CN107955929A - 高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，解决现有技术中因溢钴现象导致的涂层品质和成品率降低的问题。本发明的方法将渗硼粉料与所述模具的坯料在高温条件下反应，硼原子由所述坯料的表面渗入并形成过渡层，对所述坯料中的深层钴进行封闭。本发明方法简单，操作简便，能有效地将深层钴封闭在低钴表面以下，为金刚石的形核、附着和生长提供一个有利环境，提高高钴硬质合金模具的涂层品质和成品率。

Description

高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法

技术领域

本发明属于拉丝模生产技术领域，具体涉及高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法。

背景技术

作为线材拉拔的必要生产资料，拉丝模的耐用性与经济性左右着企业的经济效益。主流拉丝模有三种类型，第一种是普通硬质合金拉丝模，硬质合金坯料经修模、抛光、镶套后成为成品供拉丝使用，这种拉丝模成本低廉、生产周期短，但寿命低性价比低，小型拉丝企业使用较多；第二种为金刚石复合涂层拉丝模，该类型拉丝模为在硬质合金表面沉积一层纳米级别的金刚石-石墨复合涂层，再经过抛光、镶套成为成品使用，复合涂层模具具有寿命长(达到硬质合金5-10倍)、性价比高的优点，但单价比普通硬质合金拉丝模贵数倍，生产周期也相对较长，大型拉丝模厂使用多；第三种为聚晶模，也称钻石模，聚晶模模芯是以硅或钴为粘结剂将人造金刚石在高温下烧结而成，其耐磨性能达到硬质合金10-30倍。聚晶模耐磨性高寿命长，耐高温性好不易烧毁，但是价格昂贵，普及率不高，主要用在微丝的拉拔上。

在硬质合金生产过程中，钴作为粘结剂将碳化钨颗粒粘结在一起，钴在拉丝模涂层过程中对金刚石的生长具有很强的毒副作用，钴会催化金刚石相形成石墨相，被称为“毒瘤”，所以涂层前的预处理会对拉丝模表面进行脱钴处理，脱钴处理工作做到位，拉丝模表面钴含量达到一个允许的低值时，金刚石才能在表面正常生长，形成致密高纯度的金刚石膜。但是，脱钴深度有限，平均在10-20μm左右，同时涂层过程中硬质合金温度达到上千度，这会让深处高钴区域的钴原子向贫钴表面迁移，形成溢钴现象，溢钴现象的发生将大大降低涂层的品质与成品率。

因此，提供高钴硬质合金模具的表面改性方法，将深层钴封闭在低钴表面以下，为金刚石的形核、附着和生长提供一个有利环境，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，解决现有技术中因溢钴现象导致的涂层品质和成品率降低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，将渗硼粉料与所述模具的坯料在高温条件下反应，硼原子由所述坯料的表面渗入并形成过渡层，对所述坯料中的深层钴进行封闭。

进一步地，所述渗硼粉料由以下重量份的原料组成：四硼酸钠10-13份，氟硼酸钾15-20份，活性炭粉40-50份，碳化硅粉20-25份，金刚石微粉1-5份。

进一步地，所述渗硼粉料由以下重量份的原料组成：四硼酸钠11份，氟硼酸钾18份，活性炭粉45份，碳化硅粉23份，金刚石微粉3份。

进一步地，所述活性炭粉的粒度为5000目，所述碳化硅粉的粒度为2000目。

进一步地，所述四硼酸钠、氟硼酸钾的粒度均不得大于500目。

进一步地，所述金刚石微粉为W0.5金刚石微粉。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备渗硼粉料：按比例称取渗硼粉料的各原料，混合均匀；

步骤2：将所述坯料置于洁净石墨盘中，将配制好的渗硼粉料均匀撒满所述石墨盘，使渗硼粉料填满所述石墨盘，将所述坯料包覆；

步骤3：将经步骤2处理的石墨盘送入高温真空反应炉中，在一定的温度和压力下反应后，自然冷却至常温后取出，清洁所述模具坯料。

进一步地，步骤2中，先将所述洁净石墨烘烤去除水分后再放入所述坯料。

进一步地，步骤3中，将经步骤2处理的石墨盘送入高温真空反应炉后，关闭炉门，抽真空至极限压力后，再加热至预定温度，在氢气保护气氛中保温反应。

进一步地，步骤3中，抽真空至极限压力后继续抽30分钟，停止抽真空后，再加热至1400-1600℃，然后在氢气保护气氛中保温反应4-6小时，所述氢气的流量为400-600scm，压力维持在2800-3200Pa。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明方法简单，操作简便，能有效地将深层钴封闭在低钴表面以下，为金刚石的形核、附着和生长提供一个有利环境，提高高钴硬质合金模具的涂层品质和成品率。

本发明的方法中四硼酸钠和氟硼酸钾为反应提供硼元素，活性炭粉和碳化硅粉为反应提供碳元素，避免反应过程中WC发生置换反应后生成其它产物，金刚石微粉为辅助掺杂物，能在硬质合金表面渗入微量金刚石晶粒，为涂层中金刚石形核提供形核点位，提高形核密度。

采用本发明方法能使硼原子的渗透深度达到5μm，能对深层钴进行良好封闭。将采用本发明方法表面改性后的模具与未处理的模具同时送入沉积炉进行CVD涂层，成品率对比结果显示，经本发明方法处理后的模具平均成品率比未处理的模具成品率高8.5％左右。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

本实施例提供了本发明的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，具体包括以下步骤：

步骤1：制备渗硼粉料：按照如下重量份称取各原料：四硼酸钠(硼砂)11份，氟硼酸钾18份，5000目活性炭粉45份，2000目碳化硅粉23份，W0.5金刚石微粉3份，再混合均匀。四硼酸钠(硼砂)和氟硼酸钾的粒度至少能达到500目，渗硼粉料中各原料的纯度大于75％。

步骤2：取一洁净石墨盘，经烘烤后才能使用，目的是防止石墨吸收空气中潮气后对渗硼质量产生影响。

取拉丝模坯料20只，平放于石墨盘内，入口朝上，每只间隔5-10mm。将经步骤1配制成的渗硼粉料均匀撒满石墨盘，轻轻震动石墨盘，使渗硼粉料填满整个空间，不产生空隙。然后用压锤将渗硼粉料压实，包括拉丝模孔内也压实，以增大反应物接触面积，增大反应率。经压实后的石墨盘不能再产生大幅度震动，以免产生新的间隙。

然后将石墨盘平稳送入高温真空反应炉，关闭炉门，抽真空至极限压力后继续抽30分钟，保证反应室内气体杂质尽可能低。抽真空结束后开始加热，温度设置为1500℃，保温时间设置为5小时，当温度达到1500℃后，向反应室内通入保护气体氢气，氢气的流量为500sccm，压力维持在3000Pa左右。保温时间结束后停止加热，自然冷却至常温后取出模具，清洁清洗。

本实施例中的高温真空反应炉加热温度能达到1600℃，温度漂移值低于20℃，并能维持温度并能24小时长时间运行，极限压力能达到5-10Pa。

实施例2

本实施例提供了本发明的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，具体包括以下步骤：

步骤1：制备渗硼粉料：按照如下重量份称取各原料：四硼酸钠(硼砂)13份，氟硼酸钾15份，5000目活性炭粉50份，2000目碳化硅粉20份，W0.5金刚石微粉1份，再混合均匀。四硼酸钠(硼砂)和氟硼酸钾的粒度至少能达到500目，渗硼粉料中各原料的纯度大于75％。

步骤2：取一洁净石墨盘，经烘烤后才能使用，目的是防止石墨吸收空气中潮气后对渗硼质量产生影响。

取拉丝模坯料20只，平放于石墨盘内，入口朝上，每只间隔5-10mm。将经步骤1配制成的渗硼粉料均匀撒满石墨盘，轻轻震动石墨盘，使渗硼粉料填满整个空间，不产生空隙。然后用压锤将渗硼粉料压实，包括拉丝模孔内也压实，以增大反应物接触面积，增大反应率。经压实后的石墨盘不能再产生大幅度震动，以免产生新的间隙。

然后将石墨盘平稳送入高温真空反应炉，关闭炉门，抽真空至极限压力后继续抽30分钟，保证反应室内气体杂质尽可能低。抽真空结束后开始加热，温度设置为1400℃，保温时间设置为4小时，当温度达到1400℃后，向反应室内通入保护气体氢气，氢气的流量为600sccm，压力维持在3200Pa左右。保温时间结束后停止加热，自然冷却至常温后取出模具，清洁清洗。

本实施例中的高温真空反应炉加热温度能达到1600℃，温度漂移值低于20℃，并能维持温度并能24小时长时间运行，极限压力能达到5-10Pa。

实施例3

本实施例提供了本发明的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，具体包括以下步骤：

步骤1：制备渗硼粉料：按照如下重量份称取各原料：四硼酸钠(硼砂)10份，氟硼酸钾20份，5000目活性炭粉40份，2000目碳化硅粉25份，W0.5金刚石微粉5份，再混合均匀。四硼酸钠(硼砂)和氟硼酸钾的粒度至少能达到500目，渗硼粉料中各原料的纯度大于75％。

步骤2：取一洁净石墨盘，经烘烤后才能使用，目的是防止石墨吸收空气中潮气后对渗硼质量产生影响。

取拉丝模坯料20只，平放于石墨盘内，入口朝上，每只间隔5-10mm。将经步骤1配制成的渗硼粉料均匀撒满石墨盘，轻轻震动石墨盘，使渗硼粉料填满整个空间，不产生空隙。然后用压锤将渗硼粉料压实，包括拉丝模孔内也压实，以增大反应物接触面积，增大反应率。经压实后的石墨盘不能再产生大幅度震动，以免产生新的间隙。

然后将石墨盘平稳送入高温真空反应炉，关闭炉门，抽真空至极限压力后继续抽30分钟，保证反应室内气体杂质尽可能低。抽真空结束后开始加热，温度设置为1600℃，保温时间设置为6小时，当温度达到1600℃后，向反应室内通入保护气体氢气，氢气的流量为400sccm，压力维持在2800Pa左右。保温时间结束后停止加热，自然冷却至常温后取出模具，清洁清洗。

本实施例中的高温真空反应炉加热温度能达到1600℃，温度漂移值低于20℃，并能维持温度并能24小时长时间运行，极限压力能达到5-10Pa。

实施例5

本实施例为对比例，与实施例1相比，本实施例未通入氢气保护反应，其余条件均相同。

实施例6

本实施例为对比例，与实施例1相比，本实施例的渗硼粉料中没有加入W0.5金刚石微粉，其余条件均相同。

实施例7

将经实施例1、实施例5、实施例6处理后的模具进行观察和检测。

通过观察，我们发现经实施例1和实施例5处理后模具表面有可见晶体产生，是镶嵌的金刚石微粒，但是实施例5中金刚石微粒没有实施例1致密。实施例6处理后模具表面没有晶体产生。

经SEM扫描电子显微镜检测后发现，经实施例1、实施例5、实施例6处理后的模具表面均镶嵌入微量的硼原子。

将模具敲碎，经SEM扫描电子显微镜扫描断层后发现，经实施例1处理后的模具表层以下5μm处也发现有硼原子，说明硼原子的渗透深度已经达到5μm，符合理论值也满足生产要求。经实施例5处理后的模具表层以下2μm处发现有硼原子，2μm以下未发现硼原子。经实施例6处理后的模具表层以下1μm处发现有硼原子，1μm以下未发现硼原子。

将经实施例1、实施例5、实施例6处理后的模具，以及未处理的模具同时送入沉积炉进行CVD涂层，成品率对比结果显示，经实施例1表面改性后的模具平均成品率比未处理的模具成品率高8.5％左右，说明渗硼处理对涂层成品率具有较明显的正面作用。经实施例5、实施例6处理后的模具平均成品率比未处理的模具成品率分别高1.5％、1％。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，将渗硼粉料与所述模具的坯料在高温条件下反应，硼原子由所述坯料的表面渗入并形成过渡层，对所述坯料中的深层钴进行封闭。

2.根据权利要求1所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，所述渗硼粉料由以下重量份的原料组成：四硼酸钠10-13份，氟硼酸钾15-20份，活性炭粉40-50份，碳化硅粉20-25份，金刚石微粉1-5份。

3.根据权利要求2所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，所述渗硼粉料由以下重量份的原料组成：四硼酸钠11份，氟硼酸钾18份，活性炭粉45份，碳化硅粉23份，金刚石微粉3份。

4.根据权利要求3所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，所述活性炭粉的粒度为5000目，所述碳化硅粉的粒度为2000目。

5.根据权利要求3所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，所述四硼酸钠、氟硼酸钾的粒度均不得大于500目。

6.根据根据权利要求5所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，所述金刚石微粉为W0.5金刚石微粉。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：制备渗硼粉料：按比例称取渗硼粉料的各原料，混合均匀；

步骤2：将所述坯料置于洁净石墨盘中，将配制好的渗硼粉料均匀撒满所述石墨盘，使渗硼粉料填满所述石墨盘，将所述坯料包覆；

步骤3：将经步骤2处理的石墨盘送入高温真空反应炉中，在一定的温度和压力下反应后，自然冷却至常温后取出，清洁所述模具坯料。

8.根据权利要求7所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，步骤2中，先将所述洁净石墨烘烤去除水分后再放入所述坯料。

9.根据权利要求8所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，步骤3中，将经步骤2处理的石墨盘送入高温真空反应炉后，关闭炉门，抽真空至极限压力后，再加热至预定温度，在氢气保护气氛中保温反应。

10.根据权利要求9所述的高钴硬质合金模具的表面渗硼改性方法，其特征在于，步骤3中，抽真空至极限压力后继续抽30分钟，停止抽真空后，再加热至1400-1600℃，然后在氢气保护气氛中保温反应4-6小时，所述氢气的流量为400-600scm，压力维持在2800-3200Pa。