CN114941097B - 一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法 - Google Patents

一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，包括如下步骤：称取梯度硬质合金粉末，并向其中加入ZrC粉末和HfC，混合均匀后，进行湿式球磨；将湿式球磨后的物料干燥、压制成型，得压坯；将压坯采用脱氮工艺梯度烧结，得到表层为薄而光滑的富立方相层。在传统的梯度硬质合金成分基础上添加适量的ZrC和HfC立方相粉末，控制合金成分处于立方相调幅分解内，采用脱氮梯度烧结即可制备表层为薄而光滑的富立方相层，内层为富粘结相的缺立方相层的梯度硬质合金。

Description

一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法
技术领域
本发明属于硬质合金制备技术领域，具体涉及一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
目前，在硬质合金刀具基体表面沉积硬度高、耐磨性好的材料薄膜虽可以大幅度提高硬质合金切削刀具的使用性能，但涂层与硬质合金基体的热膨胀系数不同出现先天性裂纹，且服役过程中裂纹易由涂层表面产生并向内部扩展导致刀具失效。通过N和Ti的热力学耦合作用，WC-Ti(C,N)-Co基硬质合金可通过脱氮梯度烧结使基体表面区形成缺立方相的韧性区，即脱β层。该梯度层相应的Co粘结剂含量高于基体名义粘结剂含量，作为韧性缓冲区有效地阻止裂纹向合金芯部扩展，芯部含有高强度的复合立方相碳氮化合物，通过显微结构设计赋予了合金表面和芯部强韧性的有机结合，大幅提高合金的使用性能并延长其服役寿命。
通过脱氮工艺形成的表面缺立方相梯度层与表面涂层仍属于异质材料，基体和涂层的界面结合力仍存在不足，导致涂层易脱落剥离。通过渗氮工艺可在基体表面形成富立方相层，与涂层之间材料性质存在一致性，显著地提升了涂层和基体之间的界面结合力，但梯度层表面的粗糙度通常较差，且韧性缓冲区难以制备，抑制裂纹扩展能力不佳。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，包括如下步骤：
称取梯度硬质合金粉末，并向其中加入ZrC粉末和HfC，混合均匀后，进行湿式球磨；
将湿式球磨后的物料干燥、压制成型，得压坯；
将压坯采用脱氮工艺梯度烧结，得到表层为薄而光滑的富立方相层。
上述本发明的有益效果如下：
在传统的梯度硬质合金成分基础上添加适量的ZrC和HfC立方相粉末，控制合金成分处于立方相调幅分解内，采用脱氮梯度烧结即可制备表层为薄而光滑的富立方相层，内层为富粘结相的缺立方相层的梯度硬质合金。
本发明烧结采用脱氮工艺，内部原子存在两种不同类型的扩散驱动力。一种是N和Ti/Zr/Hf的耦合扩散作用，N向外扩散导致Ti、Zr和Hf向内扩散，为单向驱动力；另一种是立方相调幅分解形成的双向驱动力，导致Ti-(Zr,Hf)碳氮化物在调幅分解中，Ti元素和Zr、Hf元素受到相反的驱动力，从而微区中原子的迁移方向相反。因此，硬质合金形成梯度结构就是这两种脱氮过程和调幅分解驱动力互相作用的结果。当过渡元素的调幅分解驱动力足够大时，促使部分Zr、Hf元素向合金表面迁移形成薄而光滑的富(Zr,Hf)立方相梯度层，几乎不含有Co元素，但富集Zr、Hf元素。内层形成过程主要是由于脱氮过程导致的Ti/Zr/Hf向芯部迁移，而形成了缺立方相层，几乎不含有Ti、Zr、Hf元素，但富集Co元素。
本发明得到的表层光滑的富立方相层改善了与涂层的界面结合，而内层缺立方相层提供了韧性缓冲区以抑制裂纹扩展。该发明得到的硬质合金综合性能优异，且工艺过程简单易控，形成机理清晰明确，有很高的该领域工业应用潜力。
表层薄而光滑富立方相的梯度硬质合金与FRSL梯度结构的表面几乎相同，同时，在光滑(Zr，Hf)富集的FRSL下方可以观察到富Co的FFSL。最外层光滑的FRSL改善了与涂层的界面结合，而内层FFSL提供了韧性以提高抗裂性。具有十分综合的优异性能。
本发明的一种多层梯度硬质合金的制备工艺过程简单，成本低，适应用于工业生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Ti元素的成分距离曲线(EPMA测定)。
图2是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Zr元素的成分距离曲线(EPMA测定)。
图3是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Hf元素的成分距离曲线(EPMA测定)。
图4是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Co元素的成分距离曲线(EPMA测定)。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
第一方面，本发明提供一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，包括如下步骤：
称取梯度硬质合金粉末，并向其中加入ZrC粉末和HfC，混合均匀后，进行湿式球磨；
将湿式球磨后的物料干燥、压制成型，得压坯；
将压坯采用脱氮工艺梯度烧结，得到表层为薄而光滑的富立方相层。
发明人发现，通过脱氮工艺和引入调幅分解成分，可制备出新型梯度结构的硬质合金。该材料由WC，(W,Ti)C，Ti(C,N)，ZrC，HfC和Co粉等原料在脱氮气氛下烧结形成，梯度层表层为薄而光滑的富立方相层，内层为富粘结相的缺立方相层。表层光滑的富立方相层改善了与涂层的界面结合，而内层缺立方相层提供了韧性缓冲区以抑制裂纹扩展。该发明得到的硬质合金综合性能优异，且工艺过程简单易控，形成机理清晰明确，有很高的该领域工业应用潜力。
在一些实施例中，所述梯度硬质合金粉末的组分包括WC、(W,Ti)C、Ti(C,N)和Co粉。
在一些实施例中，混合均匀的原料粉，其组成按元素的质量百分数计，包括：Co6％-12％，Ti 2％-5％，Zr 1％-6％，Hf 2％-5％，N 0.1％-0.3％，余量为WC。
在一些实施例中，还包括向混合粉体中加入质量百分数为1％-3％的石蜡的步骤。
在一些实施例中，HfC的粒径为4-6μm。
在一些实施例中，所述梯度烧结为两段烧结，第一段为真空烧结，第二段烧结的温度为1425-1465℃，烧结过程中抽真空并通入氩气，烧结时间为1-3h。
优选的，真空烧结的温度低于950-1050℃。
优选的，第二段烧结的升温速率为4-5℃/min。
第二方面，本发明提供一种表面富立方相梯度结构硬质合金，由所述制备方法制备而成。
在一些实施例中，所述表面富立方相梯度结构硬质合金，自外至里分别为第一梯度层、第二梯度层和芯部，第一梯度层为富立方相层，第二梯度层为缺立方相层。
下面结合各实施例对本发明作进一步说明。
以下各实施例中，各原料粉末的粒度如表1所示。
表1
原料粉末 Co粉 WC粉 (Ti,W)C粉 ZrC粉 HfC粉 Ti(C,N)粉
粒度 0.83μm 5.31μm 3.7μm 3.75μm 4.29μm 1.12μm
C和N的原子比为0.7:0.3。
实施例1
脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，包括如下步骤：
1)配置原料粉末：所述的硬质合金粉末的合金成分为8％Co-3％Ti-3％Zr-4％Hf-0.2％N-余量为WC。
2)将配取的原料粉末混合后进行湿法球磨，球料比为8:1，酒精作为球磨介质，湿磨25h后掺入2wt.％的石蜡。
湿磨后的料浆经干燥后，过80目筛得到混合料，再进行压制得到试样压坯，压制压力为200Mpa。
3)对压坯进行脱氮烧结，具体为：
首先，采用脱蜡及脱氧工艺，到达1000℃时充入氮气至炉内压力为300mbar，并以5℃/min升温至1450℃，然后再抽真空并通入60mbar氩气，梯度烧结2h，最后随炉冷却，得到梯度结构的硬质合金。
实施例2
脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，包括如下步骤：
1)配置原料粉末：所述的硬质合金粉末的合金成分为8％Co-4％Ti-6％Zr-4％Hf-0.3％N-余量为WC。
2)将配取的原料粉末混合后进行湿法球磨，球料比为8:1，酒精作为球磨介质，湿磨25h后掺入2wt.％的石蜡。
湿磨后的料浆经干燥后，过80目筛得到混合料，再进行压制得到试样压坯，压制压力为200Mpa。
3)对压坯进行脱氮烧结，具体为：
首先，采用脱蜡及脱氧工艺，到达1050℃时充入氮气至炉内压力为300mbar，并以4℃/min升温至1400℃，然后再抽真空并通入50mbar氩气，梯度烧结2h，最后随炉冷却，得到梯度结构的硬质合金。
实施例3
脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，包括如下步骤：
1)配置原料粉末：所述的硬质合金粉末的合金成分为7％Co-4％Ti-3％Zr-5％Hf-0.1％N-余量为WC。
2)将配取的原料粉末混合后进行湿法球磨，球料比为8:1，酒精作为球磨介质，湿磨25h后掺入2wt.％的石蜡。
湿磨后的料浆经干燥后，过80目筛得到混合料，再进行压制得到试样压坯，压制压力为200Mpa。
3)对压坯进行脱氮烧结，具体为：
首先，采用脱蜡及脱氧工艺，到达950℃时充入氮气至炉内压力为200mbar，并以5℃/min升温至1425℃，然后再抽真空并通入40mbar氩气，梯度烧结2h，最后随炉冷却，得到梯度结构的硬质合金。
图1是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Ti元素的成分距离曲线(EPMA测定)；图2是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Zr元素的成分距离曲线(EPMA测定)；图3是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Hf元素的成分距离曲线(EPMA测定)；图4是本发明实施例1所制备的表面三层梯度结构硬质合金的Co元素的成分距离曲线(EPMA测定)。结果显示，采用该工艺制备的硬质合金具有明显的两层梯度结构，第一层富立方相结构中Zr、Hf含量高，Co含量少；第二层缺立方相层结构中Co含量丰富，Ti、Zr、Hfr含量低。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脱氮工艺制备表面富立方相梯度结构硬质合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：
称取梯度硬质合金粉末，并向其中加入ZrC粉末和HfC，混合均匀后，进行湿式球磨；
将湿式球磨后的物料干燥、压制成型，得压坯；
将压坯采用脱氮工艺梯度烧结，得到表层为薄而光滑的富立方相层；
所述梯度硬质合金粉末的组分包括WC、(W, Ti)C、Ti(C, N)和Co粉；
混合均匀的原料粉，其组成按元素的质量百分数计，包括：Co6%-12%，Ti2%-5%，Zr1%-6%，Hf2%-5%，N0.1%- 0.3%，余量为WC；
所述梯度烧结为两段烧结，第一段到达950-1050℃时充入氮气至炉内压力为200-300mbar，第二段并以4-5℃/min升温至1425-1465℃，烧结过程中抽真空并通入氩气，烧结时间为1-3h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括向混合粉体中加入质量百分数为1%-3%的石蜡的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：HfC的粒径为4-6μm。
4.一种表面富立方相梯度结构硬质合金，其特征在于：由权利要求1-3任一所述方法制备而成。
5.根据权利要求4所述表面富立方相梯度结构硬质合金，其特征在于：自外至里分别为第一梯度层、第二梯度层和芯部，第一梯度层为富立方相层，第二梯度层为缺立方相层；
第一层富立方相层结构中Zr、Hf含量高于Co含量；
第二层缺立方相层结构中Co含量高于Ti、Zr、Hfr含量。
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