CN107142445B - 一种硬质合金表面渗碳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬质合金表面渗碳方法，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Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯两种物质按重量百分比2：3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，实现硬质合金表面渗碳。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，在烧结过程中实现硬质合金表面渗碳。

Description

一种硬质合金表面渗碳方法
技术领域
本发明涉及一种表面处理方法，特别涉及一种硬质合金表面渗碳方法，属于表面工程领域。
背景技术
硬质合金具有高硬度、高耐磨性、耐高温,同时还具有高强度、高弹性模量和极好的化学稳定性,在现代材料工业中占有极其重要的地位。为了进一步提高其摩擦磨损性能，通常在其表面进行渗碳处理。
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。CN102002664A公开了一种梯度结构硬质合金的制备方法，先通过表面氧化的方法使硬质合金表面一定深度内脱碳得到梯度合金前驱体，即把标准硬质合金埋在一定比例的Mg(OH)2和Al2O3的混合填料内于氢气气氛中加热到1420-1450℃高温热处理一定时间，并在氢气保护环境中冷却，使合金一定深度范围内局部脱碳生成η相，再把脱碳的样品在石墨中进行固体渗碳处理，处理温度为1420-1450℃，从而得到粘结相呈梯度的梯度结构硬质合金。
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
本发明针对目前硬质合金表面渗碳处理时，“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Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末、石墨烯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硬质合金表面渗碳。
本发明的一种硬质合金表面渗碳方法，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AlCl3，按AlCl3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Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯混合，两种物质按重量百分比2:3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）硬质合金表面渗碳：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300~550μm厚的表面渗碳层，最终实现表硬质合金表面渗碳。
本发明的硬质合金表面渗碳方法，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；
（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、石墨烯混合行星球磨时，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）硬质合金表面渗碳时，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并与石墨烯发生C+2H2=CH4，CH4=[C]+H2，形成的活性碳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）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，能够促使活性碳原子从渗碳介质向硬质合金基体表面扩散，有利于活性碳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）采用石墨烯为碳源，其粒度小反应活性更大，渗碳效率高。
附图说明
图1本发明的硬质合金表面渗碳方法的工艺示意图 。
具体实施方式
实例1：按以下步骤实现硬质合金表面渗碳：
（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3wt%，W占1wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过40h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320MPa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580℃，升温速度为2℃/min，真空度为8Pa,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0.6μm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25min的超声分散处理，超声波的频率为4×104Hz,功率为100W；并在85℃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0.2mol/L加入AlCl3，按1.4mol/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65℃下搅拌10h，磁力搅拌的速度为25r/min，并在125℃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，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯混合，两种物质按重量百分比2:3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6MPa压力下紧实含氢渗碳介质，使其体积缩小到松装状态的45%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）硬质合金表面渗碳：先以6℃/min升温到580℃并保温1h；然后以6℃/min升温到1150℃并保温1h；再以6℃/min升温到1480℃并保温1h，烧结真空度为2Pa；烧结结束后的降温速度为2℃/min，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成350μm厚的表面渗碳层，最终实现表面硬质合金表面渗碳。
实例2： 按以下步骤实现硬质合金表面渗碳：
（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2wt%，WC为余量；将称取的粉末混合并经过62h球磨、400目筛网过滤、90℃干燥、按硬质合金粉末重量的110%掺入丁钠橡胶成型剂、在370MPa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670℃，升温速度为4℃/min，真空度为10Pa, 并保温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1.2μm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35min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20Pa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AlCl3，按4.2mol/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80℃下搅拌20h，磁力搅拌的速度为47r/min，并在140℃下干燥2h，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，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯混合，两种物质按重量百分比2:3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55%；用带螺纹的盖子密封石墨坩埚，防止渗碳介质逸出；
（4）硬质合金表面渗碳：先以8℃/min升温到620℃并保温2h；然后以7℃/min升温到1200℃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6℃/min，碳元素由含氢渗碳介质向硬质合金表面扩散，形成350μm厚的表面渗碳层，最终实现表面硬质合金表面渗碳。

Claims (2)

1.一种硬质合金表面渗碳方法，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AlCl3，按AlCl3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Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末；再将Al2O3包覆TiH2的核/壳结构粉末，厚度小于3nm、层数小于3层且比表面积大于250m2/g的石墨烯混合，两种物质按重量百分比2:3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）硬质合金表面渗碳：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300~550μm厚的表面渗碳层，最终实现表硬质合金表面渗碳。
2.根据权利要求1所述的一种硬质合金表面渗碳方法，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；
（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、石墨烯混合行星球磨时，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）硬质合金表面渗碳时，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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CN1526847A (zh) * 2003-09-24 2004-09-08 自贡硬质合金有限责任公司 机械性能呈梯度分布的硬质合金渗碳处理方法
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CN105316514A (zh) * 2015-10-26 2016-02-10 昆明理工大学 一种氢化钛的表面处理方法
CN105331868A (zh) * 2015-11-10 2016-02-17 中南大学 一种梯度结构WC-Co硬质合金的制备方法

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