CN112553565A - 一种硬质合金压制品烧结用隔层 - Google Patents

一种硬质合金压制品烧结用隔层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬质合金压制品烧结用隔层，隔层是制作在硬质合金压制品烧结用的承烧板上，以用来阻隔硬质合金压制品与承烧板的直接接触以及阻隔硬质合金压制品和承烧板在烧结过程中相互影响所产生的化学反应；隔层是由粒度范围在1um～150um的Al2O3、SiO2、TiO2、MgO、Cr2O3和ZrO2中的两种或两种以上氧化物组成，采用火焰喷涂技术，在0.10Mpa～0.40Mpa的乙炔、氧气作用下，成型在承烧板上。本发明的隔层不仅阻隔了硬质合金压制品和承烧板之间的物理化学反应，而且还尽可能的降低了隔层本身的物理化学变化，从而明显增加了隔层在硬质合金压制品烧结应用上的使用寿命。

Description

一种硬质合金压制品烧结用隔层
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，特别是涉及一种硬质合金压制品烧结用隔层。
背景技术
硬质合金是将各种碳化物和粘结金属的粉末配置成一定成分、一定粒度的均匀混合物，混合物经加压压制后，再经烧结成为合金体。在烧结工序中，需承载混合物压制成型的压制品的承烧板。在烧结过程中，承烧板会与压制品发生不同程度的反应，影响烧结后合金体的成分组织，影响合金体的使用性能，因此需要在承烧板与压制品之间设置烧结用隔层。
常温手工涂覆和石墨纸无需进行设备投入隔层成本相对低，试验该类隔层发现使用寿命低，使用数次后即会出现大量裂纹从而脱落失效，不利于自动化。而手工涂覆的研究方向主要集中在涂料成分上，中国专利申请CN104017396A、专利申请CN1482193A、专利申请CN107201061A等公开了不同手工涂覆涂料成分，但是对其使用寿命问题也未曾提及。例如专利申请CN1482193A公开了炭黑、聚乙二醇、吐温、负离子水等一定比例混合为均匀悬浮液涂覆在硬质合金承烧板上，实现硬质合金烧结不粘舟、制品表面无脏化渗脱碳现象，保证产品尺寸精度和质量要求，然而对悬浮液的使用寿命方面未有相关信息。
在热喷涂技术中，美国专利US 5993970公开了一种硬质合金烧结用的隔层，隔层采用等离子喷涂技术，以Y2O3(氧化钇)为主体的热喷涂材料实现，同时为增加隔层的使用次数，在承烧板上预喷涂一层Mo打底，该专利围绕新喷涂材料和打底层对制品底部粘附情况(肉眼观测)及隔层使用寿命进行说明。试验该类隔层发现Y2O3为主体材料的隔层使用寿命虽有明显提高，但在制品烧结后，观测有Y元素溢出粘附在硬质合金表面的现象，影响硬质合金外观和组织性能。
硬质合金烧结用隔层的使用寿命需考虑隔层材料成型和烧结过程的物理化学变化，以及隔层材料与承烧板的热膨胀系数。例如，在热喷涂隔层沉积过程中，熔融的喷涂颗粒高速运动撞向承烧板时，颗粒从熔融温度降低到承烧板温度或前一隔层温度时快速冷却，急剧收缩，造成材料的变形、相变和状态变化的不均匀而引起残余应力。同时在热喷涂隔层沉积过程中，喷涂材料与承烧板的热膨胀系数不同冷却到室温时也会存在残余应力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种硬质合金压制品烧结用隔层，使得隔层不仅阻隔了硬质合金压制品和承烧板之间的物理化学反应，而且还尽可能的降低了隔层本身的物理化学变化，从而明显增加了隔层在硬质合金压制品烧结应用上的使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硬质合金压制品烧结用隔层，是制作在硬质合金压制品烧结用的承烧板上，以用来阻隔硬质合金压制品与承烧板的直接接触以及阻隔硬质合金压制品和承烧板在烧结过程中相互影响所产生的化学反应；所述隔层是由粒度范围在1um～150um的Al2O3(氧化铝)、SiO2(二氧化硅)、TiO2(二氧化钛)、MgO(氧化镁)、Cr2O3(氧化铬)和ZrO2(二氧化锆)中的两种或两种以上氧化物组成，采用火焰喷涂技术，在0.10Mpa～0.40Mpa的乙炔、氧气作用下，成型在承烧板上，并使得所述隔层的厚度为50um～500um，孔隙度为1％～30％；其中，成型温度为2500℃～3300℃。
所述两种或两种以上氧化物中，至少包含有Al2O3(氧化铝)，且Al2O3(氧化铝)的含量占两种或两种以上氧化物总重量的50％以上。
进一步的，Al2O3(氧化铝)的含量占所述两种或两种以上氧化物总重量的60％以上。
所述两种或两种以上氧化物的粒度范围均为10um～100um。
本发明的一种硬质合金压制品烧结用隔层，采用了火焰喷涂技术来成型硬质合金压制品烧结用隔层。火焰喷除，是指利用气体燃烧火焰的高温将喷涂材料(金属丝或粉末)熔化，并用压缩空气流将它喷射到工件表面上形成涂层。火焰喷涂是用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层。火焰喷涂是利用燃气乙炔、丙烷、甲基乙炔一丙二烯(MPS)、氢气或天然气与助燃气体氧混合燃烧作为热源，喷涂材料则以一定的传输方式进入火焰，加热到熔融或软化状态，然后，依靠气体或火焰加速喷射到基体上。火焰喷涂分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。本发明采用的是粉末火焰喷涂，粉末火焰喷涂是以氧乙炔火焰为热源，把自熔剂合金粉末喷涂在经过预处理的工件表面上，在保证工件不熔化的前提下，加热涂层，使其熔融并润湿工件，通过液态合金与固态工件表面的相互溶解、扩散，形成呈冶金结构并具有特殊性能的表面熔覆层。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明的隔层选择热膨胀系数与承烧板相近的材料Al2O3(氧化铝)、SiO2(二氧化硅)、TiO2(二氧化钛)、MgO(氧化镁)、Cr2O3(氧化铬)和ZrO2(二氧化锆)中的两种或两种以上氧化物，采用火焰喷涂技术，在一定条件下，成型在承烧板上，可以降低隔层成型温度和烧结使用温度差异，避免隔层各成分成型和烧结时的物理化学变化，使得制成的隔层不仅阻隔了硬质合金压制品和承烧板之间的物理化学反应，而且还尽可能的降低了隔层本身的物理化学变化，从而明显增加了隔层在硬质合金压制品烧结应用上的使用寿命。
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种硬质合金压制品烧结用隔层不局限于实施例。
具体实施方式
实施例
本发明的一种硬质合金压制品烧结用隔层，是制作在硬质合金压制品烧结用的承烧板上，以用来阻隔硬质合金压制品与承烧板的直接接触以及阻隔硬质合金压制品和承烧板在烧结过程中相互影响所产生的化学反应；所述隔层是由粒度范围在1um～150um的Al2O3(氧化铝)、SiO2(二氧化硅)、TiO2(二氧化钛)、MgO(氧化镁)、Cr2O3(氧化铬)和ZrO2(二氧化锆)中的两种或两种以上氧化物组成，采用火焰喷涂技术，在0.10Mpa～0.40Mpa的乙炔、氧气作用下，成型在承烧板上，并使得所述隔层的厚度为50um～500um，孔隙度为1％～30％；其中，成型温度为2500℃～3300℃。
硬质合金是采用粉末冶金技术，通过压制形成具有特定几何形状的硬质合金压制品即压制品，将压制品放置在本发明隔层上进行烧结。
本发明的隔层采用了火焰喷涂技术，在2500℃～3300℃的成型温度下，气体压力控制在0.10Mpa～0.40Mpa，在乙炔、氧气的作用下，成型在承烧板上。火焰喷除，是指利用气体燃烧火焰的高温将喷涂材料(金属丝或粉末)熔化，并用压缩空气流将它喷射到工件表面上形成涂层。火焰喷涂是用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层。火焰喷涂是利用燃气乙炔、丙烷、甲基乙炔一丙二烯(MPS)、氢气或天然气与助燃气体氧混合燃烧作为热源，喷涂材料则以一定的传输方式进入火焰，加热到熔融或软化状态，然后，依靠气体或火焰加速喷射到基体上。火焰喷涂分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。本发明采用的是粉末火焰喷涂，粉末火焰喷涂是以氧乙炔火焰为热源，把自熔剂合金粉末喷涂在经过预处理的工件表面上，在保证工件不熔化的前提下，加热涂层，使其熔融并润湿工件，通过液态合金与固态工件表面的相互溶解、扩散，形成呈冶金结构并具有特殊性能的表面熔覆层。
成型后的隔层，采用千分尺多点测量隔层厚度，使用日立S-3700N扫描电子显微镜(SEM)对隔层截面形貌进行拍摄，采用图像处理软件进行孔隙度统计，并采用压汞仪检测隔层中的通孔。
以下结合具体例子对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
一种硬质合金压制品烧结用隔层，刀片型号为CNMG120404，压制品为超细晶颗粒的硬质合金，WC平均粒径0.4um，其中Co质量百分数为12％。
隔层1-5：达到本发明目的隔层，材料选择A和≤50wt.％B，所述A为Al2O3，所述B为SiO2、TiO2、MgO、Cr2O3或ZrO2中的一种或多种。
隔层6-12：对比隔层的承烧板、刀片型号及压制品与本发明相同。
(1)应用等离子喷涂技术，成型对比隔层，隔层材料选择ZrO2、Y2O3、Al2O3、SiO2、Cr2O3；
(2)应用本发明，成型对比隔层，隔层材料选择Al2O3、Cr2O3、Y2O3、SiO2、ZrO2。
各隔层的成型信息及特性指标见表1。
表1 隔层成型信息及特性指标
Figure BDA0002777836400000041
Figure BDA0002777836400000051
将压制品放在不同承烧板隔层上，烧结温度为1380℃，烧结60min，以10℃/min～100℃/min冷却速率降温到1000℃以下再自然冷却后将合金卸下，再将压制品放置在隔层上进行第二次烧结，如此反复烧结冷却直至承烧板隔层出现失效。
隔层1-5：隔层的使用寿命为15-25次，在烧结前期过程中隔层表面完整，没有出现局部或整体脱落或龟裂。在烧结后期过程中，隔层最终因接触区域局部脱落而失效，而在烧结整个过程中烧结产品都可以轻松卸下，表面无异常。
隔层6：对比隔层ZrO2+8％Y2O3的使用寿命为7次，在烧结前期过程中隔层出现与烧结产品轻微粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，烧结产品需稍用力卸下，烧结样品表面粘结部分隔层材料。
隔层7-8：对比隔层Al2O3+25％SiO2、Al2O3+30％Cr2O3采用等离子喷涂技术，在烧结前期过程中出现大片的龟裂，有小部分脱落的现象，在烧结后期过程中大片龟裂隔层全部脱落而失效。
隔层9-12：对比隔层因材料的不同使用寿命为3-10次，Cr2O3隔层因烧结过程产生大量的龟裂而脱落。Al2O3隔层在整个烧结过程中，隔层表面逐渐产生龟裂，最终隔层大量脱落而失效。Al2O3+30％Y2O3、ZrO2+25％SiO2隔层在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，同时Al2O3+30％Y2O3隔层烧结样品表面出现不同程度的Y元素的杂质。
隔层13：对比隔层Al2O3+25％SiO2厚度变薄，烧结样品与隔层接触区的局部脱落时间明显提前，在烧结后期过程中，接触区隔层全部脱落而失效。
隔层14：对比隔层Al2O3+30％Cr2O3孔隙度增大，在烧结前期过程中整个隔层出现轻微龟裂现象，在烧结后期过程中整个隔层出现严重龟裂脱落而失效。
实施例2
一种硬质合金压制品烧结用隔层，刀片型号为CNMG120404，压制品为亚微米颗粒的硬质合金，WC平均粒径0.8um，其中Co质量百分数为10％。隔层材料选择与实施例1中相同。
各隔层的成型信息及特性指标见表2。
表2 隔层成型信息及特性指标
Figure BDA0002777836400000061
将压制品放在不同承烧板隔层上，烧结温度为1420℃，烧结60min，以10℃/min～100℃/min冷却速率降温到1000℃以下再自然冷却后将合金卸下，再将压制品放置在隔层上进行第二次烧结，如此反复烧结冷却直至承烧板隔层出现失效。
隔层1-5：隔层的使用寿命为18-26次，在烧结前期过程中隔层表面完整，没有出现局部或整体脱落或龟裂。在烧结后期过程中，隔层最终因接触区域局部脱落而失效，而在烧结整个过程中烧结产品都可以轻松卸下，表面无异常。
隔层6：对比隔层ZrO2+8％Y2O3的使用寿命为9次，在烧结前期过程中隔层出现与烧结产品轻微粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，烧结产品需稍用力卸下，烧结样品表面粘结部分隔层材料。
隔层7-8：对比隔层Al2O3+25％SiO2、Al2O3+30％Cr2O3采用等离子喷涂技术，在烧结前期过程中出现部分龟裂，有小部分脱落的现象，在烧结后期过程中大片龟裂隔层全部脱落而失效。
隔层9-12：对比隔层因材料的不同使用寿命为5-12次，Cr2O3隔层在烧结前期过程中，出现部分的龟裂，有小部分脱落的现象，在烧结后期过程中产生大量的龟裂而脱落。Al2O3隔层在在烧结前期过程中，隔层未出现明显的龟裂和粘结现象，在烧结后期过程中，隔层表面逐渐产生龟裂，最终隔层大量脱落而失效。Al2O3+30％Y2O3、ZrO2+25％SiO2隔层在烧结前期过程中，隔层出现与烧结产品轻微粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，同时Al2O3+30％Y2O3隔层烧结样品表面出现不同程度的Y元素的杂质。
隔层13：对比隔层Al2O3+25％SiO2厚度变薄，烧结样品与隔层接触区的出现粘结现象，在烧结后期过程中，接触区隔层全部脱落而失效。
隔层14：对比隔层Al2O3+30％Cr2O3孔隙度增大，在烧结前期过程中部分隔层出现轻微龟裂现象，在烧结后期过程中整个隔层出现严重龟裂脱落而失效。
实施例3
一种硬质合金压制品烧结用隔层，刀片型号为CNMG120404，压制品为中颗粒的硬质合金，WC平均粒径1.5um，其中Co质量百分数为6％。隔层材料选择与实施例1中相同。
各隔层的成型信息及特性指标见表3。
表3 隔层成型信息及特性指标
Figure BDA0002777836400000071
Figure BDA0002777836400000081
将压制品放在不同承烧板隔层上，烧结温度为1450℃，烧结60min，以10℃/min～100℃/min冷却速率降温到1000℃以下再自然冷却后将合金卸下，再将压制品放置在隔层上进行第二次烧结，如此反复烧结冷却直至承烧板隔层出现失效。
隔层1-5：隔层的使用寿命为20-30次，在烧结前期过程中,隔层表面完整，没有出现局部或整体脱落或龟裂。在烧结后期过程中，隔层最终因接触区域局部脱落而失效，而在烧结整个过程中烧结产品都可以轻松卸下，表面无异常。
隔层6：对比隔层ZrO2+8％Y2O3的使用寿命为12次，在烧结前期过程中,隔层表面完整，没有出现与烧结产品轻微粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，烧结产品需稍用力卸下，烧结样品表面粘结部分隔层材料。
隔层7-8：对比隔层Al2O3+25％SiO2、Al2O3+30％Cr2O3采用等离子喷涂技术，在烧结前期过程中出现部分龟裂，但无脱落的现象，在烧结后期过程中，龟裂情况严重，部分隔层因龟裂脱落而失效。
隔层9-12：对比隔层因材料的不同使用寿命为8-15次，整个失效过程时间相对延迟。Cr2O3隔层在烧结前期过程中，出现部分的龟裂，有小部分脱落的现象，在烧结后期过程中产生大量的龟裂而脱落。Al2O3隔层在在烧结前期过程中，隔层未出现明显的龟裂和粘结现象，在烧结后期过程中，隔层表面逐渐产生龟裂，最终隔层大量脱落而失效。Al2O3+30％Y2O3、ZrO2+25％SiO2隔层在烧结前期过程中，隔层出现与烧结产品轻微粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，同时Al2O3+30％Y2O3隔层烧结样品表面出现不同程度的Y元素的杂质。
隔层13：对比隔层Al2O3+25％SiO2厚度变薄，烧结样品与隔层接触区的出现粘结现象，在烧结后期过程中，接触区隔层全部脱落而失效。
隔层14：对比隔层Al2O3+30％Cr2O3孔隙度增大，在烧结前期过程中部分隔层出现轻微龟裂现象，在烧结后期过程中整个隔层出现严重龟裂脱落而失效。
实施例4
一种硬质合金压制品烧结用隔层，刀片型号为CNMG120404，压制品为中颗粒的硬质合金，WC平均粒径2.0um，其中Co质量百分数为8％。隔层材料选择与实施例1中相同。
各隔层的成型信息及特性指标见表4。
表4 隔层成型信息及特性指标
Figure BDA0002777836400000091
将压制品放在不同承烧板隔层上，烧结温度为1450℃，烧结60min，以10℃/min～100℃/min冷却速率降温到1000℃以下再自然冷却后将合金卸下，再将压制品放置在隔层上进行第二次烧结，如此反复烧结冷却直至承烧板隔层出现失效。
隔层1-5：隔层的使用寿命为15-23次，在烧结前期过程中隔层表面完整，没有出现局部或整体脱落或龟裂，烧结产品都可以轻松卸下，表面无异常。在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结造成的局部脱落而失效，烧结产品需稍用力卸下，烧结样品表面粘结部分隔层材料。
隔层6：对比隔层ZrO2+8％Y2O3的使用寿命为6次，在烧结前期过程中隔层出现与烧结产品轻微粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部严重粘结造成的局部脱落而失效，烧结产品需用力卸下，烧结样品表面粘结大量隔层材料。
隔层7-8：对比隔层Al2O3+25％SiO2、Al2O3+30％Cr2O3采用等离子喷涂技术，在烧结前期过程中出现大量龟裂，有部分脱落的现象，在烧结后期过程中隔层因龟裂严重全部脱落而失效。
隔层9-12：对比隔层因材料的不同使用寿命为3-9次，整个失效过程时间相对提前。Cr2O3隔层在烧结前期过程中，出现部分的龟裂，有部分脱落的现象，在烧结后期过程中产生大量的龟裂而全部脱落。Al2O3隔层在在烧结前期过程中，隔层出现轻微的龟裂现象，在烧结后期过程中，隔层表面龟裂严重，最终隔层大量脱落而失效。Al2O3+30％Y2O3、ZrO2+25％SiO2隔层在烧结前期过程中，隔层出现与烧结产品粘结的现象，在烧结后期过程中，烧结样品与隔层接触区出现因烧结样品底部粘结严重造成的脱落而失效，同时Al2O3+30％Y2O3隔层烧结样品表面出现不同程度的Y元素的杂质。
隔层13：对比隔层Al2O3+25％SiO2厚度变薄，烧结样品与隔层接触区的出现粘结现象，在烧结后期过程中，接触区隔层全部粘结脱落而失效。
隔层14：对比隔层Al2O3+30％Cr2O3孔隙度增大，在烧结前期过程中部分隔层出现龟裂现象，在烧结后期过程中整个隔层出现严重龟裂脱落而失效。
烧结结果表明，本发明采用火焰喷涂技术，选择由粒度范围在1um～150um的Al2O3、SiO2、TiO2、MgO、Cr2O3、ZrO2两种以上(含两种)氧化物组成的喷涂材料，将隔层总膜厚控制在50um～500um，孔隙度控制在1％～30％，可以有效的延长隔层的使用寿命和接触反应，在硬质合金压制品与承烧板之间起到了很好的阻隔作用，提供了合格的合金体。
本发明的一种硬质合金压制品烧结用隔层，隔层选择热膨胀系数与承烧板相近的材料Al2O3(氧化铝)、SiO2(二氧化硅)、TiO2(二氧化钛)、MgO(氧化镁)、Cr2O3(氧化铬)和ZrO2(二氧化锆)中的两种或两种以上氧化物，采用火焰喷涂技术，在一定条件下，成型在承烧板上，可以降低隔层成型温度和烧结使用温度差异，避免隔层各成分成型和烧结时的物理化学变化，使得制成的隔层不仅阻隔了硬质合金压制品和承烧板之间的物理化学反应，而且还尽可能的降低了隔层本身的物理化学变化，从而明显增加了隔层在硬质合金压制品烧结应用上的使用寿命。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种硬质合金压制品烧结用隔层，其特征在于：隔层是制作在硬质合金压制品烧结用的承烧板上，以用来阻隔硬质合金压制品与承烧板的直接接触以及阻隔硬质合金压制品和承烧板在烧结过程中相互影响所产生的化学反应；所述隔层是由粒度范围在1um～150um的Al2O3(氧化铝)、SiO2(二氧化硅)、TiO2(二氧化钛)、MgO(氧化镁)、Cr2O3(氧化铬)和ZrO2(二氧化锆)中的两种或两种以上氧化物组成，采用火焰喷涂技术，在0.10Mpa～0.40Mpa的乙炔、氧气作用下，成型在承烧板上，并使得所述隔层的厚度为50um～500um，孔隙度为1％～30％；其中，成型温度为2500℃～3300℃。
2.根据权利要求1所述的硬质合金压制品烧结用隔层，其特征在于：所述两种或两种以上氧化物中，至少包含有Al2O3(氧化铝)，且Al2O3(氧化铝)的含量占两种或两种以上氧化物总重量的50％以上。
3.根据权利要求2所述的硬质合金压制品烧结用隔层，其特征在于：进一步的，Al2O3(氧化铝)的含量占所述两种或两种以上氧化物总重量的60％以上。
4.根据权利要求1或2或3所述的硬质合金压制品烧结用隔层，其特征在于：所述两种或两种以上氧化物的粒度范围均为10um～100um。
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