金工艺来生产硬质合金阀球。根据使用性能要求，按照一定的配方配置混合料，经过压制成型，再经过机械加工成球形，然后通过真空烧结实现合金化，最后经研磨加工成成品球。采用这种粉末冶金工艺生产的硬质合金阀球，普遍存在如下问题：(1)成型效率低；(2)成品球密度不均匀。在生产小规格硬质合金阀球的时候，因为直径小，加工难度不大，其成型率和均匀度还能满足生产需求，但随着阀球规格的不断增大，硬质合金阀求质量控制越来越难，裂纹、孔洞等质量缺陷大量出现。特别是当球的直径超过80mm后，废品率大大增加，目前国内外还未有针对大于φ80mm的阀球有成熟的批量生产工艺报道。寻找一种能实现针对大于φ80mm硬质合金阀球批量生产的工艺，对于解决当前国内外阀球尺寸限制有极大地意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供本发明的目的在于提供一种生产成型率高、合金球圆度好、直径大于φ80mm的硬质合金阀球的制造方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的：
本发明一种硬质合金球的制造方法，其步骤如下：
(1)按照配方所需的比例，配置混合料；
(2)将混合料注入上、下半球模组装成球模，密封后送入静压机中，压制出阀球初步形状，调整球模压制角度，多次压制成型；
(3)采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结；
(4)在压力烧结炉内进行加压返烧；
(5)在研磨机上研磨制作成品球；
(6)检测成品球参数，确定合格后完成加工，不合格产品进行破碎回收处理。
步骤1中所用的配方分为钛基系列配方、镍基系列配方和钴基系列配方，其中，
钛基系列配方包括：TiC：80～83％，粘结剂：5～6％；晶粒抑制剂：7～8％；增强剂：1％；增韧剂：1％，剩下的为不可避免的杂质。
镍基系列配方包括：WC：78～84％，羟基镍粉：8～10％；晶粒抑制剂：7～8％；增强剂：1～2％，剩下的为不可避免的杂质。
钴基系列配方包括：WC：50～63％，Ni为10～22％，Co为20％～30％，剩下的为不可避免的杂质。
步骤2中倒入混合料后，对球模进行均匀震动和正反旋转，保证混合料在球模内部分布均匀。
步骤2中，将球模送入静压机中，安放于钢支架上，进行加压压实，加压压力为145～155MPa的高压；压制时间为3～4.5分钟；压制完成后泄压。
步骤3中，采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结，在真空炉中提供一定负压值，再将炉内温度从常温迅速加温至1100℃后，降低升温速度，最终达到1400±10℃，保持恒温120分钟。
步骤4中，将真空烧结后的阀球送入加压炉，对其进行加压返烧，对炉内提供5～10Mpa的压力，加压返烧的温度为1200～1300℃。
步骤5中，由于本套工艺加工球体直径较大，不适宜普通的磨盘碾磨法；因此，在研磨前，根据待磨球体的规格，采用成型刀具对偏心圆弧槽进行精加工，加工精度为±3μm，保证球体与研磨槽尺寸吻合；磨球工序分为粗磨、精磨，粗研、精研、抛光；每道工序开始前要对装置进行彻底冲洗和制作合适的研磨盘，研磨球度小于1μm，粗糙度达到小于等于Ra0.01。
步骤6中，精研后，采用数显千分尺进行测量，在球面上取至少18个点，球度测量精度可控制在2μm的范围内；抛光后，采用高精度圆度仪进行测量；每批待检硬质合金球体采用棉纱蘸取酒精擦拭清理干净，并在恒定室温环境下放置3h，球体温度与测量环境温度一致后进行测量；待测球体先后对空间相互垂直的三个截面，每个截面的圆度值都小于1μm时，此球体的球度合格，球度值为3个测量结果的平均值。
与传统粉末冶金制作硬质合金阀球的方法相比，本发明具有如下优点：
1.根据客户应用环境和使用性能要求，分别确定了钛基、镍基和钴基三大系列。按照各系列不同要求，制定不同的配方，制取混合料；
2.采用多次成型的方式，所生产的毛坯球有效解决了现有技术方式产生的压制缺陷；
3.采用特殊的烧结工艺，使生产的大直径阀球不会出现孔洞、渗碳等缺陷；
4.消除了烧结冷却过程中Tic颗粒和基体所产生残余应力，不会形成裂纹；
5.不同规格的毛坯合金球按照不同工艺要求，在研磨机上研磨制作成品球，成品球尺寸精度达到±3μm、椭圆度＜1μm、粗糙度达到小于等于Ra0.01。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1：
本实验需要加工一个直径为100mm的硬质合金阀球，采用钛基系列配方，包括：TiC：81.5％，粘结剂：5.5％；晶粒抑制剂：7.5％；增强剂：1％；增韧剂：1％，剩下的为不可避免的杂质，放入搅拌器中进行匀速搅拌，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间5分钟，温度控制在20℃到25℃之间；
完成搅拌后，将搅拌原料送入静压机中，放置于内置的钢架上进行压制，压制所设定压力为155MPa，静压时间为4.5分钟。
将压制好的采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结，真空烧结能够更好地排除烧结体中Si、Mg、Ca等氧化物杂质，从而提高硬质合金的纯度，同时真空下气相的渗碳、脱碳作用大大减少，易于保证最终合金的碳含量，控制合金的组织结在真空炉中提供～0.3Pa的负压值，再将炉内温度从常温按照50℃/min的速度加温至1100℃后，降低升温速度，最终达到1400℃，保持恒温120分钟。
将真空烧结后的阀球送入加压炉，对其进行加压返烧，对炉内提供5～10Mpa的压力，加压返烧的温度为1200℃。按照普通的烧结工艺，会出现孔洞、渗碳等缺陷。在此采用多次烧结，解决了烧结的质量缺陷，进一步消除真空烧结残余的部分孔隙。
由于本套工艺加工球体直径较大，如果采用普通的行星式碾磨法，造成的误差较大；因此，在研磨前，根据待磨球体100mm直径的规格，采用成型刀具对偏心圆弧槽进行精加工，加工精度为±3μm，保证球体与研磨槽尺寸吻合；磨球工序分为粗磨、精磨，粗研、精研、抛光，前4步的加工工艺各自的研磨速率为0.8μm/h、0.12μm/h、0.05μm/h，研磨过程中需要抛光过程使用Fe2O3抛光液对球体进行抛光；每道工序开始前要对装置进行彻底冲洗和制作合适的研磨盘，研磨球度小于1μm，粗糙度达到小于等于Ra0.01。
对球体精研后，采用数显千分尺进行测量，待测球体先后对空间相互垂直的三个截面，每个截面的圆度值都小于1μm时，此球体的球度合格，球度值为3个测量结果的平均值。最终形成成品球尺寸精度达到±3μ、椭圆度＜1μ、粗糙度达到Ra0.01。
通过多次烧结实验，其成品合格率如表1所示：
表1钛基硬质合金阀球加工成品率
直径(mm) 压制压力/时间 烧结温度/时间 返烧温度/时间 成品率
80 60MPa/1h 1400℃/2h 1200℃/2h ＞99.1％
100 60MPa/1h 1400℃/2h 1200℃/2h ＞97.8％
对于未达标硬质合金球产品，进行回收破碎处理，处理后粉末再次循环使用。
实施例2：
本实验需要加工一个直径为80mm的硬质合金阀球，采用镍基系列配方，包括：WC：83％，羟基镍粉：8％；晶粒抑制剂：7％；增强剂：1％，剩下的为不可避免的杂质，放入搅拌器中进行匀速搅拌，搅拌转速为1000r/min，搅拌时间5分钟，温度控制在22℃到25℃之间；
完成搅拌后，将搅拌原料送入静压机中，放置于内置的钢架上进行压制，压制所设定压力为155MPa，静压时间为4分钟。
将压制好的采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结，真空烧结能够更好地排除烧结体中Si、Ca等氧化物杂质，从而提高硬质合金的纯度，同时真空下气相的渗碳、脱碳作用大大减少，易于保证最终合金的碳含量，控制合金的组织结在真空炉中提供～0.3Pa的负压值，再将炉内温度从常温按照50℃/min的速度加温至1100℃后，降低升温速度，最终达到1410℃，保持恒温120分钟。
将真空烧结后的阀球送入加压炉，对其进行加压返烧，对炉内提供5～10Mpa的压力，加压返烧的温度为1300℃。按照普通的烧结工艺，会出现孔洞、渗碳等缺陷。在此采用多次烧结，解决了烧结的质量缺陷，进一步消除真空烧结残余的部分孔隙。
由于本套工艺加工球体直径较大，如果采用普通的行星式碾磨法，造成的误差较大；因此，在研磨前，根据待磨球体80mm直径的规格，采用成型刀具对偏心圆弧槽进行精加工，加工精度为±3μm，保证球体与研磨槽尺寸吻合；磨球工序分为粗磨、精磨，粗研、精研、抛光，前4步的加工工艺各自的研磨速率为0.8μm/h、0.12μm/h、0.05μm/h，研磨过程中需要抛光过程使用Fe2O3抛光液对球体进行抛光；每道工序开始前要对装置进行彻底冲洗和制作合适的研磨盘，研磨球度小于1μm，粗糙度达到小于等于Ra0.01。
对球体精研后，采用数显千分尺进行测量，待测球体先后对空间相互垂直的三个截面，每个截面的圆度值都小于1μm时，此球体的球度合格，球度值为3个测量结果的平均值。最终形成成品球尺寸精度达到±3μ、椭圆度＜1μ、粗糙度达到Ra0.01。
实施例3：
本实验需要加工一个直径为90mm的硬质合金阀球，采用钴基系列配方，包括：WC：59％，Ni为12％，Co为30％，剩下的为不可避免的杂质，放入搅拌器中进行匀速搅拌，搅拌转速为800r/min，搅拌时间5分钟，温度控制在22℃到25℃之间；
完成搅拌后，将搅拌原料送入静压机中，放置于内置的钢架上进行压制，压制所设定压力为145MPa，静压时间为3分钟。
将压制好的采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结，真空烧结能够更好地排除烧结体中Si、Ca等氧化物杂质，从而提高硬质合金的纯度，同时真空下气相的渗碳、脱碳作用大大减少，易于保证最终合金的碳含量，控制合金的组织结在真空炉中提供～0.3Pa的负压值，再将炉内温度从常温按照50℃/min的速度加温至1100℃后，降低升温速度，最终达到1400℃，保持恒温120分钟。
将真空烧结后的阀球送入加压炉，对其进行加压返烧，对炉内提供5Mpa的压力，加压返烧的温度为1300℃。按照普通的烧结工艺，会出现孔洞、渗碳等缺陷。在此采用多次烧结，解决了烧结的质量缺陷，进一步消除真空烧结残余的部分孔隙。
由于本套工艺加工球体直径较大，如果采用普通的行星式碾磨法，造成的误差较大；因此，在研磨前，根据待磨球体80mm直径的规格，采用成型刀具对偏心圆弧槽进行精加工，加工精度为±3μm，保证球体与研磨槽尺寸吻合；磨球工序分为粗磨、精磨，粗研、精研、抛光，前4步的加工工艺各自的研磨速率为0.8μm/h、0.12μm/h、0.05μm/h，研磨过程中需要抛光过程使用Fe2O3抛光液对球体进行抛光；每道工序开始前要对装置进行彻底冲洗和制作合适的研磨盘，研磨球度小于1μm，粗糙度达到小于等于Ra0.01。
对球体精研后，采用数显千分尺进行测量，待测球体先后对空间相互垂直的三个截面，每个截面的圆度值都小于1μm时，此球体的球度合格，球度值为3个测量结果的平均值。最终形成成品球尺寸精度达到±3μ、椭圆度＜1μ、粗糙度达到Ra0.01。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种以上大规格硬质合金阀球生产工艺，其特征在于，包括步骤如下：
(1)按照配方所需的比例，配置混合料；
(2)将混合料注入上、下半球模组装成球模，密封后送入静压机中，压制出阀球初步形状，调整球模压制角度，多次压制成型；
(3)采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结；
(4)在压力烧结炉内进行加压返烧；
(5)在研磨机上研磨制作成品球；
(6)检测成品球参数，确定合格后完成加工，不合格产品进行破碎回收处理；
步骤1中所用的配方分为钛基系列配方、镍基系列配方和钴基系列配方，其中，
钛基系列配方包括：TiC：80～83％，粘结剂：5～6％；晶粒抑制剂：7～8％；增强剂：1％；增韧剂：1％，剩下的为不可避免的杂质；
镍基系列配方包括：WC：78～84％，羟基镍粉：8～10％；晶粒抑制剂：7～8％；增强剂：1～2％，剩下的为不可避免的杂质；
钴基系列配方包括：WC：50～63％，Ni为10～22％，Co为20％～30％，剩下的为不可避免的杂质；
步骤2中倒入混合料后，对球模进行均匀震动和正反旋转，保证混合料在球模内部分布均匀；
步骤2中，将球模送入静压机中，安放于钢支架上，进行加压压实，加压压力为145～155MPa的高压；压制时间为3～4.5分钟；压制完成后泄压；
步骤3中，采用真空烧结工艺对压制成型后的阀球进行烧结，在真空炉中提供一定负压值，再将炉内温度从常温迅速加温至1100℃后，降低升温速度，最终达到1400±10℃，保持恒温120分钟；
步骤4中，将真空烧结后的阀球送入加压炉，对其进行加压返烧，对炉内提供5～10Mpa的压力，加压返烧的温度为1200～1300℃；
步骤5中，由于本套工艺加工球体直径较大，不适宜普通的磨盘碾磨法；因此，在研磨前，根据待磨球体的规格，采用成型刀具对偏心圆弧槽进行精加工，加工精度为±3μm，保证球体与研磨槽尺寸吻合；磨球工序分为粗磨、精磨，粗研、精研、抛光；每道工序开始前要对装置进行彻底冲洗和制作合适的研磨盘，研磨过程中抛光过程使用Fe2O3抛光液对球体进行抛光，研磨球度小于1μm，粗糙度达到小于等于Ra0.01；
步骤6中，精研后，采用数显千分尺进行测量，在球面上取至少18个点，球度测量精度可控制在2μm的范围内；抛光后，采用高精度圆度仪进行测量；每批待检硬质合金球体采用棉纱蘸取酒精擦拭清理干净，并在恒定室温环境下放置3h，球体温度与测量环境温度一致后进行测量；待测球体先后对空间相互垂直的三个截面，每个截面的圆度值都小于1μm时，此球体的球度合格，球度值为3个测量结果的平均值。
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