CN113005381A - 一种碳化钨基硬质合金表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化钨基硬质合金表面处理方法，包括以下步骤：(1)对碳化钨基硬质合金表面进行研磨和抛光；(2)对步骤(1)处理后的碳化钨基硬质合金表面进行复合喷丸；(3)对步骤(2)处理后的碳化钨基硬质合金表面进行研磨和抛光，完成表面处理；其中步骤(2)中，所述复合喷丸包括第一次喷丸和第二次喷丸，第一次喷丸采用钢丸，第二次喷丸采用陶瓷丸。本发明采用复合喷丸方法使得硬质合金表面性能均匀化，具有可操作性强、工艺流程少、加工成本低、可实现自动化生产的特点，该方法制备得到的硬质合金表面强化层压应力大、硬度高，性能均匀、稳定、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化钨基硬质合金表面处理方法，属于表面改性领域。
背景技术
硬质合金具有高硬度、高强度、耐磨损、热膨胀系数小等优点，在切削工具、岩凿工具、成型模具、耐磨零件及超高压装置等方面有着广泛应用，被称为“工业的牙齿”。但硬质合金在苛刻的服役环境中易受到动载荷、应力、热等因素的影响，从而发生疲劳、软化等失效。针对大多数失效均发生在与外界直接接触的工件表面的特点，采用表面改性方法提高其表面性能是有效的解决途径。近年来，利用表面渗碳、表面涂层、交流磁场强化、激光表面改性、机械喷丸等对硬质合金进行表面强化均取得了良好效果。但这些表面处理方法对所引入的残余压应力场、硬度值等的分布情况关注很少。实际上，表面改性后表层应力场、硬度值等的分布存在明显的分散现象，即不同测量点或微区的真实值间存在较大差异，某些区域甚至存在残余拉应力及循环软化点，这会导致局部应力集中和硬度降低，出现“残余应力洞”现象，从而直接影响各种表面改性方法的强化效果，甚至导致提前失效。因此需要开发出表面性能均匀的表面强化层，避免或减少局部弱区的出现，提升硬质合金的服役表现。
发明内容
本发明的目的在于使碳化钨基硬质合金表层的硬度、残余压应力场等表面性能均匀化，以预防可能出现的局部应力集中和“残余应力洞”现象，保证表面强化技术增益效果的均匀性和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供一种碳化钨基硬质合金表面处理方法，包括以下步骤：
(1)对碳化钨基硬质合金表面进行研磨和抛光；
(2)对步骤(1)处理后的碳化钨基硬质合金表面进行复合喷丸；
(3)对步骤(2)处理后的碳化钨基硬质合金表面进行研磨和抛光；
其中步骤(2)中，所述复合喷丸包括第一次喷丸和第二次喷丸，第一次喷丸采用钢丸，第二次喷丸采用陶瓷丸。
优选地，第一次喷丸的喷丸强度为0.5-1mmA，覆盖率为100％-200％，工作距离为50-150mm。
优选地，第二次喷丸的喷丸强度为0.1-0.4mmA，覆盖率为100％-200％，工作距离为50-150mm。
由于硬质合金硬度高、韧性差，普通喷丸处理易造成两个问题：一是喷丸强度较低时，达不到有效提高硬质合金表层性能的目的；二是喷丸强度较高时，易造成表面出现显微裂纹等损伤，弱化甚至完全丧失增益效果。因此，需要慎重合理地选择相关工艺参数。
优选地，所述钢丸的直径为0.4-0.8mm。更优选0.6-0.7mm。
优选地，所述陶瓷丸的直径为0.1-0.4mm。更优选0.2-0.3mm。
优选地，步骤(1)和步骤(3)中，采用由粗到细的金刚石砂纸进行多级研磨，最后一级研磨采用目数为1000目以上的金刚石砂纸进行研磨。
优选地，步骤(1)和步骤(3)中，采用由粗到细的金刚石颗粒悬浮液进行多级抛光，最后一级抛光采用粒径为0.5μm以下的金刚石颗粒悬浮液进行抛光。
优选地，所述碳化钨基硬质合金为碳化钨-钴硬质合金。
优选地，所述钢丸为铸钢丸和/或钢丝切丸。
优选地，所述第一次喷丸和第二次喷丸的覆盖率为100％-150％。
喷丸过程采用气动机械喷丸机，以自动控制为佳。
复合喷丸完成后，重复步骤(1)进行的研磨和抛光，以保证表面粗糙度恢复至喷丸前水平。
喷丸后的研磨和抛光应去除厚度为10-20μm的表层，厚度以15μm为佳。
以碳化钨-钴硬质合金为例，上述表面处理方法可将硬度提高20％以上，碳化钨和钴中残余压应力可达-1500MPa和-500MPa以上。
本发明采用复合喷丸方法使得硬质合金表面性能均匀化，具有可操作性强、工艺流程少、加工成本低、可实现自动化生产的特点，该方法制备得到的硬质合金表面强化层压应力大、硬度高，性能均匀、稳定、可靠。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程示意图；
图2为喷丸后碳化钨相中残余压应力沿深度方向的分布对比图；
图3为喷丸后钴相中残余压应力沿深度方向的分布对比图；
图4为普通喷丸后表面碳化钨相中残余压应力分布图；
图5为复合喷丸后表面碳化钨相中残余压应力分布图；
图6为普通喷丸后表面钴相中残余压应力分布图；
图7为复合喷丸后表面钴相中残余压应力分布图；
图8为普通喷丸和复合喷丸后硬度值沿深度方向的分布对比图；
图9为普通喷丸后表面纳米硬度值离散情况分布图；
图10为复合喷丸后表面纳米硬度值离散情况分布图；
图11为实施例1复合喷丸后表面形貌图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
实施例1
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，其化学成分见表1，喷丸工艺参数见表2。
表1碳化钨基硬质合金YG10化学成分
| WC | Co | 其余 |
| 90.0 | 10.0 | ≤1.0％ |
表2喷丸工艺参数
本实施例方法的具体步骤如图1的工艺流程图所示，详细介绍如下：
步骤1：YG10喷丸前先用各型号金刚石砂纸由粗到细(最细砂纸至少1000目)对其进行研磨，需要完全去除表面加工痕迹和附着物；
步骤2：依次利用5μm、2μm、1μm和0.5μm金刚石颗粒悬浮液进行抛光，需去除步骤1中研磨痕迹；
步骤3：采用铸钢丸进行普通喷丸(第一次喷丸)处理，完成残余压应力场的引入和表层硬度的提升；
步骤4：采用ZrO2陶瓷丸对完成步骤3后的YG10进行第二次喷丸处理，进一步提升硬度和残余压应力幅值，并完成硬度值和残余压应力场分布的均匀化处理。
步骤5：重复步骤1和步骤2的研磨和抛光内容，去除15μm厚的表面改性层，完成表面粗糙度的恢复。
采用X射线衍射结合电解剥层方法对经过喷丸处理的YG10表层应力沿深度方向的分布进行分析。其中，普通喷丸指依次经过步骤1、步骤2、步骤3、步骤5处理后的YG10硬质合金(下同)；复合喷丸指依次经过步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5处理后的YG10硬质合金(下同)。实验测试选用加拿大Proto LXRD应力分析仪，其中图2为碳化钨相中的残余应力沿深度方向的分布，图3为钴相中残余应力沿深度方向的分布。图2和图3表明，普通喷丸可以在YG10表层引入了幅值较高的残余压应力，但相较于普通喷丸，在相同深度处，经复合喷丸处理的碳化钨和钴中的残余压应力均得到相应的提高。说明复合喷丸可以进一步提高YG10硬质合金表层的残余压应力。经复合喷丸后，碳化钨和钴相中残余压应力幅值可提高至-1521MPa和-530MPa。
采用X射线应力仪对表面压应力分布均匀性进行了分析，见图4-7。实验仍选用加拿大Proto LXRD应力分析仪，其中，图4为经普通喷丸后YG10表面碳化钨中残余应力分布情况；图5为经复合喷丸后YG10表面碳化钨中残余应力分布情况；图6为经普通喷丸后YG10表面钴中残余应力分布情况；图7为经复合喷丸后YG10表面钴中残余应力分布情况。对比图4和图5表明，复合喷丸在进一步提高经普通喷丸后碳化钨中残余压应力的同时，大幅提高了碳化钨中残余压应力分布的均匀性。对比图6和图7表明，复合喷丸在进一步提高经普通喷丸后钴中残余压应力的同时，大幅提高了钴中残余压应力分布的均匀性。
采用北京DHV-1000数字硬度计对表层硬度沿深度方向的分布进行了分析，见图8。结果表明，普通喷丸提高了YG10表层显微硬度，复合喷丸进一步将表面显微硬度提高至1513HV，升幅达21％。
采用纳米压痕法对表面硬度分布均匀性进行了分析，见图9和图10，其中，图9为经普通喷丸后YG10表面纳米硬度分布情况；图10为经复合喷丸后YG10表面纳米硬度分布情况。实验测试选用美国iMicro Nanoindenter纳米压痕仪。结果表明，仅采用普通喷丸后表面纳米硬度值分布较为分散，但经复合喷丸处理后，表面纳米硬度值分布均匀性明显提高。
采用扫描电子显微镜(日本，JEOL)对喷丸后YG10表面形貌进行观察，见图11。结果表明，表面完好无裂纹。说明采用表2所示喷丸工艺参数不会造成表面损伤。
通过步骤5的研磨和抛光处理，可将普通喷丸和复合喷丸后的表面粗糙度恢复到喷丸前水平，即保证喷丸后表面粗糙度水平不变。
本实施例说明，仅通过普通喷丸(即第一次喷丸)，可以在YG10硬质合金表层引入有益的残余压应力，并提高硬度，但残余压应力场和硬度值的分布较为分散。在此基础上，通过第二次喷丸，可在保证或小幅提高硬度值和残余压应力幅值的基础上，显著改善残余压应力场和硬度值分布的均匀性。
实施例2
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同。区别仅在于喷丸工艺参数(见表3)，即整个复合喷丸过程中均采用铸钢丸，以对照其与陶瓷丸的差别。
表3喷丸工艺参数
采用实施例1中所述仪器和方法对经过喷丸处理的YG10表层应力和硬度沿深度方向分布及在表面分布的离散程度进行分析，结果表明，相对于普通一次喷丸来讲，复合喷丸中的第二次喷丸采用铸钢丸仅可在较浅深度范围内少许提高残余压应力和硬度值，分散性也有少许改善。相对于实施例1中采用的陶瓷丸来讲，本实施例中复合喷丸的影响深度较浅，同等深度处的提升幅度较小，残余压应力场和硬度值分布的离散程度未得到明显改善。
本实施例说明，对于硬度很高的硬质合金来讲，复合喷丸的两个步骤中均采用铸钢丸，不能明显改善残余压应力场和硬度值分布的均匀性。对比实施例1中采用陶瓷丸的效果说明，采用硬度较铸钢丸更高、尺寸较铸钢丸更小的陶瓷丸可以在普通一次喷丸造成硬质合金已经发生应变硬化的基础上进一步增加弹塑性变形量，提高残余压应力幅值和硬度值，并改善其分布均匀性。说明复合喷丸中第二次喷丸采用陶瓷丸具有更加明显的增益效果。
实施例3
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同。区别仅在于喷丸工艺参数(见表4)，即普通喷丸(或复合喷丸中的第一次喷丸)采用陶瓷丸，复合喷丸中的第二次喷丸采用铸钢丸，以对照第一次喷丸采用铸钢丸的差别。
表4喷丸工艺参数
第一次喷丸采用陶瓷丸，复合喷丸中第二次喷丸采用铸钢丸。结果表明，经第一次陶瓷丸喷丸处理后，YG10表层硬度和残余压应力值均显著提高，但经复合喷丸第二次铸钢丸喷丸后，表层硬度值、残余压应力值及其分布均匀性均未出现明显变化。
本实施例说明，经第一次陶瓷丸喷丸处理后，YG10硬质合金表层已经发生较大的应变硬化，后续第二次的铸钢丸喷丸处理，由于铸钢丸硬度较低，难以在已经发生明显组织细化和应变硬化的YG10硬质合金表层形成进一步的弹塑性变形和应变硬化，不能明显改善残余压应力场和硬度值的离散分布状况，失去了复合喷丸的意义。说明针对碳化钨基硬质合金而言，复合喷丸中第一次喷丸应采用硬度较小的铸钢丸，第二次喷丸应采用硬度较高的陶瓷丸。
实施例4
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同。区别仅在于喷丸工艺参数(见表5)，即复合喷丸过程中第二次喷丸仍采用陶瓷丸，但喷丸强度较大，以对照喷丸强度的影响。
表5喷丸工艺参数
采用尺寸更大、喷丸强度更高的ZrO2陶瓷丸完成复合喷丸中的第二次喷丸，结果表明，YG10表面出现明显裂纹，造成表面损伤，丧失普通喷丸的增益效果，甚至导致提前失效。
本实施例说明，复合喷丸中第二次喷丸所用陶瓷丸的尺寸和喷丸强度较大会造成表面损伤，不利于维持(甚至恶化)普通喷丸引入的增益效果。
实施例5
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同。区别仅在于喷丸工艺参数(见表6)，即复合喷丸过程中第二次喷丸仍采用陶瓷丸，但喷丸强度较小，以对照喷丸强度的影响。
表6喷丸工艺参数
采用尺寸较小、喷丸强度较小的ZrO2陶瓷丸完成复合喷丸中的第二次喷丸，结果表明，YG10表面无显微裂纹，但表层硬度值和残余压应力幅值以及其分散性几乎无任何改变。
本实施例说明，复合喷丸中第二次喷丸所用陶瓷丸的尺寸和喷丸强度较小时，不能进一步提高残余压应力幅值和硬度值，也不能改善残余压应力场和硬度值分布的均匀性，失去复合喷丸的意义。
实施例6
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YU12，化学成分见表7，喷丸工艺参数见表8，实施步骤与实施例1相同，以对比不同种类碳化钨基硬质合金的强化效果。
表7碳化钨基硬质合金YU12化学成分
| WC | Co | 其余 |
| 87.0 | 12.0 | 1.0％ |
表8喷丸工艺参数
采用含钴量较高、硬度稍低的YU12碳化钨基硬质合金，结果表明，普通喷丸可以明显提高残余压应力幅值和硬度值，复合喷丸可进一步提高残余压应力幅值和硬度值，并可较好地改善其分布均匀性。其中，残余压应力值最高可达-1466Mpa，硬度值可提高至1430HV。
本实施例说明，采用上述铸钢丸结合陶瓷丸的复合喷丸工艺，可以在其他种类碳化钨基硬质合金表层引入高幅值的残余压应力，提高硬度，并改善残余压应力场和硬度值分布的均匀性。
实施例7
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同，喷丸覆盖率分别为200％和300％，其余喷丸工艺参数与实施例1相同，以对比不同喷丸覆盖率的强化效果。
结果表明，覆盖率为200％时，普通喷丸和复合喷丸后YG10硬质合金表面均未出现显微裂纹；当覆盖率增加至300％后，普通喷丸后的YG10硬质合金表面未出现明显的显微裂纹，但复合喷丸后表面出现显微裂纹，造成表面损伤。
本实施例说明，喷丸覆盖率较高时，易在硬质合金表面引入显微裂纹，造成表面损伤，弱化或恶化普通喷丸所带来的增益效果。
由于喷丸覆盖率大于或等于100％时才能保证喷丸效果，低于100％则失去喷丸意义，故低于100％覆盖率喷丸的影响效果不再做实施例对比。
实施例8
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同，喷丸工作距离为300mm，弹丸种类、弹丸尺寸及喷丸覆盖率与实施例1相同，以对比不同工作距离的强化效果。
结果表明，喷丸工作距离为300mm时，普通喷丸和复合喷丸引起的残余压应力幅值和硬度值增加均较小，但复合喷丸后残余压应力场和硬度值分布均匀性得到改善。
本实施例说明，喷丸工作距离较大时，同等情况下的弹丸动能衰减较多，导致喷丸强度降低，不能较好地发挥喷丸的作用。但复合喷丸仍可以较好改善普通喷丸所引入的残余压应力场和硬度值分布的离散程度。
实施例9
所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同，喷丸工作距离为10mm，弹丸种类、弹丸尺寸及喷丸覆盖率与实施例1相同，以对比不同工作距离的强化效果。
结果表明，喷丸工作距离为10mm时，普通喷丸和复合喷丸引起硬度值明显增加，但残余压应力相对于实施例1却出现降低现象，表面局部出现显微裂纹。复合喷丸后残余压应力场和硬度值分布均匀性未得到明显改善。
本实施例说明，喷丸工作距离较小时，同等情况下的弹丸动能较高，导致表面局部出现显微裂纹，释放残余压应力。喷丸工作距离较小不仅会弱化喷丸的增益效果，亦不能显著改善残余压应力场和硬度值分布的均匀性。
实施例10
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分与实施例1相同。实施步骤中不包含步骤5，即普通喷丸和复合喷丸后不再进行后续的研磨和抛光处理，以对比表面粗糙度变化(见表9)。其中，Ra表示轮廓算术平均偏差，Rq表示相对于轮廓平均线偏差的均方根值，Rpv表示轮廓最高点至轮廓最低点的距离。
表9喷丸后表面粗糙度值
| 喷丸类型 | R<sub>a</sub>(微米) | R<sub>q</sub>(微米) | R<sub>pv</sub>(微米) |
| 普通喷丸 | 0.9857 | 1.2626 | 7.8737 |
| 复合喷丸 | 1.3344 | 1.6808 | 10.5970 |
结果表明，普通喷丸和复合喷丸后的表面粗糙度均出现大幅增加。其中，复合喷丸较普通喷丸的平均表面粗糙度、最高点至最低点距离及表面粗糙度值的离散程度均出现大幅增加。表面粗糙度的增加通常会恶化表面性能。
本实施例表明，喷丸处理后未进行后续研磨和抛光处理会导致表面粗糙度的急剧增加，恶化表面性能。后续的研磨和抛光可将喷丸后的表面粗糙度恢复至喷丸前水平，保证和维持了喷丸的增益效果。说明了喷丸后进行后续研磨和抛光的必要性。
实施例11
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同，实施步骤5中研磨和抛光去除表层厚度100微米，以对比去除厚度大小的影响效果。
结果表明，经步骤5研磨和抛光去除100微米厚度表层后，喷丸后表面维氏硬度仅为1370HV，稍高于喷丸前水平；碳化钨和钴中残余压应力也仅为-620MPa和-210MPa。相对于实施例1来讲，尽管残余压应力场和硬度值分散程度得到明显改善，但增益效果大幅弱化。
本实施例表明，喷丸处理后的后续研磨抛光去除的表层厚度不宜过大，否则会大幅减弱喷丸带来的增益效果。
实施例12
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分和实施步骤与实施例1相同，实施步骤5中研磨和抛光去除表层厚度5微米，以对比去除厚度大小的影响效果。
结果表明，经步骤5研磨和抛光去除5微米厚度表层后，普通喷丸和复合喷丸后表面维氏硬度及碳化钨和钴中残余压应力均接近于实施例1水平，较好地维持了喷丸的增益效果。同时，复合喷丸后的残余压应力场和硬度值分散程度也得到较好改善。但由于普通喷丸和复合喷丸后表面粗糙度均出现大幅增加，仅去除5微米厚度表层后，表面粗糙度仍然较高。其中，普通喷丸和复合喷丸后的表面轮廓最高点至最低点距离为3微米和6微米，仍然会影响喷丸强化后硬质合金的服役性能。
本实施例说明，经喷丸处理后的YG10表面强化层在后续的研磨和抛光过程中去除的厚度也不宜过小，否则难以消除较高表面粗糙度的不利影响。
实施例13
本实施例所选用碳化钨基硬质合金材料为YG10，化学成分见表1，原始合金表层含有因热处理引入的约300MPa的残余拉应力。实施步骤与实施例1相同，以对比表层含残余拉应力的碳化钨基硬质合金表面增益效果。
结果表明，经普通喷丸后，表面碳化钨和钴中残余拉应力为-1400MPa和-453MPa；经复合喷丸后，表面碳化钨和钴中残余拉应力为-1491MPa和-499MPa。普通喷丸和复合喷丸后残余压应力幅值略低于实施例1水平，但复合喷丸后表面残余压应力场和硬度值分布均匀性亦得到显著改善。
本实施例说明，上述复合喷丸工艺对表面含有残余拉应力的碳化钨基硬质合金同样具有大幅的增益效果以及对残余压应力场和硬度值分布均匀性的显著改善。
采用复合喷丸工艺对碳化钨基硬质合金进行表面强化处理后，在保证表面粗糙度不变的前提下，大幅提高了表面硬度值和残余压应力幅值，同时均匀性得到了显著改善。复合喷丸有助于保持和稳固普通一次喷丸强化所带来的增益效果，避免了局部应力集中和“残余应力洞”的产生，使表面性能更加均匀，可进一步提高硬质合金的服役表现。
本发明不限于无应力碳化钨基硬质合金的表面强化，还可以用于表层含有残余拉应力的应力场调控以及其他表面改性工艺处理后的表层应力场、硬度值等的均匀性优化处理。在不背离本发明精神和实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的微调、改变和变形，但这些相应的微调、改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳化钨基硬质合金表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对碳化钨基硬质合金表面进行研磨和抛光；
(2)对步骤(1)处理后的碳化钨基硬质合金表面进行复合喷丸；
(3)对步骤(2)处理后的碳化钨基硬质合金表面进行研磨和抛光，完成表面处理；
其中步骤(2)中，所述复合喷丸包括第一次喷丸和第二次喷丸，第一次喷丸采用钢丸，第二次喷丸采用陶瓷丸。
2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述第一次喷丸的喷丸强度为0.5-1mmA，覆盖率为100％-200％，工作距离为50-150mm。
3.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述第二次喷丸的喷丸强度为0.1-0.4mmA，覆盖率为100％-200％，工作距离为50-150mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述第一次喷丸和第二次喷丸的覆盖率为100-150％。
5.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述钢丸为铸钢丸和/或钢丝切丸。
6.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述钢丸的直径为0.4-0.8mm。
7.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述陶瓷丸的直径为0.1-0.4mm。
8.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，采用由粗到细的金刚石砂纸进行多级研磨，最后一级研磨采用目数为1000目以上的金刚石砂纸进行研磨。
9.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，采用由粗到细的金刚石颗粒悬浮液进行多级抛光，最后一级抛光采用粒径为0.5μm以下的金刚石颗粒悬浮液进行抛光。
10.根据权利要求1-3任一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述碳化钨基硬质合金为碳化钨-钴硬质合金。
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