CN1285751C - 液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法 - Google Patents

Abstract

液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法。包括：对被喷试件进行表面平整处理，液体喷砂机械工艺参数调节：喷射压力0.1-10bar，喷射距离0-200mm，喷射时间0.01-30min；磨料浓度(体积)调节为1～25%，磨料重量根据喷砂机械的大小来确定；采用液体喷砂机械，对被喷试件实施液体喷砂处理；清洗及烘干，喷砂结束。本发明实现了使硬质合金表面获取压应力，提高硬质合金性能，获得可应用于实际的最佳强韧化工艺。液体介质使磨料悬浮于其中，在压缩空气作用下，均匀高速地将磨料喷射到硬质合金试件的表面，获取表面压应力，同时清洁工件。与常规的干喷砂工艺相比，具有减少噪音，设备简单，节省除尘、通风设备投资，工作环境无污染，劳动强度低等优点。是一种环保、高效、低成本的强化手段，有很好的工业应用价值。

Description

液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法

【技术领域】：本发明涉及硬质合金工具材料的处理，特别是采用液体喷丸技术提高碳化钨基硬质合金性能的处理方法。

【背景技术】：硬质合金工具材料在各工业领域中的地位日益重要，硬质合金具有硬度高、耐磨性好、弹性模量高及耐酸、碱等优点。但硬质合金属脆性材料，硬质合金工具在使用过程中往往容易碎片和断裂。因而，对如何提高硬质合金的强度和韧性，国内外材料科技工作者开展了大量的研究工作，并且取得了一定的成功。例如，通过添加合金元素，改变合金的结构，细化碳化物晶粒，强化粘结相，提高硬质合金的强度和韧性；通过热处理，改变粘结相的结构，细化碳化物晶粒，从而提高硬质合金物理机械性能；通过严格的合金制造工艺，减少合金的孔隙和缺陷，提高硬质合金工具质量等等方法。这些方法主要都是通过改变粘结相成分和合金的组织结构来达到合金性能的提高。但这些研究忽略了一个非常重要的问题，就是剩余应力对硬质合金性能的影响，尤其是在实际应用中，残余应力对硬质合金工具使用寿命的影响。

硬质合金是由难熔金属碳化物(以碳化钨为代表)及粘结金属(主要为钴)组成，而钴相的热膨胀系数约是碳化钨的三倍，因此当合金从烧结温度(约1400℃左右)冷却至室温时，合金中将产生相当大的应力，这个应力通常称做剩余应力(也称残余应力)，它大大影响着硬质合金材料的性能，或者说大大影响着硬质合金工具的使用寿命。前苏联学者认为：“表层中产生一定值的残余压应力可在使用过程中外部负荷导致拉应力时大大提高其使用寿命”。(参见M.Γ.洛沙克，硬质合金的强度和寿命，冶金工业出版社，1990：11-14)。

目前通过改变硬质合金表面应力状态来改善合金性能的方法主要有：

1.梯度功能设计方法——日本开发出具有预置压缩残余应力的梯度功能硬质合金，他们控制表面的线膨胀系数小于内部，通过线膨胀系数的差及从烧结温度冷却至室温的温度差，将压缩的残余应力导入合金表面，使合金在特定切削条件下不产生热裂纹(参见森口、秀树，梯度功能硬质合金工具材料的设计，国外难熔金属与硬质材料，1998，14(2)：10-16)。该方法由于工艺复杂，操作较难控制，目前尚未在实际生产中获得应用。

2.研磨及抛光法——将硬质合金工具经研磨及抛光等特种加工及强韧化处理方法，使硬质合金的抗弯强度及冲击韧性都有了较大的提高(参见杨金辉，提高硬质合金工具和使用寿命的研究河北冶金，1997，5：32-36)。该方法对合金表面产生的压应力小于干式喷丸，因而效果略差。

3.干式喷丸法——干式喷丸处理在硬质合金领域一直用于可转位刀片的钝化和普通产品的表面清理，未用于提高产品性能。2001年，株州硬质合金厂对干式喷丸处理硬质合金工艺进行了研究，处理的产品为硬质合金球齿和顶锤，使用寿命得到了提高(参见龙建国，喷丸处理硬质合金工艺研究硬质合金，2001，18(2)：105-109)。该方法噪音大，需增加除尘、通风设备投资，工作环境存在污染等不足。

【发明内容】：本发明的目的是解决上述方法中干喷砂方法扬尘、噪音大；污染严重、工人劳动条件差；干喷过程可视度低、试件喷丸质量差等不足，提供一种液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法。

本发明提供的液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法，包括以下步骤：

a、对被喷碳化钨基硬质合金试件进行表面平整处理，使烧结态碳化钨基硬质合金获得平整表面；

b、对液体喷砂机械进行设备调试及工艺参数调节，其中液体喷丸工艺参数为：喷射压力0.1-10bar，喷射距离0-200mm，喷射时间0.01-30min；

c、磨料浓度调节，按照：

磨料浓度(体积)＝磨料体积总数/(磨料体积+液体体积总数)×100％

进行磨料浓度计算，其值为：1～25％，磨料总量根据液体喷砂机械的大小确定。

d、采用液体喷砂机械，以压缩空气作动力，将循环液体介质及磨料，对被喷试件按照所需工况按照分段或分区域及往复循环移动喷枪，实施液体喷砂处理；

e、清洗及烘干被喷试件表面，液体喷砂结束。

其中：磨料可以是玻璃丸或不锈钢丸；丸粒尺寸一般为：0.05～0.40mm；磨料浓度(体积)以10～15％为佳。

循环液体介质可以是普通水或添加有防腐剂、或除锈剂、或防氧化剂的水，或它们各种比例的混合液。

本发明的优点和积极效果：本发明克服了传统干喷砂方法扬尘、噪音大；污染严重、工人劳动条件差；干喷过程可视度低、试件喷丸质量差等缺点，实现了使硬质合金表面获取压应力，提高硬质合金性能，获得可应用于实际的最佳强韧化工艺。本发明采用液体喷砂方法，工作效率高，喷丸过程可视化好，喷丸质量优，效果明显，液体介质使磨料悬浮于其中，在压缩空气作用下，均匀高速地将磨料喷射到硬质合金试件的表面，获取表面压应力，同时清洁环境，减少噪音；设备简单，节省除尘、通风设备投资，成本低廉；工作环境无污染，劳动强度低。是一种环保、高效、低成本的强化手段，有很好的工业应用价值。磨料的作用是对硬质合金表面实现高速撞击，减小原子之间的距离，弥合各类表面缺陷及微细裂纹，并阻碍微细裂纹生长和传播，起到止裂作用，从而提高硬质合金的性能。通过液体喷丸处理可在碳化钨基硬质合金表面获得残余压应力，并改善碳化钨基硬质合金残余应力的大小、方向、分布状态，从而改善合金性能，延长碳化钨基硬质合金刀具的使用寿命。

【具体实施方式】：

实施例1

对碳化钨基硬质合金YG8试验棒进行处理：

a、对被喷碳化钨基硬质合金试件进行表面平整处理，如：磨削后退火等；使烧结态碳化钨基硬质合金获得平整表面；

b、对液体喷砂机械进行设备调试及工艺参数调节，液体喷丸工艺主要参数选择：喷射压力5bar，喷射距离50mm，喷射时间2min；

c、按照：磨料浓度(体积)＝磨料体积总数/(磨料体积+液体体积总数)×100％进行磨料浓度计算，其值为：1～25％；

d、采用液体喷砂机械，以压缩空气作动力，液体循环，喷丸介质为玻璃丸、不锈钢丸等材料，对被喷试件按照所需工况按照分段或分区域及往复循环移动喷枪(以分段喷射液体磨料为佳)实施液体喷砂处理；

e、清洗及烘干被喷试件表面，液体喷砂结束。

液体介质的作用是使磨料悬浮于其中，在压缩空气作用下，均匀高速地将磨料喷射到硬质合金试件的表面，获取表面压应力，同时清洁环境，减少噪音。该液体介质可以是普通水或添加防腐剂、除锈剂、防氧化剂等添加物的水。

磨料的作用是对硬质合金表面实现高速撞击，减小原子之间的距离，弥合各类表面缺陷及微细裂纹，并阻碍微细裂纹生长和传播，起到止裂作用，从而提高硬质合金的性能。该磨料可以是玻璃丸、不锈钢丸等材料，丸粒尺寸以细小为宜。本实施例采用玻璃丸，直径0.24mm。液体为水，磨料浓度(体积)为15％，磨料不超过1.5kg。选择液体喷丸工艺参数为：喷射压力5bar，喷射距离为50mm，喷射时间2min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得合金表面剩余应力1070.83Mpa，抗弯强度提高204.7 Mpa，硬度HRA提高0.58，耐磨性提高39％。

实施例2

对碳化钨基硬质合金YG8试验棒进行处理。先将直径0.24mm的玻璃丸磨料置于液体介质水中，按照磨料浓度(体积)为10％对磨料进行配比，且喷丸过程中不断检查磨料浓度，根据设备型号不同，磨料不得超过1.5kg；在设备调试的同时对喷丸工艺参数进行如下调整：

选择液体喷丸工艺参数为：喷射压力为3bar，喷射距离50mm，喷射时间2min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得合金表面剩余应力1023.60Mpa，抗弯强度提高93.1Mpa，硬度HRA提高0.33，耐磨性提高30％。

实施例3

对碳化钨基硬质合金YG8试验棒进行处理。将直径0.4mm的玻璃丸磨料置于液体介质水中，按照磨料浓度(体积)为15％对磨料进行配比，且喷丸过程中不断检查磨料浓度，磨料不得超过1.5kg；在设备调试的同时对喷丸工艺参数进行如下调整：

选择液体喷丸工艺参数为：喷射距离25mm，喷射压力为5bar，喷射时间0.5min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得合金表面剩余应力986.07Mpa，抗弯强度提高93.1Mpa，硬度HRA提高0.41，耐磨性提高8％。。

实施例4

对碳化钨基硬质合金YG8试验棒进行处理。将直径0.4mm的玻璃丸磨料置于液体介质水中，按照磨料浓度(体积)为20％对磨料进行配比，且喷丸过程中不断检查磨料浓度，磨料不得超过1.5kg；在设备调试的同时对喷丸工艺参数进行如下调整：

选择液体喷丸工艺参数为：喷射距离100mm，喷射压力为5bar，喷射时间为4min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得表面剩余应力1111.24Mpa，抗弯强度提高175.4Mpa，硬度HRA提高0.52，耐磨性提高44％。

实施例5

对碳化钨基硬质合金YG15试验棒进行处理。将直径0.24mm的磨料置于液体介质水中，按照磨料浓度(体积)为15％对磨料进行配比，且喷丸过程中不断检查磨料浓度，根据设备型号不同，磨料不得超过1.5kg；在设备调试的同时对喷丸工艺参数进行如下调整：

选择液体喷丸工艺参数为：喷射压力5bar，喷射距离为50mm，喷射时间2min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得表面剩余应力989.261142.67Mpa，抗弯强度提高292.6Mpa，硬度HRA提高0.72，耐磨性提高51％。

实施例6

对碳化钨基硬质合金YG15试验棒进行处理。将直径0.4mm的玻璃丸磨料置于液体介质水中，按照磨料浓度(体积)为10％对磨料进行配比，且喷丸过程中不断检查磨料浓度，磨料不得超过1.5kg；在设备调试的同时对喷丸工艺参数进行如下调整：

选择液体喷丸工艺参数为：喷射距离100mm，喷射压力为5bar，喷射时间2min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得表面剩余应力974.26Mpa，抗弯强度提高236.4Mpa，硬度HRA提高0.53，耐磨性提高40％。

实施例7

对碳化钨基硬质合金YG15试验棒进行处理。将直径0.24mm的玻璃丸磨料置于液体介质水中，磨料浓度(体积)为15％对磨料进行配比，且喷丸过程中不断检查磨料浓度，磨料不得超过1.5kg；在设备调试的同时对喷丸工艺参数进行如下调整：

选择液体喷丸工艺参数为：喷射距离50mm，喷射压力为3bar，喷射时间分别为2min；分段移动喷枪对表面实施液体喷丸处理，随后清洗、烘干，获得表面剩余应力814.19Mpa，抗弯强度提高136.9Mpa，硬度HRA提高0.54，耐磨性提高33％。

实施例8

本实施例采用不锈钢丸，直径0.1mm。磨料浓度(体积)为5％。选择液体喷丸工艺参数为：喷射压力5bar，喷射距离为0.5mm，喷射时间10min；处理过程同实施例1。

Claims (3)

1、一种液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

a、对被喷碳化钨基硬质合金试件进行表面平整处理，使烧结态碳化钨基硬质合金获得平整表面；

b、对液体喷砂机械进行设备调试及工艺参数调节，其中液体喷丸工艺参数为：喷射压力0.1-10bar，喷射距离0-200mm，喷射时间0.01-30min；

c、磨料浓度调节，按照：

以体积为基准的磨料浓度＝磨料体积总数/(磨料体积+液体体积总数)×100％

进行磨料浓度计算，其值为：1～25％；

d、采用液体喷砂机械，以压缩空气作动力，将循环液体介质及磨料，对被喷试件按照所需工况按照分段或分区域及往复循环移动喷枪，实施液体喷砂处理；

e、清洗及烘干被喷试件表面，液体喷砂结束。

2、根据权利要求1所述的液体喷丸强化提高碳化钨基硬质合金性能的方法，其特征是：磨料是玻璃丸或不锈钢丸；丸粒尺寸为：0.05～0.40mm；以体积为基准的磨料浓度10～15％。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征是循环液体介质可以是普通水或添加有防腐剂、或除锈剂、或防氧化剂的水。