CN107043883B - 一种表面自润滑硬质合金的原位制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面自润滑硬质合金的原位制备方法，其特征是先在550～750℃下保温2～4h形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的硬质合金生坯；然后将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚粒度为30~50nm的纳米石墨两种物质按重量百分比1:2混合配制出含氢渗碳介质；再将生坯埋入含氢渗碳介质中的并在5~15MPa压力下紧实；最后进行液相烧结，基于碳迁移实现表面自润滑硬质合金原位制备。本发明克服了现有工艺存在的晶粒长大严重、渗碳时间长、效率低的问题，在烧结过程中实现表面自润滑硬质合金原位制备。

Description

一种表面自润滑硬质合金的原位制备方法
技术领域
本发明涉及一种硬质合金的制备方法，特别涉及一种表面自润滑硬质合金的原位制备方法，属于硬质材料领域。
背景技术
硬质合金号称工业的“牙齿”，自1923年问世以来，迄今已有80多年的历史。80多年来，硬质合金作为一种高效工具材料和结构材料，应用领域不断拓展，对世界工业发展和科学技术进步起了重要的推动作用，其市场容量也因此不断扩大。为了提高其摩擦磨损性能，可以在表面进行渗碳处理使其表面富石墨相，获得好的减摩效果。
CN104404283A涉及一种直接添加难熔金属制备梯度硬质合金的方法，将含有难熔元素的贫碳硬质合金粉末压制成形后，真空烧结，得到贫碳预烧结基体后，在氢气气氛中于1400～1460℃进行渗碳处理40～240分钟，碳源选自致密结晶状石墨、鳞片状石墨、隐晶质石墨中的至少一种得到梯度硬质合金。CN1526847A公开了一种硬质合金制品的渗碳处理方法，其特征在于该方法包括：A.配制渗碳剂：按重量百分比计，将Al2O3细粉30～50wt％、石墨粒 10～30wt%及碳酸盐或/和碳酸氢盐30～50wt%投入搅拌器内，搅拌混合均匀后待用。 B.装舟：将配制好的渗碳剂按要求量装入石墨舟皿中，同时将按常规方法生产的金相组织均匀且机械性能一致的硬质合金烧结体埋于渗碳剂内。C.渗碳处理：将上述装好的石墨舟皿送入热处理炉内，在1390～1450 ℃温度范围内渗碳处理50～120min；冷却后即得目的物。
但是，上述方法是硬质合金烧结完成后再进行渗碳处理，渗碳时间长效率不高且硬质合金材料容易出现晶粒长大。因此，寻找简单可靠的渗碳技术以制备出表面自润滑硬质合金十分必要。
发明内容
本发明针对目前制备表面自润滑硬质合金时，“烧结+渗碳”工艺存在的晶粒长大严重、渗碳时间长、效率低的问题，提出先将硬质合金压坯脱除成型剂使其形成多孔生坯，再将无定形Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末、纳米石墨混合行星球磨时均匀混合形成含氢渗碳介质，然后将多孔生坯放入渗碳介质中并进行紧实，最后进行液相烧结时原位形成表面自润滑硬质合金。
本发明的一种表面自润滑硬质合金的原位制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）脱成型剂硬质合金生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Co占3～20wt%，TiC占0～30wt%，TaC占0～15wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂、压制成型得到硬质合金生坯；硬质合金生坯在真空烧结炉中550～750℃保温2～4h，真空度为10～25Pa, 形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的硬质合金生坯；
（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.5~1.5μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行20~40min的超声分散处理，并在80~100℃和真空度为10～20Pa条件下真空干燥1h；再以去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.1～0.8mol/L加入AlCl3，按AlCl3浓度的8倍加入经过超声分散的TiH2粉末，并用CH3COOH调节pH值到3～6, 然后在磁力搅拌器中60～80℃下搅拌8～24h，并在120~150℃下干燥1～3h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为30~50nm的纳米石墨混合，两种物质按重量百分比1:2混合，并在行星球磨机中球磨1~2h，制成含氢渗碳介质；
（3）生坯在含氢渗碳介质中的装填：先将含氢渗碳介质装入石墨坩埚中，再将脱除成型剂的硬质合金生坯埋入；含氢渗碳介质与脱成型剂硬质合金生坯的重量比为5:1，并确保脱成型剂硬质合金生坯周围的含氢渗碳介质厚度大于5mm；然后在5~15MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的40~60%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）表面自润滑硬质合金制备：在真空烧结炉中1350～1500℃保温1～3h，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成400~750μm厚的自润滑层，最终实现表面自润滑硬质合金原位制备。
本发明的表面自润滑硬质合金的原位制备方法，其进一步的特征在于：
（1）硬质合金生坯制备时球磨时间为24～72h，过滤采用400目筛网，干燥在85～100℃进行，按硬质合金粉末重量的50～120%掺入丁钠橡胶成型剂，在300～400MPa压力下压制成型；硬质合金生坯脱除成型剂时，升温速度为1～5℃/min；
（2）含氢渗碳介质配制时，超声处理时超声波的频率为4×104Hz,功率为100W，配制溶液使用的溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为1:10，制备Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末时，磁力搅拌的速度为20～50r/min，核/壳结构粉末、石墨混合行星球磨时，转速为300r/min;
（3）生坯在渗碳介质中装填时所用的石墨坩埚的石墨材质抗折强度大于20MPa；
（4）表面自润滑硬质合金原位制备时，先以5～10℃/min升温到550～750℃并保温1～2h；然后以5～10℃/min升温到1100～1250℃并保温1～3h；再以5～10℃/min升温到1350～1500℃并保温1～3h，烧结真空度为1～5Pa；烧结结束后的降温速度为1～8℃/min。
本发明的优点在于：（1）以多孔生坯作为渗碳基体，在烧结过程中原位实现表面渗碳，这与传统的先烧结再渗碳相比工艺更简洁，且不会存在晶粒二次长大的问题；（2）渗碳剂中引入金属氢化物TiH2，在烧结过程中分解出H2并与纳米石墨发生C+2H2=CH4，CH4=[C]+H2，形成的活性炭原子进入金属中实现渗碳；Al2O3包覆在TiH2表面可控制H2释放速率，避免快速耗尽；（3）生坯脱除成型剂后形成的多孔生坯具有巨大的表面积，有利于活性炭原子的吸附和渗碳效率的提高；（4）提出通过控制渗碳介质的紧实度来确保渗碳介质与硬质合金之间的接触，提高渗碳效率；（5）采用纳米石墨为碳源，其粒度小反应活性更大，渗碳效率高。
附图说明
图1本发明的表面自润滑硬质合金的原位制备方法的工艺示意图。
具体实施方式
实例1：按以下步骤原位制备表面自润滑硬质合金：
（1）脱成型剂硬质合金生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Co占20wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过48h球磨，400目筛网过滤，86℃干燥，按硬质合金粉末重量的90%掺入丁钠橡胶成型剂，在340MPa压力下压制成型得到硬质合金生坯；硬质合金生坯在真空烧结炉中570℃保温3h，升温速度为2℃/min，真空度为21Pa, 形成孔隙度为27%的脱除成型剂的硬质合金生坯；
（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.6μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行29min的超声分散处理，超声波的频率为4×104Hz,功率为100W；并在89℃和真空度为12Pa条件下真空干燥1h；再以体积比为1:10的去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.3mol/L加入聚碳硅烷，按2.4mol/L加入经过超声分散的TiH2粉末，并用CH3COOH调节pH值到3, 然后在磁力搅拌器中69℃下搅拌9h，磁力搅拌的速度为28r/min，并在134℃下干燥1h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为35nm的纳米石墨混合，两种物质按重量百分比1:2混合，并在行星球磨机中球磨1h，球磨转速为300r/min，制成含氢渗碳介质；
（3）生坯在含氢渗碳介质中的装填：先将含氢渗碳介质装入石墨坩埚中，石墨坩埚的石墨材质抗折强度大于20MPa，再将脱除成型剂的硬质合金生坯埋入；含氢渗碳介质与脱成型剂硬质合金生坯的重量比为5:1，并确保脱成型剂硬质合金生坯周围的含氢渗碳介质厚度大于5mm；然后在7MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的49%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）表面自润滑硬质合金原位制备：先以7℃/min升温到675℃并保温1h；然后以6℃/min升温到1220℃并保温1h；再以6℃/min升温到1400℃并保温2h，烧结真空度为3Pa；烧结结束后的降温速度为7℃/min，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成550μm厚的自润滑层，最终实现表面自润滑硬质合金原位制备。
实例2：按以下步骤原位制备表面自润滑硬质合金：
（1）脱成型剂硬质合金生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Co占8wt%，TiC占5wt%，TaC占1wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过60h球磨，400目筛网过滤，92℃干燥，按硬质合金粉末重量的95%掺入丁钠橡胶成型剂，在310MPa压力下压制成型得到硬质合金生坯；硬质合金生坯在真空烧结炉中640℃保温3h，升温速度为5℃/min，真空度为20Pa, 形成孔隙度为35%的脱除成型剂的硬质合金生坯；
（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为1.5μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行30min的超声分散处理，超声波的频率为4×104Hz,功率为100W；并在95℃和真空度为14Pa条件下真空干燥1h；再以体积比为1:10的去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.6mol/L加入聚碳硅烷，按4.8mol/L加入经过超声分散的TiH2粉末，并用CH3COOH调节pH值到6, 然后在磁力搅拌器中80℃下搅拌14h，磁力搅拌的速度为40r/min，并在140℃下干燥3h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为40nm的纳米石墨混合，两种物质按重量百分比1:2混合，并在行星球磨机中球磨2h，球磨转速为300r/min，制成含氢渗碳介质；
（3）生坯在含氢渗碳介质中的装填：先将含氢渗碳介质装入石墨坩埚中，石墨坩埚的石墨材质抗折强度大于20MPa，再将脱除成型剂的硬质合金生坯埋入；含氢渗碳介质与脱成型剂硬质合金生坯的重量比为5:1，并确保脱成型剂硬质合金生坯周围的含氢渗碳介质厚度大于5mm；然后在12MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的40%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）表面自润滑硬质合金原位制备：先以6℃/min升温到710℃并保温2h；然后以10℃/min升温到1250℃并保温1h；再以5℃/min升温到1420℃并保温2h，烧结真空度为3Pa；烧结结束后的降温速度为6℃/min，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成700μm厚的自润滑层，最终实现表面自润滑硬质合金原位制备。

Claims (2)

1.一种表面自润滑硬质合金的原位制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）脱成型剂硬质合金生坯制备：按重量百分比称取各种原料粉末配料，其中Co占3～20wt%，TiC占0～30wt%，TaC占0～15wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过球磨、过滤、干燥、掺成型剂、压制成型得到硬质合金生坯；硬质合金生坯在真空烧结炉中550～750℃保温2～4h，真空度为10～25Pa, 形成孔隙度为25%～40%的脱除成型剂的硬质合金生坯；
（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.5~1.5μm的TiH2粉末加入到无水乙醇中形成TiH2占35wt%的混合液，然后进行20~40min的超声分散处理，并在80~100℃和真空度为10～20Pa条件下真空干燥1h；再以去离子水和无水乙醇混合液为溶剂配制溶液，按浓度为0.1～0.8mol/L加入AlCl3，按AlCl3浓度的8倍加入经过超声分散的TiH2 粉末，并用CH3COOH调节pH值到3～6, 然后在磁力搅拌器中60～80℃下搅拌8～24h，并在120~150
℃下干燥1～3h，得到Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为30~50nm的纳米石墨混合，两种物质按重量百分比1:2混合，并在行星球磨机中球磨1~2h，制成含氢渗碳介质；
（3）生坯在含氢渗碳介质中的装填：先将含氢渗碳介质装入石墨坩埚中，再将脱除成型剂的硬质合金生坯埋入；含氢渗碳介质与脱成型剂硬质合金生坯的重量比为5:1，并确保脱成型剂硬质合金生坯周围的含氢渗碳介质厚度大于5mm；然后在5~15MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的40~60%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）表面自润滑硬质合金制备：在真空烧结炉中1350～1500℃保温1～3h，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成400~750μm厚的自润滑层，最终实现表面自润滑硬质合金原位制备。
2.根据权利要求1所述的表面自润滑硬质合金的原位制备方法，其进一步的特征在于：
（1）硬质合金生坯制备时球磨时间为24～72h，过滤采用400目筛网，干燥在85～100℃进行，按硬质合金粉末重量的50～120%掺入丁钠橡胶成型剂，在300～400MPa压力下压制成型；硬质合金生坯脱除成型剂时，升温速度为1～5℃/min；
（2）含氢渗碳介质配制时，超声处理时超声波的频率为4×104Hz,功率为100W，配制溶液使用的溶剂中去离子水与无水乙醇的体积比为1:10，制备Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末时，磁力搅拌的速度为20～50r/min，核/壳结构粉末、石墨混合行星球磨时，转速为300r/min；
（3）生坯在渗碳介质中装填时所用的石墨坩埚的石墨材质抗折强度大于20MPa；
（4）表面自润滑硬质合金原位制备时，先以5～10℃/min升温到550～750℃并保温1～2h；然后以5～10℃/min升温到1100～1250℃并保温1～3h；再以5～10℃/min升温到1350～1500℃并保温1～3h，烧结真空度为1～5Pa；烧结结束后的降温速度为1～8℃/min。
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