CN114277299B

CN114277299B - 一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条

Info

Publication number: CN114277299B
Application number: CN202111622662.9A
Authority: CN
Inventors: 程登峰; 孙东平; 冯志; 刘娜娜; 余向阳
Original assignee: Jiujiang Golden Egret Hard Material Co ltd
Current assignee: Jiujiang Golden Egret Hard Material Co ltd
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114277299A

Abstract

本发明公开了一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条及其制备方法，该硬质合金板条具有高韧性表层和高硬度里层，表层粘结相含量是里层的1.2倍以上且只由WC相和粘结相组成、厚5～100μm，里层由WC相、粘结相、立方碳化物相组成，此外板条外表面由粘结相包覆且包覆层厚度为1～5μm。该硬质合金板条由如下组成构成：WC含量80～96wt.％且WC平均粒度0.1～6μm，粘结相含量占2.0～16.5wt.％，立方碳化物含量占0.5～8wt.％。制备方法包括湿磨、干燥、成型、烧结和热处理。该板条具有优异的抗焊接开裂性和耐磨性，在金属和木材加工领域有很好的应用前景。

Description

一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，涉及一种硬质合金及其制备方法，尤其涉及一种金属加工和木材加工领域用的硬质合金板条的制备方法。

背景技术

硬质合金具有耐磨性好、强度和韧性高、刃口锋利、耐高温、化学性能稳定等优良性能，因此广泛应用于切削加工领域。工业上，金属件精密加工和高效高速加工领域，普遍采用带有耐磨涂层的硬质合金刀具。在金属的低速加工、精度要求不高的领域，以及非金属如塑料、木材、布匹的加工或切割领域，都采用不带耐磨涂层的硬质合金刀具。大多数情况下，这些不带耐磨涂层的硬质合金刀具采用焊接的方式固定在刀盘上，相比机械式装夹能保证较好的精度。在刀具刃口磨损变钝后，可以直接用砂轮修刃后继续使用，方便且经济。

大部分工具是将硬质合金焊接在碳素钢基体上使用，焊接质量的好坏直接影响到硬质合金工具的使用效果和寿命。硬质合金线(热)膨胀系数一般为钢的1/2左右，而且硬质合金的导热率较低，所以焊接后由于不能同步冷却收缩，焊缝区会形成很大的应力，导致硬质合金变形、开裂或焊缝开裂甚至硬质合金脱落。

通过改善焊剂、改进焊接工艺能较大程度地减少上述问题，如采用低熔点的银基焊料 (650℃～700℃)、采用中频感应加热的方式代替火焰钎焊或在焊接后采用一定程度的保温措施。可这些措施需要在设备、焊剂成本上增加新的投入，很多中小工厂难以有足够的资金来进行升级。传统的焊接方法如火焰钎焊、气相钎焊虽然难以控制焊接温度和温升，要求操作者具备较高的焊接水平，但操作简单，大多数厂家仍然在使用；而感应钎焊虽然工艺稳定性好，但工件以及工装的体积较大，会导致热影响区域的增大，中小工厂接受度不高。因此，仍然有必要研究如何才能做到既不改变现有焊接方法又能减少焊接后硬质合金出现变形、开裂的问题。

文献“WC-5TiC-9Co硬质合金表面形貌对焊接性能的影响”指出，真空烧结时产品表面富Co，能有效降低产品焊接后出现焊接裂纹的几率；文献“YG6硬质合金化学镀Ni-P研究”指出，焊锡对YG6合金是不可润湿的，但在YG6合金表面镀了Ni-P镀层后，明显改善了焊锡对硬质合金的润湿性。这充分说明硬质合金表面的成分对焊接性能影响很大。

文献“梯度硬质合金与45钢的TIG焊研究”将不同Co含量的硬质合金以扩散烧结的方式制备梯度硬质合金，这种四层结构梯度合金可以实现缓解焊接应力的目的，与45钢TIG焊可以获得硬质合金侧无开裂接头。该文中，与45钢直接焊接的硬质合金的粘结剂含量高达 30％，这说明硬质合金的粘结剂含量提高有助于减少焊接开裂。梯度合金的概念最初是用在带涂层的数控车刀片上，迄今仍然在使用。例如专利CN 111378885 B提供的一种具有表层富粘结相梯度结构的硬质合金，在表层富含粘结相从而韧性更好，可吸收在化学气相沉积涂层 (CVD)时由于涂层和基体之间热膨胀系数的不同而在冷却过程中产生的热应力。该梯度合金的结构对解决焊接开裂的问题提供了新的思路，但该技术手段目前所应用的领域和解决的技术问题与本发明完全不同。

发明内容

现在大多数用户普遍采用火焰钎焊、气相钎焊将硬质合金板条焊接在碳素钢基体上使用，但要求操作者具备较高的焊接水平，操作不当时容易出现焊接后硬质合金开裂的问题。

本发明针对这一技术不足，采用以下技术方案：一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，其特征在于：

硬质合金板条具有高韧性表层和高硬度里层，所述高韧性表层中粘结相含量是高硬度里层中粘结相含量的1.2倍以上；

高韧性表层由WC相和粘结相组成，高硬度里层由WC相、粘结相、立方碳化物相组成；

硬质合金板条的外表面由粘结相包覆，包覆层厚度为1～5μm；

高韧性表层厚度5～100μm，优选后厚度为10～60μm。

其中，进一步所述抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组份构成：WC含量80～ 96wt.％且WC平均粒度0.1～6μm，粘结相含量占2.0～16.5wt.％，立方碳化物含量占0.5～ 8wt.％。

组份优选后，WC含量86～94wt.％且WC平均粒度0.4～2.0μm，粘结相含量占4.5～12.0wt.％，立方碳化物含量占0.5～5wt.％。

其中，进一步所述粘结相由Co、Ni、Fe、Mo、Cr、V中一种或多种金属组成。

其中，进一步所述立方碳化物指的是TaC、NbC、TiC、TiCxNy或它们的固溶体，其中TiCxNy 的含量为0.5～3.5wt.％，优选后为0.5～1.5wt.％；x与y的关系为：0.1≤x：y≤0.9，优选后x与y的关系为：3:7≤x：y≤7:3。

本发明关于TiCxNy的创新具体是，市场上的板条产品基本不含有立方碳化物，少数会引入含量在0.5％以下的立方碳化物，且只会引入TaC、NbC，不含有TiC，更不会含有TiCxNy。主要原因是立方碳化物虽然能提高板条的耐磨性或高温性能，但会显著降低其强度和焊接性能。本放中在引入TaC或NbC或TiC的同时，引入TiCxNy，这样产品在制备过程中，TiCxNy 离解使得表层不含有TaC或NbC或TiC。这一技术手段还会使表层的粘结相含量升高，进一步提升了表层的强度和焊接性能。产品使用时，将其先与钢制刀体焊接，开刃磨除非焊接面的表层后，再用于金属或木材的切削。因此，本发明所设计的产品结构同时满足了高的焊接性能和高的耐磨性。

本发明采用的另外一种技术方案，一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条的制备方法，包括配料、湿磨、干燥、成型、烧结、热处理这几个步骤，其特征在于具体步骤如下：

(1)配料和湿磨：将WC粉、粘结相粉、立方碳化物粉末按规定比例称取好后，再称取1.6～3.5wt.％的成型剂，上述物料投入卧式球磨机后，加入物料重量3～7倍的硬质合金球磨球及物料重量16％～22％的工业无水酒精，混合湿磨20～80小时；

(2)干燥：采用真空干燥或喷雾干燥的方式进行干燥；

(3)成型：分为模压成型和挤出成型；模压成型是在模具中进行压制，得到压坯；挤出成型是先将干燥后的粉体进行处理，加入能改善挤出性能的有机物和润滑油，混合均匀后再用挤压机通过长方孔模具挤成长条状坯体；

(4)烧结：先在氢气、氩气、氮气或真空条件下以1～6℃/min速度升至成型剂脱除温度，保温并脱除成型剂；再在真空气氛下以1～6℃/min速度升温至1250℃并保温 20～70min，通入惰性气体使炉压升至2mbar～10mbar，继续以1～6℃/min速度升温至烧结温度并保温30～90min，通入Ar气加压烧结10～40min后，随炉冷却至室温；

(5)热处理：将步骤(4)得到的合金产品从室温升温至1200℃～1400℃，保温20～40min后，随炉冷却至室温。热处理步骤是为了使表层中的粘结相含量进一步提高，甚至在产品外表面形成粘结相包覆层。

其中，步骤(4)和(5)可合成一步完成，在步骤(4)降温至30℃～1400℃时直接开始步骤(5)。

其中，进一步，烧结中所述惰性气体指的是N₂、Ar或它们的混合气体，所述烧结温度为1400℃～1500℃，所述加压烧结的Ar气压力为30～100bar。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)硬质合金板条具有高韧性表层和高硬度里层，高韧性表层富含有粘结相，极大程度地提高了表面的韧性，从而大大降低焊接时因应力造成的硬质合金开裂或产生裂纹的几率。目前市面上的硬质合金板条都不具有这种梯度结构，为了降低焊接时开裂的几率，只能提高合金中的粘结剂含量，但这样会造成合金的硬度降低，从而降低了耐磨性，刀具使用寿命缩短。由于硬质合金板条焊接后需要刃磨，通常是内部的材料作为切削刃，因此本发明的产品既可以降低焊接开裂的几率，又不降低刀具寿命。

(2)相比已公开的技术，即以扩散烧结的方法制备梯度硬质合金，本发明的制备方法不需事先准备多种粘结剂含量的合金，而是一次烧结成型，具有较高的技术含量，简易可控。

(3)相比已公开的技术，本发明的制备方法多了热处理过程，该步骤可使板条外表面由粘结相包覆，并能控制硬质合金板条表面的钴含量和包覆层厚度，进一步降低焊接后产生的应力，改善了焊接可靠性。

该抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条极大提高了焊接的强度和稳定性，能有效降低各种焊接方式下的焊接裂纹出现的几率，适用范围广。产品具备较高的硬度和耐磨性，制备的刀具使用寿命长，是一种具备较高技术含量的新型产品。

附图说明

图1是本发明实施例1中的板条在轻腐蚀后高韧性表层和高硬度里层的光学金相照片图。

图2是本发明实施例2中的板条横断面处的扫描电镜图。

图3是本发明实施例3中的板条外表面的形貌和成分图。

图4是本发明实施例4中的板条在轻腐蚀后高韧性表层和高硬度里层的光学金相照片图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1

一种本发明的抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组成构成，WC含量90.5wt.％， TaC含量1.5wt.％，Co含量7wt.％，TiC_0.5N_0.5含量为1.0wt.％，且WC粒度为1.0μm。该硬质合金板条高韧性表层厚度19μm，如图1所示。

这种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条的制备方法，包括配料、湿磨、干燥、成型、烧结、热处理这几个步骤，其特征在于具体步骤如下：

(1)配料和湿磨：将WC粉、Co粉、TaC粉、TiC_0.5N_0.5粉按规定比例称取好后，再称取2.0wt.％的PEG4000，一起投入卧式球磨机后，加入物料重量5倍的硬质合金球磨球及物料重量18％的工业无水酒精，混合湿磨50小时；

(2)干燥：采用喷雾干燥的方式进行干燥；

(3)成型：采用模压成型，成型压力为1.8T/cm²；得到长条状坯体；

(4)烧结：先在流动的氢气气氛中以2℃/min速度升至350℃，保温4h脱除成型剂；再在真空气氛下以5℃/min速度升温至1250℃并保温40min，通入Ar使炉压升至5mbar，继续以3℃/min速度升温至1400℃并保温20min，通入Ar气加压至60bar烧结40min后，随炉冷却至1200℃时，保温30min后，随炉冷却至室温；

该合金的高韧性表层可有效降低焊接时产生的应力，同时里层的硬度约为HRA92.5，耐磨性很高，在加工密度板时有非常好的刀具寿命，被加工面也很光滑。

	加工中密度板件数	加工面情况
			实施例产品	87	所有工件的表面都较光滑
市场产品A	63	加工后期的工件表面肉眼可见有波纹

实施例2

一种本发明的抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组成构成，WC含量86.0wt.％，NbC含量0.5wt.％，TiC含量0.7wt.％，Co含量12wt.％，TiC_0.7N_0.3含量为0.8wt.％，且WC粒度为0.4μm。

(1)配料和湿磨：将WC粉、Co粉、NbC粉、TiC粉、TiC_0.7N_0.3粉按规定比例称取好后，再称取2.5wt.％的PEG1500，一起投入卧式球磨机后，加入物料重量6倍的硬质合金球磨球及物料重量22％的工业无水酒精，混合湿磨60小时；

(2)干燥：采用喷雾干燥的方式进行干燥；

(3)成型：采用模压成型，成型压力为2.5T/cm²；得到长条状坯体；

(4)烧结：先在流动的氢气气氛中以2℃/min速度升至300℃，保温4h脱除成型剂；再在真空气氛下以5℃/min速度升温至1250℃并保温30min，通入Ar使炉压升至8mbar，继续以3℃/min速度升温至1440℃并保温80min，通入Ar气加压至90bar烧结20min后，随炉冷却至1300℃时，保温40min后，随炉冷却至室温；

该硬质合金板条高韧性表层厚度50μm、钴含量超过15％，可有效降低焊接时产生的应力，同时增强了合金的强度。里层的硬度约为HRA93.0，耐磨性很高，在加工高密度板时有非常好的刀具寿命，刃口可以磨得非常锋利，被加工面近似于镜面。合金表层被钴包覆，厚度约 2μm(图2)，改善了焊接性能。

实施例3

一种本发明的抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组成构成，WC含量87.0wt.％， TaNbC固溶体含量1.5wt.％，TiC含量2.0wt.％，粘结相含量8wt.％，TiC_0.3N_0.7含量为1.5wt.％，且WC粒度为1.5μm。

(1)配料和湿磨：将WC粉、Co粉、Ni粉、TaNbC粉、TiC粉、TiC_0.3N_0.7粉按规定比例称取好后，再称取2.0wt.％的石蜡，一起投入卧式球磨机后，加入物料重量4倍的硬质合金球磨球及物料重量16％的工业无水酒精，混合湿磨20小时；

(2)干燥：采用真空干燥的方式进行干燥；

(3)成型：先往干燥后的粉体中加入硬脂酸、棕榈油等改善挤出性能的物质，混合均匀后再用挤压机通过模具挤出长条状坯体，在100℃下干燥20h后，按规定长度切割，得到干燥坯体；

(4)烧结：先在流动的氢气气氛中以2℃/min速度升至360℃，保温4h脱除成型剂；再在真空气氛下以5℃/min速度升温至1250℃并保温60min，通入N₂使炉压升至4mbar，继续以3℃/min速度升温至1460℃并保温30min，通入Ar气加压至30bar烧结40min后，随炉冷却至1350℃时，保温20min后，随炉冷却至室温；

该硬质合金板条的高韧性表层厚度约为30μm，可有效降低焊接时产生的应力，基本不会出现开裂。合金外表面钴含量高达82％(图3)，有利于焊接。里层的硬度约为HRA91.3，在加工实木时性能稳定，不会出现崩刀的情况。

实施例4

一种本发明的抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组成构成，WC含量92.5wt.％， TaNbC固溶体含量1.5wt.％，TiC含量1.0wt.％，Co含量3wt.％，Ni含量1wt.％，TiC_0.5N_0.5含量为1.0wt.％，且WC粒度为1.2μm。

(1)配料和湿磨：将WC粉、Co粉、Ni粉、TaNbC粉、TiC粉、TiC_0.5N_0.5粉按规定比例称取好后，再称取2.4wt.％的石蜡，一起投入卧式球磨机后，加入物料重量5倍的硬质合金球磨球及物料重量20％的工业无水酒精，混合湿磨35小时；

(2)干燥：采用喷雾干燥的方式进行干燥；

(3)成型：采用模压成型，成型压力为2.0T/cm²；得到长条状坯体；

(4)烧结：先在流动的氢气气氛中以2℃/min速度升至360℃，保温5h脱除成型剂；再在真空气氛下以5℃/min速度升温至1250℃并保温40min，通入N₂使炉压升至10mbar，继续以3℃/min速度升温至1500℃并保温90min，通入Ar气加压至100bar烧结30min后，随炉冷却至室温；

(5)将得到的合金产品从室温升至1200℃，保温30min后，随炉冷却至室温；

该硬质合金板条的高韧性表层厚度约为43μm(图4)，可有效降低焊接时产生的应力。里层的硬度约为HRA93.6，在加工高密度板时性能稳定，有非常好的刀具寿命。

Claims

1.一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，其特征在于：

高韧性表层厚度5～100μm；

所述抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组份构成：WC含量80～96wt.%且WC平均粒度0.1～6μm，粘结相含量占2.0～16.5wt.%，立方碳化物含量占0.5～8wt.%；

所述立方碳化物包括TiCxNy，x与y的关系为：3:7≤x：y≤7:3；

其中抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条的制备方法，包括配料、湿磨、干燥、成型、烧结、热处理这几个步骤，具体步骤如下：

（1）配料和湿磨：将WC粉、粘结相粉、立方碳化物粉末按规定比例称取好后，再称取1.6～3.5 wt.%的成型剂，上述物料投入卧式球磨机后，加入物料重量3～7倍的硬质合金球磨球及物料重量16%～22%的工业无水酒精，混合湿磨20～80小时；

（2）干燥：采用真空干燥或喷雾干燥的方式进行干燥；

（3）成型：分为模压成型和挤出成型；模压成型是在模具中进行压制，得到压坯；挤出成型是先将干燥后的粉体进行处理，加入能改善挤出性能的有机物和润滑油，混合均匀后再用挤压机通过长方孔模具挤成长条状坯体；

（4）烧结：先在氢气、氩气、氮气或真空条件下以1～6℃/min速度升至成型剂脱除温度，保温并脱除成型剂；再在真空气氛下以1～6℃/min速度升温至1250℃并保温20～70min，通入惰性气体使炉压升至2mbar～10mbar，继续以1～6℃/min速度升温至烧结温度并保温30～90min，通入Ar气加压烧结10～40min后，随炉冷却至室温；

（5）热处理：将步骤（4）得到的合金产品从室温升温至1200℃～1400℃，保温20～40min后，随炉冷却至室温；

或步骤（4）和（5）合成一步完成，在步骤（4）降温至30℃～1400℃时直接开始步骤（5）；

烧结中所述惰性气体指的是N₂、Ar或它们的混合气体，所述烧结温度为1400℃～1500℃，所述加压烧结的Ar气压力为30～100bar。

2.根据权利要求1所述的一种抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，其特征在于：所述抗焊接开裂的高硬度硬质合金板条，由如下组份构成：WC含量86～94wt.%且WC平均粒度0.4～2.0μm，粘结相含量占4.5～12.0wt.%，立方碳化物含量占0.5～5wt.%。