CN1526847A - 机械性能呈梯度分布的硬质合金渗碳处理方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种硬质合金制品的渗碳处理方法，该方法包括配制渗碳剂、装舟、渗碳处理。其中渗碳剂由Al₂O₃、石墨粒及碳酸盐或/和碳酸氢盐按一定比例均匀混合而成。该渗碳剂在对合金体进行渗碳处理中，碳酸盐及碳酸氢盐分解生成CO₂，CO₂再与石墨粒反应生成活性较强的CO，CO迅速进入液相并与η相反应生成WC，并促使Co向内迁移，从而加速了合金体内梯度结构的形成。因而具有渗碳处理温度较低，制品综合机械性能强，可较背景技术缩短渗碳时间50～65％，表面层无η相厚度提高20～50％，平均强度提高20～25％，与相应的标准硬质合金工、模具比较其使用寿命可提高30～65％，且生产率高、生产成本及能耗较低等特点。

Description

机械性能呈梯度分布的硬质合金渗碳处理方法

技术领域

本发明属于硬质合金制品的渗碳处理方法，特别是一种可使硬质合金制品的机械性能呈梯度分布的渗碳处理方法。该方法尤其适合用于对WC-Co类硬质合金工、模具进行渗碳处理，以提高其综合机械性能。

背景技术

常规WC-Co类硬质合金钻齿、岩石切割及拉丝模等工、模具的内、外金相组织均匀、机械性能一致。这种均匀结构的硬质合金制品存在高硬度和耐磨性与强韧性之间难以调和的矛盾，即当减少合金中钴(Co)的含量以提高其硬度和耐磨性时，合金体的韧性即随之下降；返之则影响其硬度和耐磨性；此外，钻齿、岩石切割刀具、模具等硬质合金制品，在使用时要求表面具有很高的硬度和耐磨性，但为了使其能承受较大的冲击力并阻止表面产生的裂纹向内扩散，又要求合金体内应具备较强的韧性；而金相及机械性能一致的产品在使用过程中，一旦表面产生裂纹时，其裂纹将很快扩展并导致整个模具破裂而报废。为了克服这一弊病，在公靠号为CN106711B的专利文献《最适于岩石钻孔和矿石切割的硬质合体》中公开了一种合金体的机械性能等呈梯度结构的硬质合金。该硬质合金体的生产方法是采用低碳WC与适量的钴(Co)粉为原料，混合均匀并压制成坯件后，在900℃左右温度及N₂气氛中预烧1小时，再在1450℃的温度下烧结成金相及机械性能均匀一致的常规硬质合金体；然后再将其置于石墨舟皿中并采用Al₂O₃与石墨粒混合粉作为渗碳剂，在1450℃的渗碳气氛中热处理2小时以上，而制得合金表面层为含Co量低于合金平均值的WC+γ相区，中间层为Co含量高于合金平均值WC+γ相区，而芯部仍为含η相的硬质合金体。该发明虽然具有表面硬度及耐磨性高；合金中部富钴(Co)层的形成，又具有韧性强而可吸收合金体表面承受的冲击、有效阻止表面裂纹向内扩展等特点。但由于渗碳剂仅由Al₂O₃加上1.0％左右的石墨粒混合而成，其配方简单、渗碳反应活性低，因而存在渗碳处理时间长、温度要求相对较高、而结构梯度形成速度慢、超过2小时的高温渗碳处理又将会造成合金的晶粒长大、降低其使用性能以及生产率低等弊病，；此外，采用上述方法生产机械性能呈梯度变化的硬质合金，还存在能耗及生产成本较高的缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，研究设计一种机械性能呈梯度分布的硬质合金渗碳处理方法，以达到在对硬质合金体进行渗碳处理过程中加快其梯度结构形成的速度、缩短渗碳处理时间、提高合金体的综合机械性能、使用性能和生产率、延长合金体的使用寿命，降低能耗和生产成本等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术渗碳剂成份简单、渗碳反应活性低、渗碳处理时间长、效率低的缺陷。改进渗碳剂配方并调整石墨粒在渗碳剂中的比例，即在原渗碳剂的基础上加入碳酸盐或/和碳酸氢盐，利用碳酸盐及碳酸氢盐在渗碳温度下分解得到CO₂，CO₂与石墨粒反应生成CO气体，此时的CO气体具有较强的活性，能够迅速进入液相并与合金体内的η相(W₃CO₃C、W₂CO₄C等)进行反应生成WC，从而达到目的。其化学反应原理如下：

                   (1)

     (2)

                       (3)

         (4)

          (5)

上述反应均在1380～1500℃温度下进行，其中的R可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al等元素。因此，本发明方法包括：A、配制渗碳剂：按重量百分比计，将Al₂O₃细粉30～50Wt％、石墨粒10～30Wt％及碳酸盐或/和碳酸氢盐30～50Wt％投入搅拌器内，搅拌混合均匀后待用。

B、装舟：将配制好的渗碳剂按要求量装入石墨舟皿中，同时将按常规方法生产的金相组织均匀且机械性能一致的硬质合金烧结体埋于渗碳剂内；

C、渗碳处理：将上述装好的石墨舟皿送入热处理炉内，在1390°～1450℃温度范围内渗碳处理50～120min；冷却后即得目的物。

上述渗碳剂中Al₂O₃的纯度≥98.0％，石墨粒为含C量＞98％、粒径为0.3～2.0mm的石墨粒，碳酸盐及碳酸氢盐的纯度均为工业级。而所述碳酸盐及碳酸氢盐可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸盐或碳酸氢盐。所述冷却后即得目的物，其冷却速度为5～30℃/min。

本发明由于在渗碳处理过程中渗碳剂内的碳酸盐或/和碳酸氢盐在渗碳温度下分解得到CO₂，继而与石墨粒反应又生成活性较强的CO气体，该气体迅速进入液相并与合金体内的η相反应生成WC，游离出Co并促使其向内迁移，使模具表层成为W+γ相且Co含量低于模具体平均值的相区，而具有高的硬度和耐磨性；中间层为W+γ相且Co含量高于模具平均值的相区，而具有较高的韧性；模具体的芯部由于在渗碳过程中几乎没发生化学反应，仍含有η相组织，其刚性强。因此，本发明生产的产品结构梯度明显、渗碳处理时间短，表面无η相层厚度值高、形成速度快，与背景技术相比在同等厚度的梯度下可缩短渗碳时间50～65％，表面无η相厚度提高20～50％、平均强度提高20～25％，；与相应的标准硬质合金工、模具比较，其使用寿命提高30～65％，且具有生产率高、生产成本及能耗低等特点。

实施例1

本实施例以yG6球形钻齿渗碳处理为例；渗碳剂由纯度为99.0％的Al₂O₃：40wt％，，粒径为1.2mm、含C量为99.5％石墨粒20wt％、，纯度为工业纯级的碳酸钠40wt％配制而成；将由常规方法生产的金相组织均匀的yG6连同渗碳剂2kg装舟，yG6球齿埋于渗碳剂内后送入马弗炉内，在1400°～1410℃温度下渗碳处理80min，自然冷却后将表层WC+γ两相区(无η相区)厚2.4mm的球齿，而背景技术在渗碳处理3小时无η相层厚仅1.8mm。

本实施例用φ45mm硬质合金钻头在进给压力6MPa旋转压力5MPa和转速200rpm的条件下，与标准硬质合金球齿在抗压强度270～320MPa的花岗岩上凿孔，作对比试验，其使用寿命平均长31.8％。

实施例2

本实施例采用硬质合金WC-8％Co制作的φ40mm的钻头为例：

渗碳剂由纯度为工业级的碳酸钙和碳酸钾各20wt％，纯度为99.5％的Al₂O₃：40wt％及平均粒径为1.5mm、含C量99.0％的石墨粒20wt％，配制而成；与金相组织均匀一致的硬质合金钻头烧结体按要求装舟后，送入马弗炉内，在1420℃下渗碳处理110min，得表面层无η相层厚2.5mm的呈梯度结构的钻头，其平均抗弯强度达3490N/mm²。该钻头与标准硬质合金钻头在石英砂岩上作对比试验，其结果：耐磨性提高22.6％、平均寿命延长35.5％。

实施例3

本实施例以总碳含量5.25％的WC-7％Co的混合粉料制得的高为16mm、直径为12mm、定径带直径1.5mm的拉丝模为例：

其渗碳剂由工业级纯度的碳酸氢钙45wt％，纯度为99.5％的Al₂O₃：40wt％及含C量99.9％、平均粒径为1.2mm的石墨粒15wt％配制而成；将渗碳剂2.2kg与按常规方法生产的质地均匀、机械性能内、外一致的上述硬质合金拉丝模烧结体一并置于石墨舟皿中，将渗碳剂完全覆盖拉丝模表面后，送入马弗炉内在1400℃温度下渗碳处理60min，冷却后得表层梯度厚达1.8mm的无η相区，而采用背景技术在相同条件下梯度仅为1.2mm。该拉丝模的平均抗弯强度3128N/mm²，硬度(HRA)91.90，与标准硬质合金拉丝模作拉制焊丝的对比试验，本实施例平均产量为3.8吨，标准硬质合金拉丝模平均为2.3吨，其使用寿命提高65％。

Claims (4)

1、一种机械性能呈梯度分布的硬质合金渗碳处理方法；其特征在于该方法包括：

A、配制渗碳剂：按重量百分比计，将Al₂O₃细粉30～50Wt％、石墨粒10～30Wt％及碳酸盐或/和碳酸氢盐30～50Wt％投入搅拌器内，搅拌混合均匀后待用。

B、装舟：将配制好的渗碳剂按要求量装入石墨舟皿中，同时将按常规方法生产的金相组织均匀且机械性能一致的硬质合金烧结体埋于渗碳剂内；

C、渗碳处理：将上述装好的石墨舟皿送入热处理炉内，在1390°～1450℃温度范围内渗碳处理50～120min；冷却后即得目的物。

2、按权利要求1所述硬质合金渗碳处理方法；其特征在于所述碳酸盐及碳酸氢盐可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸盐或碳酸氢盐。

3、按权利要求1所述硬质合金渗碳处理方法；其特征在于所述渗碳剂中Al₂O₃的纯度≥98.0％，石墨粒为含C量＞98％、粒径为0.3～2.0mm的石墨粒，碳酸盐及碳酸氢盐的纯度均为工业级。

4、按权利要求1所述硬质合金渗碳处理方法；其特征在于所述冷却后即得目的物，其冷却速度为5～30℃/min。