CN115837465B - 一种用于消除烧结硬质合金应力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金材料加工技术领域，且公开了一种用于消除烧结硬质合金应力的方法。所述用于消除烧结硬质合金应力的方法，包括以下步骤：一次烧结处理、一次降温处理、二次烧结处理、二次降温处理、冷压处理和淬火处理，可以根据硬质合金组分的不同、硬质合金材料对应力要求标准的不同，在冷压处理之前进行多次烧结处理、多次降温处理。本发明的消除烧结硬质合金应力的方法，不仅可以消除烧结硬质合金的应力，还可以提升其导电率。

Description

一种用于消除烧结硬质合金应力的方法
技术领域
本发明涉及合金材料加工技术领域，具体为一种用于消除烧结硬质合金应力的方法。
背景技术
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，在工业生产和加工中应用十分广泛。但是，金属合金等材料在加工工艺处理过程中，由于工件内部应力水平分布不均匀，导致在工件应力集中区等部位产生残余应力。残余应力的存在，一方面工件会降低强度，使工件在制造时产生变形和开裂等工艺缺陷；另一方面又会在制造后的自然释放过程中使材料的疲劳强度、应力腐蚀等力学性能降低，从而造成使用中的问题。因此，迫切需要寻求一种有效消除硬质合金的方法，以满足实际生产的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于消除烧结硬质合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向硬质合金中加入微量元素后，进行一次烧结处理；
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的硬质合金通过急冷的方式进行一次降温处理；
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的硬质合金进行二次烧结处理；
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的硬质合金通过二次降温处理降低至常温；
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的硬质合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的硬质合金表面涂覆高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，加热，浸入淬火剂中进行淬火处理。
优选地，所述步骤（1）中，微量元素包括C、Ce、Zr、Hf中的至少一种；所述C的添加量为0.05-0.11wt%、Ce的添加量为0.02-0.03wt%、Zr的添加量为0.04-0.06wt%、Hf的添加量为0-0.6wt%。
优选地，所述步骤（2）中，急冷降温条件：温度<-80℃，并保持3h以上。
优选地，所述步骤（3）中，二次烧结的条件：烧结温度低于一次烧结温度，烧结时间>0.5h。
优选地，所述步骤（4）中，二次降温通过自然降温的方式。
优选地，所述步骤（5）中，冷压处理的冷压变形量为1-5%。
优选地，所述步骤（6）中，高温无机粘合剂的涂覆厚度：0.2-0.6mm。
优选地，所述步骤（6）中，淬火所采用的淬火剂为90-95℃的沸水。
进一步地，可以根据硬质合金组分的不同、硬质合金材料对应力要求标准的不同，在冷压处理之前进行多次烧结处理、多次降温处理；每次烧结处理的温度低于前一次烧结处理的温度，每次降温处理的降温速度低于前一次降温处理的降温速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中将多次循环的烧结、降温处理与冷压处理、淬火处理相结合，多种方式协同作用，下能够有效的改善烧结硬质合金材料的性能，最大化的消除烧结硬质合金的残余应力，避免由于应力对合金材料的性能造成的不良影响；进一步地，可以根据不同材质的合金、残余应力的不同要求标准，增加烧结、降温处理循环的次数。
2、本发明通过在第一次烧结过程中加入微量元素，不仅可以通过改善合金材料的内部的结构，减小残余应力；还可以提升合金材料的导电率；此外，所加微量元素与合金材料的热膨胀系数相似，当合金材料从熔融状态冷却时，合金应力会更快的达到各组分的屈服极限，从而使得应力得到松弛，达到更好的应力消除效果。
3、本发明中的淬火处理采用包层淬火的方式，在合金表面涂覆高温无机粘合剂、用铝箔包裹，再用沸水作为淬火剂淬火，包层淬火可能释放更多的残余应力，高温无机粘合剂的包层越厚，合金材料的残余应力越小；同时，包层淬火使得合金的微观结构整齐、无畸变，有利于电导率的提升。
4、本发明中，在高温和淬火的过程中，通过多次高温处理和包层淬火，降低了在合金的处理过程中，灰尘和其他杂质的介入，降低了合金表面由于杂质导致的局部应力集中，影响合金的性能和使用时限。
附图说明
图1是本发明的消除烧结硬质铝合金应力的方法工艺流程图；
图2是本发明中经实施例1-6与对比例1-2的方法处理的2024铝合金残余应力测试对比图；
图3是本发明中经实施例1-6与对比例1-2的方法处理的2024铝合金电导率测试对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.05wt%、Ce 0.02wt%、Zr0.04wt%，在500℃进行一次烧结，保温2h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu 3.8wt%、Mn0.30wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.2wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以150℃/s的降温速度急冷降温至-90℃，并保持3.5h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在450℃下进行二次烧结，烧结时间1h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力400MPa、保压时间5min，冷压变形量为1%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.2mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在450℃下加热1h，浸入90℃的沸水中进行淬火。
实施例2
本实施例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.11wt%、Ce 0.03wt%、Zr0.06wt%、Hf 0.6wt%，在600℃进行一次烧结，保温5h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu4.9wt%、Mn 1.0wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.8wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以200℃/s的降温速度急冷降温至-120℃，并保持5h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在550℃下进行二次烧结，烧结时间4h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力500MPa、保压时间15min，冷压变形量为5%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.6mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在480℃下加热2h，浸入95℃的沸水中进行淬火。
实施例3
本实施例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.06wt%、Ce 0.023wt%、Zr0.045wt%、Hf 0.1wt%，在530℃进行一次烧结，保温3h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu 4.0wt%、Mn 0.4wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.3wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以160℃/s的降温速度急冷降温至-100℃，并保持4h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在470℃下进行二次烧结，烧结时间1.5h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力430MPa、保压时间8min，冷压变形量为2%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.3mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在460℃下加热1.3h，浸入91℃的沸水中进行淬火。
实施例4
本实施例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.08wt%、Ce 0.025wt%、Zr0.05wt%、Hf 0.3wt%，在550℃进行一次烧结，保温3h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu4.3wt%、Mn 0.5wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.5wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以170℃/s的降温速度急冷降温至-110℃，并保持4.5h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在500℃下进行二次烧结，烧结时间2h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力450MPa、保压时间10min，冷压变形量为3%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.4mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在470℃下加热1.5h，浸入93℃的沸水中进行淬火。
实施例5
本实施例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.09wt%、Ce 0.028wt%、Zr0.055wt%、Hf 0.4wt%，在580℃进行一次烧结，保温4h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu 4.6wt%、Mn 0.8wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.7wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以185℃/s的降温速度急冷降温至-115℃，并保持5h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在520℃下进行二次烧结，烧结时间2.5h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力480MPa、保压时间12min，冷压变形量为4%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.5mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在470℃下加热1.8h，浸入94℃的沸水中进行淬火。
实施例6
本实施例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.06wt%、Ce 0.023wt%、Zr0.045wt%、Hf 0.1wt%，在530℃进行一次烧结，保温3h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu 4.0wt%、Mn 0.4wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.3wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以160℃/s的降温速度急冷降温至-100℃，并保持4h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在470℃下进行二次烧结，烧结时间1.5h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）三次烧结处理：将二次降温处理后的2024铝合金在450℃下进行三次烧结，烧结时间1.5h。
步骤（6）三次降温处理：将三次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（7）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力430MPa、保压时间8min，冷压变形量为2%。
步骤（8）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.3mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在460℃下加热1.3h，浸入91℃的沸水中进行淬火。
对比例1
本对比例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金在530℃进行一次烧结，保温3h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu 4.0wt%、Mn 0.4wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.3wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以160℃/s的降温速度急冷降温至-100℃，并保持4h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在470℃下进行二次烧结，烧结时间1.5h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力430MPa、保压时间8min，冷压变形量为2%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金表面涂覆厚度为0.3mm高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，在460℃下加热1.3h，浸入91℃的沸水中进行淬火。
对比例2
本对比例公开一种用于消除烧结硬质铝合金应力的方法，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向2024铝合金中加入C 0.06wt%、Ce 0.023wt%、Zr0.045wt%、Hf 0.1wt%，在530℃进行一次烧结，保温3h；其中，2024铝合金包括以下各组分：Cu 4.0wt%、Mn 0.4wt%、Zn 0.25wt%、Mg 1.3wt%、Cr 0.10wt%、其余为铝。
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的2024铝合金以160℃/s的降温速度急冷降温至-100℃，并保持4h。
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的2024铝合金在470℃下进行二次烧结，烧结时间1.5h。
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的2024铝合金自然降温至常温。
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的2024铝合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；其中，冷压成形压力430MPa、保压时间8min，冷压变形量为2%。
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的2024铝合金在460℃下加热1.3h，浸入91℃的沸水中进行淬火。
以上所有实施例、对比例中高温无机粘合剂为聚宏牌JL-767A耐1730℃高温无机粘合剂，耐温1730℃，高温绝缘性好，耐油、耐酸碱，不耐沸水，淬火后容易去除。
实验例
测试一、残余应力：通过盲孔法对经实施例1-5和对比例1-3的方法处理后的2024铝合金的残余应力进行测试。
测试二、电导率：采用7501涡流导电仪对经实施例1-5和对比例1-3的方法处理后的2024铝合金的电导率进行测试。
测试结果如表1所示：
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 对比例1 对比例2
残余应力/MPa -10.2 -5.5 -9.3 -7.9 -6.7 -3.8 -22.4 -23.3
电导率/%ICAS 33.55 38.79 35.11 36.24 37.40 35.22 32.36 30.05
由表1的测试结果可知，本发明实施例1-6中消除烧结硬质铝合金的方法处理后的2024铝合金的残余应力最小为8.8MPa；由对比例2与实施例3可知，经过高温无机粘合剂涂覆、铝箔包裹的2024铝合金淬火，可以减小残余应力、提升电导率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）一次烧结处理：向硬质合金中加入微量元素后，进行一次烧结处理；其中，微量元素包括C、Ce、Zr、Hf中的至少一种；所述C的添加量为0.05-0.11wt%、Ce的添加量为0.02-0.03wt%、Zr的添加量为0.04-0.06wt%、Hf的添加量为0-0.6wt%；
步骤（2）一次降温处理：将一次烧结后的硬质合金通过急冷的方式进行一次降温处理；其中，急冷降温条件：温度<-80℃，并保持3h以上；
步骤（3）二次烧结处理：将一次降温处理后的硬质合金进行二次烧结处理；
步骤（4）二次降温处理：将二次烧结后的硬质合金通过二次降温处理降低至常温；
步骤（5）冷压处理：将经过烧结、降温处理的硬质合金经平整度处理后装入冷压模具进行冷压处理；
步骤（6）淬火处理：在冷压成型的硬质合金表面涂覆高温无机粘合剂，用铝箔包裹后，加热，浸入淬火剂中进行淬火处理。
2.根据权利要求1所述的用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，二次烧结的条件：烧结温度低于一次烧结温度，烧结时间>0.5h。
3.根据权利要求1所述的用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，二次降温通过自然降温的方式。
4.根据权利要求1所述的用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，所述步骤（5）中，冷压处理的冷压变形量为1-5%。
5.根据权利要求1所述的用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，高温无机粘合剂的涂覆厚度：0.2-0.6mm。
6.根据权利要求1所述的用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，所述步骤（6）中，淬火所采用的淬火剂为90-95℃的沸水。
7.根据权利要求1所述的用于消除烧结硬质合金应力的方法，其特征在于，可以根据硬质合金组分的不同、烧结硬质合金材料应力要求标准的不同，在冷压处理之前进行多次烧结处理、多次降温处理；每次烧结处理的温度低于前一次烧结处理的温度，每次降温处理的降温速度低于前一次降温处理的降温速度。
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