CN111940742B - 一种梯度硬质合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度硬质合金的制备方法，该制备方法旨在解决现今梯度硬质合金的制备工艺存在工艺较为复杂，而且不易控制，难以得到工业化的技术问题。该制备方法通过利用活化剂作为载体，并将合金毛坯置于活化剂的熔体中，使活化剂从合金毛坯由表及里进行扩散，并在合金毛坯烧结过程中，使活化剂发生裂解，产生活性碳，使合金毛坯里的碳产生梯度分布，由表至里碳递减；同时，该制备方法操作简单，非常容易控制，对梯度硬质合金可形成稳定的工业化制备路径，对硬质合金性能的普遍提升具有极强的适用性。

Description

一种梯度硬质合金的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金硬质合金的技术领域，具体属于一种梯度硬质合金的制备方法。
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复合合金材料，其一般以高硬度难熔金属碳化物粉末为硬质相，以CO、Ni等金属为粘接相。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℃的温度下也能基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度，因此，硬质合金被广泛应用于切削工具、石油钻采、耐磨零件等领域，尤其是用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。
同时，随着现今科学技术的发展，针对硬质合金的使用场景也在不断变化和提升，其对使用硬质合金所具备的技术指标要求也越来越高，而现今传统的硬质合金也越来越难以同时满足其高硬度和高韧性的性能要求。在硬质合金材料本身的性质中，硬度和韧性是一对矛盾体，提高其硬度的同时，其前提就必然要降低韧性，所以相关专家很早就提出了普遍共识，即既要提高硬质合金的硬度，又要提高其韧性，那就必然需要形成梯度材料，所以，现今越来越多的相关企业对梯度硬质合金进行研究；而现今，针对梯度硬质合金研究较多的是成分梯度，即粘接金属Co、Ni在产品中从外至里呈递增分布。
目前，针对梯度硬质合金的制备方法有很多种，如瑞典山特和美国犹他大学的气体渗碳法、分层压制成型法、熔体浸渗法等。其中，气体渗碳法主要是控制碳在合金内部的不同溶度，从而形成钴的分布不同，此工艺加工复杂，并且很难控制，因此难以形成工业化的生产；而分层压制法又容易出现均质化，因此很难形成梯度，同时合金还容易出现变形，所以，其适用性也很低；而熔体浸渗法则需要在高温下将合金浸入熔体，这样能耗极高，且非常不易控制梯度。上述工艺虽然都能制备一定程度的梯度硬质合金，但其工艺都较为复杂，而且不易控制，难以得到工业化，所以，针对目前梯度硬质合金制备工艺中存在的相关问题，亟需加以突破性改进。
发明内容
(1)要解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种梯度硬质合金的制备方法，该制备方法旨在解决现今梯度硬质合金的制备工艺存在工艺较为复杂，而且不易控制，难以得到工业化的技术问题；该制备方法通过利用活化剂作为载体，并将合金毛坯置于活化剂的熔体中，使活化剂从合金毛坯由表及里进行扩散，并在合金毛坯烧结过程中，使活化剂发生裂解，产生活性碳，使合金毛坯里的碳产生梯度分布；同时，该制备方法操作简单，非常容易控制，对梯度硬质合金可形成稳定的工业化制备路径，对硬质合金性能的普遍提升具有极强的适用性。
(2)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种梯度硬质合金的制备方法，其具体步骤为：
步骤一、选取费氏粒度为5.0-10.0μm的碳化钨和费氏粒度为1.0-3.0μm的钴粉，将碳化钨和钴粉配制成钴含量为6-10％、总碳为5.3-5.8％的混合料；
步骤二、取步骤一得到的混合料，控制其在球料比为1-6:1、液料比为0.1-0.6L/Kg的条件下，进行湿磨6-70小时；
在实际操作过程中，该步骤中球料比的球为合金圆柱体(即通常合金研磨棒)，该步骤中液料比的液为湿磨介质(即通常为无水酒精)。
步骤三、取步骤二湿磨后的料浆进行喷雾干燥制粒，控制喷雾干燥制粒的粒度为80-150μm，得到混合粉料；
步骤四、取步骤三得到的混合粉料，将其压制成球齿毛坯；
步骤五、取用活化剂，对其进行真空加热，控制加热温度为140-170℃，使活化剂变成液态，再取步骤四得到的球齿毛坯，将其放入液态的活化剂中，保温10-120分钟，之后断电随冷；
步骤六、取出步骤五处理后的球齿毛坯，并用去离子水对其表面进行清洗，再对其进行烘干；
步骤七、取步骤六处理后的球齿毛坯，将其放入低压炉中进行烧结，控制预烧温度为300-500℃，并保温30-80分钟，从而使活化剂发生裂解，产生活性碳，使球齿产品产生碳梯度分布，之后继续升温至1300-1500℃，并保温30-100分钟，且加压1-10MPa，其后断电随炉冷却至常温，得到梯度硬质合金。
优选地，在步骤一中，选取费氏粒度为6.5μm的碳化钨和费氏粒度为1.5μm的钴粉，将碳化钨和钴粉配制成钴含量为7-9％、总碳为5.6-5.7％的混合料。
优选地，在步骤五中，取用活化剂，对其进行真空加热，控制加热温度为150-160℃，使活化剂变成液态，再取步骤四得到的球齿毛坯，将其放入液态的活化剂中，保温30-60分钟，之后断电随冷。
优选地，在步骤七中，取步骤六处理后的球齿毛坯，将其放入低压炉中进行烧结，控制预烧温度为400℃，并保温60分钟，从而使活化剂发生裂解，产生活性碳，使球齿产品产生碳梯度分布，之后继续升温至1450℃，并保温70分钟，且加压8MPa，其后断电随炉冷却至常温，得到梯度硬质合金。
优选地，在步骤五和七中，所述活化剂为葡萄糖；通过葡萄糖可极佳地对硬质合金进行活化，利用葡萄糖受热熔化的性质，使球齿毛坯放入其中时可发生高效的渗透，并在后续步骤的烧结中，使其发生裂解产生活性碳，有效地使球齿产品产生碳梯度分布。
(3)有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：该制备方法通过利用活化剂作为载体，并将合金毛坯置于活化剂的熔体中，使活化剂从合金毛坯由表及里进行扩散，并在合金毛坯烧结过程中，使活化剂发生裂解，产生活性碳，使合金毛坯里的碳产生梯度分布，由表至里碳递减；而在合金烧结过程中，碳含量又会影响液相的温度和数量，碳含量高的地方钴相熔点较低，更早地出现钴相液体，由于表面张力和毛细管作用，从而导致钴液体从含碳量高地方流向含碳低的部位，从而使合金由表至里产生钴含量递增；本发明就是利用这种机理来制备梯度硬质合金，使硬质合金钴相分布由表至里递增，从而使硬质合金性能指标表现出“产品硬度由表至里呈现递减，边缘硬度高，中心部位硬度低，硬质合金中钴相由表至里呈递增分布”。
同时，该制备方法操作简单，非常容易控制，对梯度硬质合金可形成稳定的工业化制备路径，对硬质合金性能的普遍提升具有极强的适用性。
此外，该制备方法通过各步骤最适宜的参数选择，如各步骤中的加热温度和保持时间，都是通过大量的实验和尝试才得出的最优参数，具有极高的实用性，通过最优化的加热和处理时间，极大地提升了硬质合金的成分梯度效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1得到的梯度硬质合金样品一的钴含量分布(能谱曲线图)。
图2为本发明实施例1得到的梯度硬质合金样品一的钴含量分布(能谱曲线图)其中的曲线轴线图。
图3为本发明实施例2得到的梯度硬质合金样品二的钴含量分布(能谱曲线图)。
图4为本发明实施例2得到的梯度硬质合金样品二的钴含量分布(能谱曲线图)其中的曲线轴线图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。
实施例1
实施原料：(1)碳化钨：费氏粒度为6.5μm，总碳为6.1％；(2)钴粉：费氏粒度为1.5μm；(3)成型剂：58号石蜡；(4)湿磨介质：无水酒精；(5)活化剂：食用级葡萄糖。
该制备梯度硬质合金的具体步骤为：
步骤一、取用279Kg的碳化钨和21Kg的钴粉，将碳化钨和钴粉配制成钴含量为7％、总碳为5.67％的混合料；
步骤二、取步骤一得到的混合料放入300L可倾式湿磨机中，并加1.2吨合金研磨棒，以及90L无水酒精和7Kg成型剂58号石蜡，进行湿磨40小时；
步骤三、取步骤二湿磨后的料浆进行喷雾干燥制粒，控制喷雾干燥制粒的粒度为80-150μm，得到混合粉料；
步骤四、取步骤三得到的混合粉料，将其压制成球齿毛坯；
步骤五、取用100Kg食用级葡萄糖和300Kg步骤四得到的球齿毛坯，放入真空加热炉中进行加热，将其加热到160℃，并在该温度下保温30分钟，之后断电随冷；
步骤六、取出步骤五处理后的球齿毛坯，并用去离子水对其表面进行清洗，再用烘干箱对其进行烘干；
步骤七、取步骤六处理后的球齿毛坯，将其放入低压炉中进行烧结，控制预烧温度为400℃，并保温60分钟，从而使葡萄糖裂解出活性碳，之后继续升温至1450℃，并保温70分钟，且加压8MPa，其后断电随炉冷却至常温，得到梯度硬质合金样品一。
性能检测
对梯度硬质合金样品一的性能指标进行检测，得到如下表：
Figure BDA0002624052260000061
实施例2
实施原料：(1)碳化钨：费氏粒度为6.5μm，总碳为6.1％；(2)钴粉：费氏粒度为1.5μm；(3)成型剂：58号石蜡；(4)湿磨介质：无水酒精；(5)活化剂：食用级葡萄糖。
本制备梯度硬质合金的实施例与实施例1相比，区别在于使球齿毛坯在活化剂中保温时间进行延长，观察提升其效果，具体步骤为：
步骤一、取用279Kg的碳化钨和21Kg的钴粉，将碳化钨和钴粉配制成钴含量为7％、总碳为5.67％的混合料；
步骤二、取步骤一得到的混合料放入300L可倾式湿磨机中，并加1.2吨合金研磨棒，以及90L无水酒精和7Kg成型剂58号石蜡，进行湿磨40小时；
步骤三、取步骤二湿磨后的料浆进行喷雾干燥制粒，控制喷雾干燥制粒的粒度为80-150μm，得到混合粉料；
步骤四、取步骤三得到的混合粉料，将其压制成球齿毛坯；
步骤五、取用100Kg食用级葡萄糖和300Kg步骤四得到的球齿毛坯，放入真空加热炉中进行加热，将其加热到160℃，并在该温度下保温60分钟，之后断电随冷；
步骤六、取出步骤五处理后的球齿毛坯，并用去离子水对其表面进行清洗，再用烘干箱对其进行烘干；
步骤七、取步骤六处理后的球齿毛坯，将其放入低压炉中进行烧结，控制预烧温度为400℃，并保温60分钟，从而使葡萄糖裂解出活性碳，之后继续升温至1450℃，并保温70分钟，且加压8MPa，其后断电随炉冷却至常温，得到梯度硬质合金样品二。
性能检测
对梯度硬质合金样品二的性能指标进行检测，得到如下表：
Figure BDA0002624052260000081
以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，其具体步骤为：
步骤一、选取费氏粒度为5.0-10.0μm的碳化钨和费氏粒度为1.0-3.0μm的钴粉，将碳化钨和钴粉配制成钴含量为6-10％、总碳为5.3-5.8％的混合料；
步骤二、取步骤一得到的混合料，控制其在球料比为1-6:1、液料比为0.1-0.6L/Kg的条件下，进行湿磨6-70小时；
步骤三、取步骤二湿磨后的料浆进行喷雾干燥制粒，控制喷雾干燥制粒的粒度为80-150μm，得到混合粉料；
步骤四、取步骤三得到的混合粉料，将其压制成球齿毛坯；
步骤五、取用活化剂，对其进行真空加热，控制加热温度为140-170℃，使活化剂变成液态，再取步骤四得到的球齿毛坯，将其放入液态的活化剂中，保温10-120分钟，之后断电随冷；所述活化剂为食用级葡萄糖；
步骤六、取出步骤五处理后的球齿毛坯，并用去离子水对其表面进行清洗，再对其进行烘干；
步骤七、取步骤六处理后的球齿毛坯，将其放入低压炉中进行烧结，控制预烧温度为300-500℃，并保温30-80分钟，从而使活化剂发生裂解，产生活性碳，使球齿产品产生碳梯度分布，之后继续升温至1300-1500℃，并保温30-100分钟，且加压1-10MPa，其后断电随炉冷却至常温，得到梯度硬质合金。
2.根据权利要求1所述的一种梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，在步骤一中，选取费氏粒度为6.5μm的碳化钨和费氏粒度为1.5μm的钴粉，将碳化钨和钴粉配制成钴含量为7-9％、总碳为5.6-5.7％的混合料。
3.根据权利要求1所述的一种梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，在步骤五中，取用活化剂，对其进行真空加热，控制加热温度为150-160℃，使活化剂变成液态，再取步骤四得到的球齿毛坯，将其放入液态的活化剂中，保温30-60分钟，之后断电随冷。
4.根据权利要求1所述的一种梯度硬质合金的制备方法，其特征在于，在步骤七中，取步骤六处理后的球齿毛坯，将其放入低压炉中进行烧结，控制预烧温度为400℃，并保温60分钟，从而使活化剂发生裂解，产生活性碳，使球齿产品产生碳梯度分布，之后继续升温至1450℃，并保温70分钟，且加压8MPa，其后断电随炉冷却至常温，得到梯度硬质合金。
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