CN107142408B - 一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法 - Google Patents

一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法，其特征是先在550～700℃保温1～2h，形成含碳化物形成元素的硬质合金坯体；然后将SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为30~50nm的纳米石墨，Na2CO3三种物质按重量百分比2:3:1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，制备出具有表面渗碳层的硬质合金制备。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，在烧结过程中实现具有表面渗碳层的硬质合金制备。

Description

一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法
技术领域
本发明涉及一种硬质合金制备方法，特别涉及一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法，属于硬质材料领域。
背景技术
硬质合金由于其高硬度、高耐磨性，被广泛用作制造业中的切削工具材料。然而，常规硬质合金的耐磨性和韧性通常相互制约，即提高耐磨性通常以牺牲韧性为代价，反之亦然。这种耐磨性和韧性之间的相互制约性限制了硬质合金的
更广泛应用。然而，如果能制备具有表面渗碳层的硬质合金，就可以解决其表层和芯部的力学性能矛盾问题，实现表面自润滑，提高其表面摩擦磨损性能。
CN104493161A公开了一种硬质合金在真空烧结炉中渗碳的方法，包括以下步骤：a.将每件硬质合金脱碳制品单件放入存有渗碳混合料的包套中，硬质合金脱碳制品被渗碳混合料包覆，系紧包套袋口后，放入冷等静压机中通过压制工艺进行压制，形成压坯块；b.去除压坯块表面的包套，再将压坯块放入真空烧结炉中进行渗碳烧结；c.渗碳烧结完成后，去除包覆在硬质合金脱碳制品表面的渗碳混合料包覆物；d.在去除硬质合金脱碳制品表面的渗碳混合料包覆物后，对硬质合金脱碳制品进行喷砂处理，去除的渗碳混合料作均匀化处理后另存保管。CN105252239A涉及一种梯度硬质合金刀具的制备方法，其中所述的方法包括下述步骤：(a)制备整体不含η相的贫碳硬质合金基体；(b)将所得贫碳硬质合金基体磨削加工成刀具；(c)对所得刀具进行气体渗碳表面处理，富碳气氛为甲烷体积百分浓度为0.8～2.5vol％的甲烷和氢气混合气体；(d)对所得渗碳处理刀具精磨，即得到表面贫Co的梯度硬质合金刀具。
但是，上述方法是在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十分必要。
发明内容
本发明针对目前制备具有表面渗碳层的硬质合金时，“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，提出先将制备含碳化物形成元素的硬质合金坯体，再将SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末、纳米石墨、Na2CO3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实现具有表面渗碳层的硬质合金制备。
本发明的一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）含碳化物形成元素的硬质合金坯体制备：称取各种原料粉末配料，按重量百分比Co占3～20wt%，Mo占0～5wt%, W占1～5wt%，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升温到550～700℃，升温速度为1～5℃/min，真空度为5～15Pa, 并保温1～2h，形成含碳化物形成元素的硬质合金坯体；
（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加入正硅酸乙酯，按正硅酸乙酯浓度的7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SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为30~50nm的纳米石墨，Na2CO3三种物质按重量百分比2:3:1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）具有表面渗碳层的硬质合金制备：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350~600μm厚的表面渗碳层，最终制备出具有表面渗碳层的硬质合金。
本发明的具有表面渗碳层的硬质合金制备方法，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SiO2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、纳米石墨，Na2CO3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）具有表面渗碳层的硬质合金制备时，先以5～10℃/min升温到550～700℃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）以含碳化物形成元素的硬质合金坯体作渗碳基体，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；SiO2包覆在TiH2表面可控制H2释放速率，避免快速耗尽；（3）渗碳基体中的碳化物形成元素在烧结过程中与碳元素反应形成碳化物，能够促使活性炭原子从渗碳介质向硬质合金基体表面扩散，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本发明的具有表面渗碳层的硬质合金制备方法的工艺示意图。
具体实施方式
实例1： 按以下步骤实现有表面渗碳层的硬质合金制备：
（1）含碳化物形成元素的硬质合金坯体制备：称取各种原料粉末配料，按重量百分比Co占4wt%，W占1wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过28h球磨、400目筛网过滤、85℃干燥、按硬质合金粉末重量的60%掺入丁钠橡胶成型剂、在300MPa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升温到590℃，升温速度为2℃/min，真空度为6Pa,并保温1h，形成含碳化物形成元素的硬质合金坯体；
（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为0.8μm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20min的超声分散处理，超声波的频率为4×104Hz,功率为100W；并在82℃和真空度为11Pa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0.1mol/L加入正硅酸乙酯，按0.7mol/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65℃下搅拌10h，磁力搅拌的速度为22r/min，并在123℃下干燥1h，得到SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为32nm的纳米石墨，Na2CO3三种物质按重量百分比2:3:1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8MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的42%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）有表面渗碳层的硬质合金制备：先以6℃/min升温到700℃并保温1h；然后以6℃/min升温到1220℃并保温2h；再以7℃/min升温到1480℃并保温2h，烧结真空度为2Pa；烧结结束后的降温速度为3℃/min，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成550μm厚的表面渗碳层，最终实现有表面渗碳层的硬质合金制备。
实例2：按以下步骤实现有表面渗碳层的硬质合金制备：
（1）含碳化物形成元素的硬质合金坯体制备：称取各种原料粉末配料，按重量百分比Co占20wt%，Mo占2wt%, W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、100℃干燥、按硬质合金粉末重量的110%掺入丁钠橡胶成型剂、在400MPa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升温到600℃，升温速度为2℃/min，真空度为10Pa, 并保温1h，形成含碳化物形成元素的硬质合金坯体；
（2）含氢渗碳介质配制：先称取粒度为1.3μm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90℃和真空度为18Pa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0.7mol/L加入正硅酸乙酯，按4.9mol/L加入经过超声分散的TiH2粉末，并用CH3COOH调节pH值到5, 然后在磁力搅拌器中70℃下搅拌22h，磁力搅拌的速度为40r/min，并在140℃下干燥2h，得到SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为40nm的纳米石墨，Na2CO3三种物质按重量百分比2:3:1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13MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的54%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）有表面渗碳层的硬质合金制备：先以7℃/min升温到650℃并保温1h；然后以9℃/min升温到1150℃并保温2h；再以8℃/min升温到1390℃并保温2h，烧结真空度为4Pa；烧结结束后的降温速度为5℃/min，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成400μm厚的表面渗碳层，最终实现有表面渗碳层的硬质合金制备。

Claims (2)

1.一种具有表面渗碳层的硬质合金制备方法，其特征在于依次包含以下步骤：
（1）含碳化物形成元素的硬质合金坯体制备：称取各种原料粉末配料，按重量百分比Co占3～20wt%，Mo占0～5wt%, W占1～5wt%，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升温到550～700℃，升温速度为1～5℃/min，真空度为5～15Pa, 并保温1～2h，形成含碳化物形成元素的硬质合金坯体；
（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加入正硅酸乙酯，按正硅酸乙酯浓度的7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SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将SiO2包覆TiH2的核/壳结构粉末，粒度为30~50nm的纳米石墨，Na2CO3三种物质按重量百分比2:3:1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）具有表面渗碳层的硬质合金制备：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350~600μm厚的表面渗碳层，最终制备出具有表面渗碳层的硬质合金。
2.根据权利要求1所述的具有表面渗碳层的硬质合金制备方法，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SiO2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、纳米石墨，Na2CO3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）具有表面渗碳层的硬质合金制备时，先以5～10℃/min升温到550～700℃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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