CN111485267A - 一种硬质合金强化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬质合金强化处理方法，属于硬质合金强化处理技术领域。该硬质合金强化处理方法中：对硬质合金工件进行超声清洗处理；对硬质合金工件进行干燥处理；对硬质合金工件进行磨料电解钝化处理；对硬质合金工件进行脉冲电子束辐照处理；对硬质合金工件进行纵向磁化处理。本发明通过对硬质合金进行磨料电解钝化处理，可提升硬质合金的表面质量，降低硬质合金的表面粗糙度；对硬质合金进行脉冲电子束辐照处理，电子束辐照可在刀具表面形成大量的超细晶粒结构，降低刀具的表面粗糙度及提高刀具硬度；对硬质合金进行纵向磁化，磁化后的硬质合金周围存在弱磁场，这种弱磁场会影响硬质合金的铣削力变化曲线，进而提高硬质合金的切削性能。

Description

一种硬质合金强化处理方法
技术领域
本发明涉及硬质合金强化处理技术领域，尤其涉及的是一种硬质合金强化处理方法。
背景技术
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。
硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，硬质合金铣刀是机械加工中最常用到的刃具，为增强硬质合金刀具的铣削力，提高硬质合金刀具的加工效率，延长硬质合金铣刀的使用寿命，当硬质合金铣刀在完成制造后，会对硬质合金刀具进行一系列的强化处理工艺，以提高硬质合金刀具的耐磨性能、切削能力及使用寿命。
中国专利2019100497178公开了一种硬质合金强化处理方法，其利用合成液与硬质合金表面的部分杂质进行反应，然后再对硬质合金表面进行打磨抛光，进而提高硬质合金的合格率，但是这种表面处理方法难以提高硬质合金工件的耐磨性能及切削能力。
中国专利2014100047629公开了一种硬质合金涂层刀具的强流脉冲电子束表面处理方法，该方法通过强流脉冲电子束对硬质合金基体的涂层进行表面处理，以提高刀具的硬度及耐磨性。通过电子束辐照硬质合金刀具的方式，虽能增加刀具的耐磨性及硬度，但提升的力学性能其实并不高，在实际使用过程中，耐磨性能及硬度仍存有不足之处。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种可降低硬质合金表面粗糙度、提高硬质合金耐磨性能、切削能力，可有效提高刀具使用寿命的硬质合金强化处理方法。
本发明包括以下步骤：
1)对硬质合金工件进行超声清洗处理；
2)对步骤1)所得的硬质合金工件进行干燥处理；
3)对步骤2)所得的硬质合金工件进行磨料电解钝化处理；
将步骤2)所得的经过干燥处理的硬质合金工件夹持到磨料钝化装置上，接通电源，使得喷嘴向硬质合金工件的切削刃喷射混有磨料的电解液，实现硬质合金刃口的钝化；
所述磨料电解钝化处理的工艺条件：电解电压为12V，电解液压力为1～1.5MPa，体积流量为4～6L/min，钝化时间为10～20s；
4)对步骤3)所得的硬质合金工件的表面进行脉冲电子束辐照处理；
将步骤3)所得的经过磨料电解钝化处理的硬质合金工件放置到强流脉冲电子束装置内进行辐照，所述脉冲电子束辐照处理的工艺条件为：电子束脉宽为4～6μs，脉冲频率为1HZ，加速电压为10～13KV，工作电流为120～180A，脉冲次数为30～60次；
5)对步骤4)所得的硬质合金工件送入至线圈内，对硬质合金工件进行纵向磁化处理；
将步骤4)所得的硬质合金工件的轴线与线圈的轴线平行，对所述线圈进行通电，将硬质合金工件紧贴所述线圈内壁送入至线圈内，使硬质合金工件产生纵向感应电流，通过感应电流对硬质合金工件进行整体磁化。
所述线圈的磁化电流为交流电，所述磁化电流为I，所述线圈的匝数为N，所述硬质合金工件的长度为L，所述硬质合金工件的直径为D，所述纵向磁化处理的各项参数满足以下公式：
当L/D≥4时，I×N＝35000/(L/D+2)；
当4＞L/D＞2时，I×N＝45000/(L/D)。
上述方案中，所述硬质合金工件的基底材料为WC-Co硬质合金，所述WC-Co硬质合金的组成成分百分比为：WC∶80％～90％、Co∶9％～18％、Tic∶1％～2％。
上述方案中，所述纵向磁化处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的长度L为40～250mm，所述硬质合金工件的直径D为10～60mm，所述纵向磁化处理的磁化时间为50～160s。
上述方案中，所述磨料电解钝化处理的工艺条件为：所述磨料为单晶刚玉磨料、白刚玉微粉或黑碳化硅磨料的任意一种；所述磨料的粒度为W20，所述磨料的质量分数为12～18％，所述电解液的组成成分为：NaNO3：0.4％，NaNO2：4.9％，Na4B4O7·10H2O：2.14％，Na2HPO4·12H2O：2.56％，H2O：90％。
上述方案中，所述超声清洗处理的工艺流程为：将所述硬质合金工件放置在超声波清洗机中进行清洗，所述超声波清洗机的振动频率为30～50KHz，所述超声波清洗机采用碱性的水基溶液作为清洗溶剂；所述清洗溶剂的温度为10～45℃，所述超声波清洗机的清洗时间为4～7min。
上述方案中，所述热风干燥处理的工艺条件为：干燥温度为100～440℃，干燥时间为2～3min。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.对硬质合金工件进行磨料电解钝化处理，可有效提升硬质合金的表面质量，降低硬质合金的表面粗糙度，防止硬质合金刀具在切削过程中发生崩刃现象；
2.对硬质合金工件进行脉冲电子束辐照处理，电子束辐照可在刀具表面形成大量的超细晶粒结构，强化硬质合金刀具表面，降低刀具表面的粗糙度及提高刀具硬度，有效提高硬质合金刀具的切削性能；
3.对硬质合金工件表面进行纵向磁化，经过磁化后的硬质合金刀具周围存在弱磁场，这种弱磁场可影响硬质合金刀具的铣削力变化曲线及表面质量，进而提高刀具的切削性能。
附图说明
图1为本发明的磨料电解钝化处理示意图；
图2为本发明实施例1经过脉冲电子束辐照处理的硬质合金表面形貌扫描电镜图；
图3为本发明的纵向磁化处理示意图；
图4为本发明实施例1的硬质合金工件铣削力变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种硬质合金强化处理方法，其方法主要步骤如下：
1)对硬质合金工件进行超声清洗处理；
所述硬质合金工件的基底材料为WC-Co硬质合金，所述WC-Co硬质合金的组成成分百分比为：WC∶80％～90％、Co∶9％～18％、Tic∶1％～2％，较优选WC∶90％、Co∶9％、Tic∶1％。
所述超声清洗处理的工艺流程为：将所述硬质合金工件放置在超声波清洗机中进行清洗，所述超声波清洗机的振动频率为30～50KHz，较优选振动频率为40KHz，所述超声波清洗机采用碱性的水基溶液作为清洗溶剂；所述清洗溶剂的温度为10～45℃，较优选清洗溶剂的温度为25℃，所述超声波清洗机的清洗时间为4～7min，较优选清洗时间为5min。
本实施例中，用户可将硬质合金工件放置在超声波清洗机中的清洗溶剂内，清洗溶剂与硬质合金之间的缝隙中存在大量的微小气泡，在超声波作用下，这些微小气泡不断振荡生长，然后收缩破裂，在气泡破裂的瞬间会产生强烈的冲击波，这些冲击波会对硬质合金工件吸附的污物层进行冲击，使污物层自动剥离脱落并分散到清洗溶剂中，实现对硬质合金工件的深度清洗。
2)对步骤1)所得的硬质合金工件进行干燥处理；
所述热风干燥处理的工艺条件为：干燥温度为100～140℃，较优选干燥温度为110℃；干燥时间2～3min，较优选干燥时间为3min。
3)对步骤2)所得的硬质合金工件进行磨料电解钝化处理；
如图1所示，将步骤2)所得的经过干燥处理的硬质合金工件夹持到磨料钝化装置上，接通电源，使得喷嘴3向硬质合金工件的切削刃2喷射混有磨料4的电解液5，实现硬质合金刃口的钝化。
所述磨料电解钝化处理的工艺条件：电解电压为12V，电解液压力为1～1.5MPa，较优选电解液压力为1.5Mpa；体积流量为4～6L/min，较优选体积流量为5L/min；钝化时间为10～20s，较优选钝化时间为15s。
所述磨料电解钝化处理的工艺条件为：所述磨料4为单晶刚玉磨料、白刚玉微粉或黑碳化硅磨料的任意一种，较优选磨料4为白刚玉微粉；所述磨料4的粒度为W20，所述磨料4的质量分数为12～18％，较优选磨料4的质量分数为15％，所述电解液5的组成成分为：NaNO3：0.4％，NaNO2：4.9％，Na4B4O7·10H2O：2.14％，Na2HPO4·12H2O：2.56％，H2O：90％。
本实施例中，经过磨料电解钝化处理的硬质合金工件，其表面粗糙度由0.35μm减小至0.13μm。
在磨料电解钝化处理过程中，硬质合金工件作为电解阳极，喷射带有磨料4的喷嘴3作为电解阴极，将硬质合金工件夹装至工作台上后，接通电源，根据电化学特性，磨料4可将硬质合金工件的切削刃2锋利的刃口进行溶解，在电解的同时，会生成氧化物附着在硬质合金的切削刃2表面，此时会阻碍电解加工的进行，喷嘴3内的电解液5可对氧化物进行冲刚，使新的硬质合金暴露至外，实现持续电解。被电解钝化后的硬质合金表面粗糙度会大大降低，使得硬质合金表面趋于光滑，改善刀具的表面质量，消除刃口的微观缺陷，达到抛光研磨的效果。
4)对步骤3)所得的硬质合金工件的表面进行脉冲电子束辐照处理；
将步骤3)所得的经过磨料电解钝化处理的硬质合金工件放置到强流脉冲电子束装置内进行辐照，所述脉冲电子束辐照处理的工艺条件为：电子束脉宽为4～6μs，较优选电子束脉宽为5μs；脉冲频率为1HZ，加速电压为10～13KV，较优选加速电压为12KV；工作电流为120～180A，较优选工作电流为150A；脉冲次数为30～60次，较优选脉冲次数为40次。
如图2所示，本实施例中，强流脉冲电子束辐照会对硬质合金引起冲击压应力及热应力，使硬质合金表面形成大量的超细晶粒结构，对硬质合金的表面起到了强化的作用。同时，在快速加热和冷却的过程中，细化晶粒可降低硬质合金的表面粗糙度，提高硬质合金的硬度，进而提高硬质合金的切削性能。
5)对步骤4)所得的硬质合金工件送入至线圈1内，对硬质合金工件进行纵向磁化处理；
如图3所示，将步骤4)所得的硬质合金工件的轴线与线圈1的轴线平行，对所述线圈1进行通电，将硬质合金工件紧贴所述线圈1内壁送入至线圈1内，使硬质合金工件产生纵向感应电流，通过感应电流对硬质合金工件进行整体磁化。
所述线圈1的磁化电流为交流电，所述磁化电流为I，所述线圈1的匝数为N，所述硬质合金工件的长度为L，所述硬质合金工件的直径为D，所述纵向磁化处理的各项参数满足以下公式：
当L/D≥4时，I×N＝35000/(L/D+2)；
当4＞L/D＞2时，I×N＝45000/(L/D)，
所述纵向磁化处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的长度L为40～250mm，较优选长度L为200mm；所述硬质合金工件的直径D为10～60mm，较优选直径D为40mm；所述纵向磁化处理的磁化时间为50～160s，较优选磁化时间为100s。
本实施例中，硬质合金工件材料的主要成分为WC和Co，Co作为铁磁性材料，受磁场强化效果明显，采用对硬质合金工件进行纵向磁化的方式，可使硬质合金工件周围产生一种弱磁场，这种弱磁场可改变硬质合金的铣削力变化曲线，如图4所示，从而提高刀具的切削性能。另外，经过纵向磁化处理的硬质合金工件，在一定程度上可增加刀具的耐磨性，减少刀具的磨损，达到提高硬质合金刀具使用寿命的作用。
实施例2
本实施例提供一种硬质合金强化处理方法，其方法主要步骤如下：
1)对硬质合金工件进行超声清洗处理；
所述硬质合金工件的基底材料为WC-Co硬质合金，所述WC-Co硬质合金的组成成分百分比为：WC∶80％～90％、Co∶9％～18％、Tic∶1％～2％，较优选WC∶85％、Co∶13％、Tic∶2％。
所述超声清洗处理的工艺流程为：将所述硬质合金工件放置在超声波清洗机中进行清洗，所述超声波清洗机的振动频率为30～50KHz，较优选振动频率为30KHz，所述超声波清洗机采用碱性的水基溶液作为清洗溶剂；所述清洗溶剂的温度为10～45℃，较优选清洗溶剂的温度为35℃，所述超声波清洗机的清洗时间为4～7min，较优选清洗时间为6min。
本实施例中，用户可将硬质合金工件放置在超声波清洗机中的清洗溶剂内，清洗溶剂与硬质合金之间的缝隙中存在大量的微小气泡，在超声波作用下，这些微小气泡不断振荡生长，然后收缩破裂，在气泡破裂的瞬间会产生强烈的冲击波，这些冲击波会对硬质合金工件吸附的污物层进行冲击，使污物层自动剥离脱落并分散到清洗溶剂中，实现对硬质合金工件的深度清洗。
2)对步骤1)所得的硬质合金工件进行干燥处理；
所述热风干燥处理的工艺条件为：干燥温度为100～140℃，较优选干燥温度为130℃；干燥时间2～3min，较优选干燥时间为2min。
3)对步骤2)所得的硬质合金工件进行磨料电解钝化处理；
如图1所示，将步骤2)所得的经过干燥处理的硬质合金工件夹持到磨料钝化装置上，接通电源，使得喷嘴3向硬质合金工件的切削刃2喷射混有磨料4的电解液5，实现硬质合金刃口的钝化。
所述磨料电解钝化处理的工艺条件：电解电压为12V，电解液压力为1～1.5MPa，较优选电解液压力为1Mpa；体积流量为4～6L/min，较优选体积流量为4L/min；钝化时间为10～20s，较优选钝化时间为20s。
所述磨料电解钝化处理的工艺条件为：所述磨料4为单晶刚玉磨料、白刚玉微粉或黑碳化硅磨料的任意一种，较优选磨料4为单晶刚玉磨料4；所述磨料4的粒度为W20，所述磨料4的质量分数为12～18％，较优选磨料4的质量分数为18％，所述电解液5的组成成分为：NaNO3：0.4％，NaNO2：4.9％，Na4B4O7·10H2O：2.14％，Na2HPO4·12H2O：2.56％，H2O：90％。
本实施例中，经过磨料电解钝化处理的硬质合金工件，其表面粗糙度由0.37μm减小至0.16μm。
在磨料电解钝化处理过程中，硬质合金工件作为电解阳极，喷射带有磨料4的喷嘴3作为电解阴极，将硬质合金工件夹装至工作台上后，接通电源，根据电化学特性，磨料4可将硬质合金工件的切削刃2锋利的刃口进行溶解，在电解的同时，会生成氧化物附着在硬质合金的切削刃2表面，此时会阻碍电解加工的进行，喷嘴3内的电解液5可对氧化物进行冲刷，使新的硬质合金暴露至外，实现持续电解。被电解钝化后的硬质合金表面粗糙度会大大降低，使得硬质合金表面趋于光滑，改善刀具的表面质量，消除刃口的微观缺陷，达到抛光研磨的效果。
4)对步骤3)所得的硬质合金工件的表面进行脉冲电子束辐照处理；
将步骤3)所得的经过磨料电解钝化处理的硬质合金工件放置到强流脉冲电子束装置内进行辐照，所述脉冲电子束辐照处理的工艺条件为：电子束脉宽为4～6μs，较优选电子束脉宽为4μs；脉冲频率为1HZ，加速电压为10～13KV，较优选加速电压为13KV；工作电流为120～180A，较优选工作电流为180A；脉冲次数为30～60次，较优选脉冲次数为50次。
本实施例中，强流脉冲电子束辐照会对硬质合金引起冲击压应力及热应力，使硬质合金表面形成大量的超细晶粒结构，对硬质合金的表面起到了强化的作用。同时，在快速加热和冷却的过程中，细化晶粒可降低硬质合金的表面粗糙度，提高硬质合金的硬度，进而提高硬质合金的切削性能。
5)对步骤4)所得的硬质合金工件送入至线圈1内，对硬质合金工件进行纵向磁化处理；
如图3所示，将步骤4)所得的硬质合金工件的轴线与线圈1的轴线平行，对所述线圈1进行通电，将硬质合金工件紧贴所述线圈1内壁送入至线圈1内，使硬质合金工件产生纵向感应电流，通过感应电流对硬质合金工件进行整体磁化。
所述线圈1的磁化电流为交流电，所述磁化电流为I，所述线圈1的匝数为N，所述硬质合金工件的长度为L，所述硬质合金工件的直径为D，所述纵向磁化处理的各项参数满足以下公式：
当L/D≥4时，I×N＝35000/(L/D+2)；
当4＞L/D＞2时，I×N＝45000/(L/D)。
所述纵向磁化处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的长度L为40～250mm，较优选长度L为250mm；所述硬质合金工件的直径D为10～60mm，较优选直径D为50mm；所述纵向磁化处理的磁化时间为50～160s，较优选磁化时间为160s。
本实施例中，硬质合金工件材料的主要成分为WC和Co，Co作为铁磁性材料，受磁场强化效果明显。采用对硬质合金工件进行纵向磁化的方式，可使硬质合金工件周围产生一种弱磁场，这种弱磁场可改变硬质合金的铣削力变化曲线，从而提高刀具的切削性能，另外，经过纵向磁化处理的硬质合金工件，在一定程度上可增加刀具的耐磨性，减少刀具的磨损，达到提高硬质合金刀具使用寿命的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.对硬质合金工件进行磨料电解钝化处理，可有效提升硬质合金的表面质量，降低硬质合金的表面粗糙度，防止硬质合金刀具在切削过程中发生崩刃现象；
2.对硬质合金工件进行脉冲电子束辐照处理，电子束辐照可在刀具表面形成大量的超细晶粒结构，强化硬质合金刀具表面，降低刀具表面的粗糙度及提高刀具硬度，有效提高硬质合金刀具的切削性能；
3.对硬质合金工件表面进行纵向磁化，经过磁化后的硬质合金刀具周围存在弱磁场，这种弱磁场可影响硬质合金刀具的铣削力变化曲线及表面质量，进而提高刀具的切削性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硬质合金强化处理方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对硬质合金工件进行超声清洗处理；
2)对步骤1)所得的硬质合金工件进行干燥处理；
3)对步骤2)所得的硬质合金工件进行磨料电解钝化处理；
将步骤2)所得的经过干燥处理的硬质合金工件夹持到磨料钝化装置上，接通电源，使得喷嘴向硬质合金工件的切削刃喷射混有磨料的电解液，实现硬质合金刃口的钝化；
所述磨料电解钝化处理的工艺条件：电解电压为12V，电解液压力为1～1.5MPa，体积流量为4～6L/min，钝化时间为10～20s；
4)对步骤3)所得的硬质合金工件的表面进行脉冲电子束辐照处理；
将步骤3)所得的经过磨料电解钝化处理的硬质合金工件放置到强流脉冲电子束装置内进行辐照，所述脉冲电子束辐照处理的工艺条件为：电子束脉宽为4～6μs，脉冲频率为1HZ，加速电压为10～13KV，工作电流为120～180A，脉冲次数为30～60次；
5)对步骤4)所得的硬质合金工件送入至线圈内，对硬质合金工件进行纵向磁化处理；
将步骤4)所得的硬质合金工件的轴线与线圈的轴线平行，对所述线圈进行通电，将硬质合金工件紧贴所述线圈内壁送入至线圈内，使硬质合金工件产生纵向感应电流，通过感应电流对硬质合金工件进行整体磁化。
所述线圈的磁化电流为交流电，所述磁化电流为I，所述线圈的匝数为N，所述硬质合金工件的长度为L，所述硬质合金工件的直径为D，所述纵向磁化处理的各项参数满足以下公式：
当L/D≥4时，I×N＝35000/(L/D+2)；
当4＞L/D＞2时，I×N＝45000/(L/D)。
2.根据权利要求1所述的硬质合金强化处理方法，其特征在于：所述硬质合金工件的基底材料为WC-Co硬质合金，所述WC-Co硬质合金的组成成分百分比为：WC：80％～90％、Co：9％～18％、Tic：1％～2％。
3.根据权利要求1所述的硬质合金强化处理方法，其特征在于：所述纵向磁化处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的长度L为40～250mm，所述硬质合金工件的直径D为10～60mm，所述纵向磁化处理的磁化时间为50～160s。
4.根据权利要求1所述的硬质合金强化处理方法，其特征在于：所述磨料电解钝化处理的工艺条件为：所述磨料为单晶刚玉磨料、白刚玉微粉或黑碳化硅磨料的任意一种；所述磨料的粒度为W20，所述磨料的质量分数为12～18％，所述电解液的组成成分为：NaNO3：0.4％，NaNO2：4.9％，Na4B4O7·10H2O：2.14％，Na2HPO4·12H2O：2.56％，H２O：90％。
5.根据权利要求1所述的硬质合金强化处理方法，其特征在于：所述超声清洗处理的工艺流程为：将所述硬质合金工件放置在超声波清洗机中进行清洗，所述超声波清洗机的振动频率为30～50KHz，所述超声波清洗机采用碱性的水基溶液作为清洗溶剂；所述清洗溶剂的温度为10～45℃，所述超声波清洗机的清洗时间为4～7min。
6.根据权利要求1所述的硬质合金强化处理方法，其特征在于：所述热风干燥处理的工艺条件为：干燥温度为100～140℃，干燥时间为2～3min。
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