CN111575641A - 一种硬质合金表面处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬质合金表面处理工艺，属于硬质合金表面处理技术领域。该硬质合金表面处理工艺中：对硬质合金工件表面进行打磨抛光；对完成打磨抛光后的硬质合金工件进行超声清洗及干燥；对干燥完成后的硬质合金依次进行渗氮处理；对完成渗氮处理的硬质合金进行石墨烯胶黏涂层处理；对完成涂层处理的硬质合金进行纵向磁化处理。本发明通过对硬质合金工件表面进行渗氮处理，可有效修复硬质合金表面的缺陷，并可提高硬质合金的硬度；通过石墨烯胶黏涂层处理降低硬质合金的摩擦系数，起到抗磨减损的作用；通过纵向磁化处理使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。
Description
技术领域
本发明涉及硬质合金表面处理技术领域，尤其涉及的是一种硬质合金表面处理工艺。
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，硬质合金铣刀在与工件的高速旋转摩擦的加工过程中，会产生大量的热量，这样对硬质合金铣刀本身会造成一定的损耗，为了提高硬质合金铣刀的耐磨性能，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，会对铣刀进行一系列的表面处理工艺，以提高硬质合金铣刀的耐磨性能、切削能力及使用寿命。
中国专利2019100497178公开了一种硬质合金表面处理工艺，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，但是这种表面处理工艺难以提高硬质合金工件的耐磨性能。
中国专利2012102629165公开了一种石墨烯改性硬质合金的制备方法，该方法通过利用石墨烯所具有的优异的力学性能以及兼具超高力学强度和柔韧性等特点，进而提升硬质合金的力学性能，但石墨烯只可降低硬质合金的摩擦系数，起到抗磨减损的作用，难以提高硬质合金刀具的切削性能。
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：提供一种可提高硬质合金工件的耐磨性能、切削能力、有效提高刀具使用寿命的硬质合金表面处理工艺。
本发明包括以下步骤：
1）对硬质合金工件表面进行打磨抛光；
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%，将所述硬质合金工件放置在磨床中进行打磨抛光，使硬质合金工件表面光滑无划痕；
2）将步骤1）所得的硬质合金工件进行超声清洗；
将步骤1）所得的经过打磨抛光的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；
3）对步骤2）所得的硬质合金工件进行干燥；
将步骤2）所得的经过清洗的硬质合金工件取出，然后对硬质合金工件进行热风干燥处理，所述硬质合金工件的干燥温度为100~140℃，干燥时间为2~3min；
4）对步骤3）所得的硬质合金工件进行渗氮处理；
5）对步骤4）所得的硬质合金工件的表面进行石墨烯胶黏涂层处理；
将石墨烯溶液、稀释剂、乙醇溶液按照1:2:2的体积比进行混合，并将混合溶液放置在恒温为50℃的水浴中进行超声波振动搅拌，搅拌时间为15min，以得到石墨烯胶黏涂层溶液；
将硬质合金工件夹持固定在喷漆旋转台上，对旋转状态下的硬质合金工件表面进行喷涂石墨烯胶黏涂层，喷涂完成后，再将硬质合金工件放置到恒温箱内，并以5℃/min的速度升温至170℃，然后保温20~40min后随恒温箱冷却，以得到经过石墨烯胶黏涂层处理的硬质合金工件；
6）对步骤5）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5）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。
上述方案中，所述纵向磁化处理的工艺条件为：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，所述超声清洗的工艺条件为：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，所述渗氮处理的工艺流程为：
（1）将经过干燥处理的硬质合金工件放置在气氛炉内；
（2）将气氛炉内的真空压强抽取至6Pa以下，并将气氛炉内的温度升至1300~1450℃保温150~200min；
（3）往气氛炉内通入高纯度氮气，再将气氛炉内的温度加热至1500~1550℃并保温60~90min；
（4）将气氛炉内的温度降至1300~1350℃并保温120~150min；
（5）待硬质合金工件随气氛炉冷却至室温后，将硬质合金工件从气氛炉内取出。
上述方案中，所述石墨烯胶黏涂层处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的旋转速度为300r/min，所述硬质合金工件的喷涂压力为5~7kpa，喷涂角度为60~90°，喷涂距离为300mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.对硬质合金工件表面进行渗氮处理，可有效修复硬质合金表面的缺陷，并可提高硬质合金的硬度，同时提高硬质合金工件的耐磨性能及使用寿命；
2.对硬质合金工件表面进行石墨烯胶黏涂层处理，石墨烯胶黏涂层可有效降低硬质合金的摩擦系数，起到抗磨减损的作用，进而提高硬质合金工件的使用寿命；
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为本发明的纵向磁化处理示意图；
图2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表面处理工艺，其工艺流程的主要步骤如下：
1）对硬质合金工件表面进行打磨抛光；
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%，将所述硬质合金工件放置在磨床中进行打磨抛光，使硬质合金工件表面光滑无划痕。
2）将步骤1）所得的硬质合金工件进行超声清洗；
将步骤1）所得的经过打磨抛光的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。
所述超声清洗的工艺条件为：所述清洗溶剂的温度为10~45℃,较优选清洗溶剂的温度为30℃，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工件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。
3）对步骤2）所得的硬质合金工件进行干燥；
将步骤2）所得的经过清洗的硬质合金工件取出，然后对硬质合金工件进行热风干燥处理，所述硬质合金工件的干燥温度为100~140℃，较优选100℃，干燥时间为2~3min，较优选2min。
4）对步骤3）所得的硬质合金工件进行渗氮处理；
所述渗氮处理的工艺流程为：
（1）将经过干燥处理的硬质合金工件放置在气氛炉内；
（2）将气氛炉内的真空压强抽取至9Pa以下，并将气氛炉内的温度升至1300~1450℃保温150~200min，较优选温度升至1300℃保温150min；
（3）往气氛炉内通入高纯度氮气，再将气氛炉内的温度加热至1500~1550℃并保温60~90min，较优选温度加热至1500℃并保温60min；
（4）将气氛炉内的温度降至1300~1350℃并保温120~150min，较优选温度降至1350℃并保温150min；
（5）待硬质合金工件随气氛炉冷却至室温后，将硬质合金工件从气氛炉内取出。
本实施例中，在真空条件下，硬质合金工件表层可产生18μm厚的Co盖层，Co盖层可修复硬质合金表面缺陷，例如微观裂纹及孔洞等。渗氮处理可在硬质合金表面原位生成富含晶粒的TiN相，TiN相可改善晶粒尺寸分布不均匀和增加表层硬质相中的微应变，以增强硬质合金的表面硬度，提高硬质合金工件的耐磨性能及使用寿命。
5）对步骤4）所得的硬质合金工件的表面进行石墨烯胶黏涂层处理；
将石墨烯溶液、稀释剂、乙醇溶液按照1:2:2的体积比进行混合，并将混合溶液放置在恒温为50℃的水浴中进行超声波振动搅拌，搅拌时间为15min，以得到石墨烯胶黏涂层溶液。
将硬质合金工件夹持固定在喷漆旋转台上，对旋转状态下的硬质合金工件表面进行喷涂石墨烯胶黏涂层，喷涂完成后，再将硬质合金工件放置到恒温箱内，并以5℃/min的速度升温至170℃，然后保温20~40min后随恒温箱冷却，较优选保温30min，以得到经过石墨烯胶黏涂层处理的硬质合金工件。
所述石墨烯胶黏涂层处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的旋转速度为300r/min，所述硬质合金工件的喷涂压力为5~7kpa，较优选喷涂压力为6kpa；喷涂角度为60~90°，较优选喷涂角度为70°；喷涂距离为300mm。
本实施例中，石墨烯具有极强的强度和弹性模量，可承受很大的压力，将石墨烯制成胶黏涂层附着于硬质合金工件表面，可降低硬质合金的摩擦系数，从而增强硬质合金的耐磨性能。
6）对步骤5）所得的硬质合金工件送入至线圈1内，如图1所示，对硬质合金工件进行纵向磁化处理；
将步骤5）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。
所述纵向磁化处理的工艺条件为：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)。
所述硬质合金工件的长度L为40~250mm，较优选硬质合金的长度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120s。
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2所示，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表面处理工艺，其工艺流程的主要步骤如下：
1）对硬质合金工件表面进行打磨抛光；
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:80%、Co:18%、Tic:2%，将所述硬质合金工件放置在磨床中进行打磨抛光，使硬质合金工件表面光滑无划痕。
2）将步骤1）所得的硬质合金工件进行超声清洗；
将步骤1）所得的经过打磨抛光的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。
所述超声清洗的工艺条件为：所述清洗溶剂的温度为10~45℃,较优选清洗溶剂的温度为40℃，所述超声波清洗机的清洗时间为4~7min，较优选清洗时间为7min。
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工件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。
3）对步骤2）所得的硬质合金工件进行干燥；
将步骤2）所得的经过清洗的硬质合金工件取出，然后对硬质合金工件进行热风干燥处理，所述硬质合金工件的干燥温度为100~140℃，较优选140℃，干燥时间为2~3min，较优选3min。
5）对步骤3）所得的硬质合金工件进行渗氮处理；
所述渗氮处理的工艺流程为：
（6）将经过干燥处理的硬质合金工件放置在气氛炉内；
（7）将气氛炉内的真空压强抽取至9Pa以下，并将气氛炉内的温度升至1300~1450℃保温150~200min，较优选温度升至1400℃保温200min；
（8）往气氛炉内通入高纯度氮气，再将气氛炉内的温度加热至1500~1550℃并保温60~90min，较优选温度加热至1550℃并保温90min；
（9）将气氛炉内的温度降至1300~1350℃并保温120~150min，较优选温度降至1300℃并保温120min；
（10）待硬质合金工件随气氛炉冷却至室温后，将硬质合金工件从气氛炉内取出。
本实施例中，在真空条件下，硬质合金工件表层可产生21μm厚的Co盖层，Co盖层可修复硬质合金表面缺陷，例如微观裂纹及孔洞等。渗氮处理可在硬质合金表面原位生成富含晶粒的TiN相，TiN相可改善晶粒尺寸分布不均匀和增加表层硬质相中的微应变，以增强硬质合金的表面硬度，提高硬质合金工件的耐磨性能及使用寿命。
5）对步骤4）所得的硬质合金工件的表面进行石墨烯胶黏涂层处理；
将石墨烯溶液、稀释剂、乙醇溶液按照1:2:2的体积比进行混合，并将混合溶液放置在恒温为50℃的水浴中进行超声波振动搅拌，搅拌时间为15min，以得到石墨烯胶黏涂层溶液。
将硬质合金工件夹持固定在喷漆旋转台上，对旋转状态下的硬质合金工件表面进行喷涂石墨烯胶黏涂层，喷涂完成后，再将硬质合金工件放置到恒温箱内，并以5℃/min的速度升温至170℃，然后保温20~40min后随恒温箱冷却，较优选保温40min，以得到经过石墨烯胶黏涂层处理的硬质合金工件。
所述石墨烯胶黏涂层处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的旋转速度为300r/min，所述硬质合金工件的喷涂压力为5~7kpa，较优选喷涂压力为7kpa；喷涂角度为60~90°，较优选喷涂角度为90°；喷涂距离为300mm。
本实施例中，石墨烯具有极强的强度和弹性模量，可承受很大的压力，将石墨烯制成胶黏涂层附着于硬质合金工件表面，可降低硬质合金的摩擦系数，从而增强硬质合金的耐磨性能。
6）对步骤5）所得的硬质合金工件送入至线圈1内，如图1所示，对硬质合金工件进行纵向磁化处理；
将步骤5）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。
所述纵向磁化处理的工艺条件为：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)。
所述硬质合金工件的长度L为40~250mm，较优选硬质合金的长度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60mm，所述纵向磁化处理的磁化时间为50~160s，较优选磁化时间为150s。
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，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.对硬质合金工件表面进行渗氮处理，可有效修复硬质合金表面的缺陷，并可提高硬质合金的硬度，同时提高硬质合金工件的耐磨性能及使用寿命；
2.对硬质合金工件表面进行石墨烯胶黏涂层处理，石墨烯胶黏涂层可有效降低硬质合金的摩擦系数，起到抗磨减损的作用，进而提高硬质合金工件的使用寿命；
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)
1.一种硬质合金表面处理工艺，其特征在于包括以下步骤：
对硬质合金工件表面进行打磨抛光；
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%，将所述硬质合金工件放置在磨床中进行打磨抛光，使硬质合金工件表面光滑无划痕；
将步骤1）所得的硬质合金工件进行超声清洗；
将步骤1）所得的经过打磨抛光的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；
对步骤2）所得的硬质合金工件进行干燥；
将步骤2）所得的经过清洗的硬质合金工件取出，然后对硬质合金工件进行热风干燥处理，所述硬质合金工件的干燥温度为100~140℃，干燥时间为2~3min；
对步骤3）所得的硬质合金工件进行渗氮处理；
对步骤4）所得的硬质合金工件的表面进行石墨烯胶黏涂层处理；
将石墨烯溶液、稀释剂、乙醇溶液按照1:2:2的体积比进行混合，并将混合溶液放置在恒温为50℃的水浴中进行超声波振动搅拌，搅拌时间为15min，以得到石墨烯胶黏涂层溶液；
将硬质合金工件夹持固定在喷漆旋转台上，对旋转状态下的硬质合金工件表面进行喷涂石墨烯胶黏涂层，喷涂完成后，再将硬质合金工件放置到恒温箱内，并以5℃/min的速度升温至170℃，然后保温20~40min后随恒温箱冷却，以得到经过石墨烯胶黏涂层处理的硬质合金工件；
对步骤5）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5）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。
2.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理工艺，其特征在于：所述纵向磁化处理的工艺条件为：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)。
3.根据权利要求2所述的硬质合金表面处理工艺，其特征在于：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所述的硬质合金表面处理工艺，其特征在于：所述超声清洗的工艺条件为：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。
5.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理工艺，其特征在于：所述渗氮处理的工艺流程为：
（1）将经过干燥处理的硬质合金工件放置在气氛炉内；
（2）将气氛炉内的真空压强抽取至6Pa以下，并将气氛炉内的温度升至1300~1450℃保温150~200min；
（3）往气氛炉内通入高纯度氮气，再将气氛炉内的温度加热至1500~1550℃并保温60~90min；
（4）将气氛炉内的温度降至1300~1350℃并保温120~150min；
（5）待硬质合金工件随气氛炉冷却至室温后，将硬质合金工件从气氛炉内取出。
6.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理工艺，其特征在于：所述石墨烯胶黏涂层处理的工艺条件为：所述硬质合金工件的旋转速度为300r/min，所述硬质合金工件的喷涂压力为5~7kpa，喷涂角度为60~90°，喷涂距离为300mm。
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