CN110052605B - 一种硬质合金功能梯度材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，包括：S1）首先制备两种不同物理性能的1#合金原料和2#合金原料；S2）将成型剂分别与两种合金原料混合；S3）将上述步骤得到的混合料放入复合模具组中，所述复合模具组是通过隔离钢圈（2）将模具（1）分隔成外腔体（B区域）和内腔体（A区域），所述隔离钢圈（2）内外上设计有错开的锯齿状凹槽，将两种合金混合料分别放入外腔体（B区域）和内腔体（A区域），反复敲打、振实后，将隔离钢圈（2）抽出，再进行一次振实，通过隔离钢圈（2）错位锯齿设计，将两种合金混合料交界面形成交错咬合；S4）压制毛坯；S6）将上述坯料经过烧结后，得到硬质合金功能梯度材料。

Description

一种硬质合金功能梯度材料的制备方法

技术领域

本发明属于硬质合金制备技术领域，尤其涉及硬质合金功能梯度材料的制备，具体为一种硬质合金功能梯度材料的制备方法。

背景技术

硬质合金是高硬度、高强度、高耐磨的材料，被称为“工业的牙齿”，在现代工业的众多领域都得到了广泛应用。硬质合金圆棒本身的材质硬质合金是用粉末冶金法生产的由难熔金属化合物(硬质相)和粘结金属(粘结相)所构成的复合材料。硬质合金棒可以广泛应用到各类机械加工中，他的主要特点是具有稳定的机械性能，高耐磨性和高耐冲击性，因此，硬质合金棒主要适用于钻头、立铣刀、绞刀等，也可用于切割、冲压和测量工具。

在现代工业和技术的高速发展中，硬质合金的应用范围越来越广，但使用硬质合金部门如机械加工、电子信息产业等也对硬质合金的使用性能提出了最新的高要求。如电子信息产业的高集成化，电子元件小型化，出现了需加工PCB板的高硬度、高强度，直径小达0.2mm的微钻；以及航空航天工业的新型铝合金及复合材料，要求高硬度精孔钻具，以及许多特种材料都要求高耐磨和高的冲击韧性，已达到使用寿命与稳定性的兼顾。

在这种背景下，硬质合金功能材料应运而生。硬质合金功能材料是一种复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。在众多的复合材料中，梯度功能材料是比较特殊的一类复合材料，不同于普通的复合材料，它是选用两种(或多种)性能不同的材料，通过连续地改变这两种(或多种)材料的组成和结构，使其界面消失促使材料的性能随着材料的组成和结构的变化而缓慢变化。由于梯度功能材料的材料组分是在一定的空间方向上连续变化的特点，因此，它能有效地克服传统复合材料的不足。梯度功能材料可以用作界面层来连接不相容的两种材料，大大地提高粘结强度，也可以用作界面层减小残余应力和热应力，同时消除连接材料中界面交叉点以及应力自由端点的应力奇异性，而且它代替传统的均匀材料，既可以增强连接强度也可以减小裂纹驱动力。

未来的硬质合金棒材不仅要有良好的耐磨性，还需要有优异的强韧性。而性质均一的单一材料，往往难于满足这一需求。因而，如何获得一种，能够具有良好的耐磨性、强韧性、的梯度功能材料的研究，一直是复合材料领域的重大课题之一。中国专利申请号2015103051226的文献介绍了一种通过采用三层原料混合得到无明显界面的硬质合金梯度功能复合材料，通过制作介于表层和内层的中间层混合料来得到过渡层。

发明内容

本发明的目的是，提供一种硬质合金功能梯度圆棒的制备方法，用于制备一种无明显界面的硬质合金梯度功能复合材料。

一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，包括：

S1)首先制备两种不同物理性能的1#合金原料和2#合金原料；

S2)将成型剂分别与两种合金原料混合后，得到1#合金混合料和2#合金混合料；

S3)将上述步骤得到的混合料放入复合模具组中，所述复合模具组是通过隔离钢圈(2)将模具(1)分隔成外腔体(B区域)和内腔体(A区域)，所述隔离钢圈(2)内外上设计有错开的锯齿状凹槽，将两种合金混合料分别放入外腔体(B区域)和内腔体(A区域)，反复敲打、振实后，将隔离钢圈(2)抽出，再进行一次振实，通过隔离钢圈(2)错位锯齿设计，将两种合金混合料交界面形成交错咬合；S4)压制毛坯；

S6)将上述坯料经过烧结后，得到硬质合金功能梯度材料。

进一步地，步骤S3中的复合模具组包括：模具(1)、隔离钢圈(2)、下堵头(3)、上堵头(4)，下堵头(3)根据隔离钢圈(2)的尺寸设计有相应的凹槽用于卡住隔离钢圈(2)，与隔离钢圈(2)配合将模具(1)内腔分隔成两个独立的腔体(B区域和A区域)。

进一步地，模具(1)和隔离钢圈(2)均为空心圆柱体，用于制备硬质合金功能梯度圆棒。

进一步地，模具(1)尺寸为直径Φ(8.2～130mm)×长度(200～650mm)，隔离钢圈(2)的直径设计为模具直径的30％～70％之间，隔离钢圈(2)的厚度0.5～5mm，根据生产产品的要求选取合适规格模具(1)、隔离钢圈(2)和配套的上堵头(4)和下堵头(3)。

进一步地，模具(1)材质为橡胶、塑料、聚氨酯或改性聚氨酯，步骤S4中压制毛坯是采用干袋式等静压成型。

进一步地，下堵头(3)、上堵头(4)为钢材质。

进一步地，步骤S4中所述压制毛坯是采用干袋式等静压成型五段加压、三段泄压的工艺压制成型，获得压制毛坯。

进一步地，还包括：S5)将压制毛坯进行表面切削加工，车削精度为IT8～IT10，获得修整毛坯料棒。

进一步地，步骤S6具体为：得到的修整毛坯棒料装入低压烧结炉中，进行分段烧结，获得目标产品硬质合金功能梯度棒材。

进一步地，所述1#合金原料由硬质相和粘结相组成，其原料中硬质相质量含量为85％～95％，硬质相的费氏粒度为小于等于3μm，其硬度HRA值为89.0～94.0，抗弯强度值为2000以上；所述2#合金原料中硬质相质量含量为75％～92％，硬质相的费氏粒度为0.8～30μm，硬度HRA值为86.0～93.0，抗弯强度值为2500以上。

进一步地，所述1#合金原料的硬质相包括碳化钨、碳化钛、碳化铌、碳化钽中的一种或多种，粘结相有铁、钴、镍中的一种或多种。进一步地，所述一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，将成型剂分别与合金原料混合后得到混合料，合金原料在混合料中的体积比例为95％～60％，成型剂在混合料中的体积比为5％～40％，成型剂包括聚乙烯、石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、硬脂酸、二甲基苯二酸、双丁基苯二酸和EVA中的一种或多种。

本发明制备的硬质合金圆棒，具有组分无明显界面的硬质合金梯度功能复合材料，经过烧结后的梯度功能材料沿厚度方向获得具有不同组分、不同晶粒尺寸的无明显界面的梯度晶粒组织，使成型的硬质合金材料获得了具有高硬度、高耐磨性、高强度和韧性的较好的综合机械性能的功能梯度硬质合金。

附图说明

图1模具A-A剖面装配示意图；

图2模具B-B剖面装配示意图；

图3钢圈错位锯齿设计示意图；

图4下堵头凹槽设计示意图；

图中：A区域为模具内腔体，B区域为模具外腔体，1为模具，2为隔离钢圈，3为下堵头，4为上堵头。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明，以便于本领域技术人员理解本发明。

附图1～4所示为一种制备硬质合金功能梯度材料的复合模具组，包括：模具(1)、隔离钢圈(2)、下堵头(3)、上堵头(4)，通过隔离钢圈(2)将模具(1)内腔分隔成两个独立的腔体：内腔体(A区域)和外腔体(B区域)；模具(1)：该成型方式采用特殊设计的干袋式等静压模具，模具尺寸为直径Φ(8.2～130mm)×长度(200～650mm)，模具材质为橡胶、塑料、聚氨酯或改性聚氨酯；如附图3所示，隔离钢圈(2)内外上设计有错开的锯齿状凹槽，隔离钢圈(2)的直径设计为模具直径的30％～70％之间，厚度0.5～5mm；如附图4所示，下堵头(3)为钢材质，下堵头(3)根据隔离钢圈(2)的尺寸，设计有凹槽用于卡住隔离钢圈(2)，与隔离钢圈(2)配合将模具内腔分隔成两个独立的腔体，即内腔体(A区域)和外腔体(B区域)。

一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，制备步骤包括：

步骤一：制备合金原料和混合料，准备相应的模具、隔离钢圈、堵头；步骤二：选取合适规格模具(1)、钢圈(2)和配套上下堵头(3和4)；

步骤三：将1#合金混合料加入外腔体(B区域)，将2#合金混合料加入内腔体(A区域)，反复敲打、振实后，将隔离钢圈(2)抽出，再进行一次振实；

步骤四：采用五段加压、三段泄压的工艺压制成型，获得压制毛坯；

步骤五：压制毛坯表面切削加工，车削精度为IT8～IT10，获得修整毛坯料棒；

步骤六：得到的修整毛坯棒料装入低压烧结炉中，进行分段烧结，即获得目标产品超硬硬质合金棒材。

原料：制备两种不同物理性能的合金原料，其中1#合金原料具有较高硬度和耐磨性，原料由硬质相和粘结相组成，硬质相包括碳化钨、碳化钛、碳化铌、碳化钽等难熔金属碳化物，粘结相有铁、钴、镍等金属，其原料中硬质相质量含量为85％～95％，硬质相的费氏粒度为小于等于3μm，其硬度HRA值为89.0～94.0，抗弯强度值为2000以上；2#合金原料具有较好强度和韧性，其原料中硬质相质量含量为75％～92％，硬质相的的费氏粒度为0.8～30μm，硬度HRA值为86.0～93.0，抗弯强度值为2500以上。

混合料：将成型剂分别与合金原料混合后得到混合料，合金原料在混合料中的体积比例为95％～60％，成型剂在混合料中的体积比为5％～40％，成型剂包括聚乙烯、石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、硬脂酸、二甲基苯二酸、双丁基苯二酸和EVA中的一种或多种。本发明通过隔离钢圈(2)错位锯齿的设计，可以将两种合金材质交界面形成交错咬合，通过上述步骤，可一次性制备具有高强度和高工作面耐磨性的圆棒结构功能梯度硬质合金。

该发明制作的合金组分之间无明显界面的硬质合金梯度功能复合材料，经过烧结成型后的梯度功能材料沿厚度方向获得具有不同组分、不同晶粒尺寸的无明显界面的梯度晶粒组织，使成型的硬质合金材料获得了结合高硬度、耐磨性、强度和韧性的较好的综合机械性能。本发明上述方法制造的零部件，可广泛应用于石油、化工、能源、电力、冶金、航空航天等工业中大量存在的恶劣工作环境。

经工艺过程控制检测，本发明制备的功能硬质合金棒，坯体在烧结过程中，外表层、芯部(内层)、中间梯度过渡区域(中间层)的轴向烧结收缩率和径向烧结收缩率几乎一致，波动仅在0.5个百分点以内。

表层至心部组织致密、成分和硬质颗粒度均匀过渡，且无孔隙、气泡和裂纹等缺陷。这表明，本发明实现了表层高硬度细颗粒硬质合金组分和内层高韧粗颗粒硬质合金组分的无界面过渡，而且提高成型材料的耐磨性和强度的同时，减小了材料的裂纹驱动力。

与现有技术相比，本发明将硬质合金采用功能梯度材料的设计理念，在保证硬质合金优良的耐磨性、耐腐蚀性及抗高温性能的同时，还获得优良的强韧性。而且本发明还采用粉末冶金的方式制备硬质合金功能梯度材料，利用复合模具组，干袋式等静压成型和粉末冶金方法制备硬质合金梯度功能复合材料，通过调整合金粉末颗粒度与成分、添加剂配比、隔离钢圈设计、成型工艺参数、烧结工艺，可以在较大尺寸范围内方便地制备出可控的具有高耐磨性和优异强韧性结合的硬质合金功能梯度圆棒。实验结果表明，本发明制备的硬质合金功能梯度材料，具有表层至心部组织致密、成分和硬质颗粒度均匀过渡，且无孔隙、气泡和裂纹等缺陷。

以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限定本发明，本发明所要求保护的范围以权利要求书所述为准。

Claims (4)

1.一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于，包括：

S1)首先制备两种不同物理性能的1#合金原料和2#合金原料；所述1#合金原料由硬质相和粘结相组成，其原料中硬质相质量含量为85％～95％，硬质相的费氏粒度为小于等于3μm，其硬度HRA值为89.0～94.0，抗弯强度值为2000以上；所述2#合金原料中硬质相质量含量为75％～92％，硬质相的费氏粒度为0.8～30μm，硬度HRA值为86.0～93.0，抗弯强度值为2500以上；

S2)将成型剂分别与两种合金原料混合后，得到1#合金混合料和2#合金混合料；

S3)将上述步骤得到的混合料放入复合模具组中，复合模具组包括：模具(1)、隔离钢圈(2)、下堵头(3)、上堵头(4)，下堵头(3)根据隔离钢圈(2)的尺寸设计有相应的凹槽用于卡住隔离钢圈(2)，与隔离钢圈(2)配合将模具(1)内腔分隔成外腔体和内腔体，所述隔离钢圈(2)内外设计有错开的锯齿状凹槽，将两种合金混合料分别放入外腔体和内腔体，反复敲打、振实后，将隔离钢圈(2)抽出，再进行一次振实，通过隔离钢圈(2)错位锯齿设计，将两种合金混合料交界面形成交错咬合；

S4)压制毛坯；采用干袋式等静压成型；

S5)将压制毛坯进行表面切削加工，车削精度为IT8～IT10，获得修整毛坯料棒；

S6)将上述坯料装入低压烧结炉中，进行分段烧结，获得目标产品硬质合金功能梯度棒材。

2.根据权利要求1所述一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于，所述模具(1)尺寸为直径Φ(8.2～130mm)×长度(200～650mm)，所述隔离钢圈(2)的直径设计为模具直径的30％～70％之间，隔离钢圈(2)的厚度为0.5～5mm，根据生产产品的要求选取合适规格模具(1)、隔离钢圈(2)和配套的上堵头(4)和下堵头(3)。

3.根据权利要求1或2所述一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于，所述1#合金原料的硬质相包括碳化钨、碳化钛、碳化铌、碳化钽中的一种或多种，粘结相有铁、钴、镍中的一种或多种。

4.根据权利要求1或2所述一种硬质合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于，将成型剂分别与合金原料混合后得到混合料，合金原料在混合料中的体积比例为95％～60％，成型剂在混合料中的体积比为5％～40％，成型剂包括聚乙烯、石蜡、聚乙二醇、聚丙烯、聚苯乙烯、硬脂酸、二甲基苯二酸、双丁基苯二酸和EVA中的一种或多种。

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