專利名稱：機(jī)械性能呈梯度分布的硬質(zhì)合金滲碳處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硬質(zhì)合金制品的滲碳處理方法，特別是一種可使硬質(zhì)合金制品的機(jī)械性能呈梯度分布的滲碳處理方法。該方法尤其適合用于對(duì)WC-Co類硬質(zhì)合金工、模具進(jìn)行滲碳處理，以提高其綜合機(jī)械性能。
背景技術(shù)：
常規(guī)WC-Co類硬質(zhì)合金鉆齒、巖石切割及拉絲模等工、模具的內(nèi)、外金相組織均勻、機(jī)械性能一致。這種均勻結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金制品存在高硬度和耐磨性與強(qiáng)韌性之間難以調(diào)和的矛盾，即當(dāng)減少合金中鈷(Co)的含量以提高其硬度和耐磨性時(shí)，合金體的韌性即隨之下降；返之則影響其硬度和耐磨性；此外，鉆齒、巖石切割刀具、模具等硬質(zhì)合金制品，在使用時(shí)要求表面具有很高的硬度和耐磨性，但為了使其能承受較大的沖擊力并阻止表面產(chǎn)生的裂紋向內(nèi)擴(kuò)散，又要求合金體內(nèi)應(yīng)具備較強(qiáng)的韌性；而金相及機(jī)械性能一致的產(chǎn)品在使用過程中，一旦表面產(chǎn)生裂紋時(shí)，其裂紋將很快擴(kuò)展并導(dǎo)致整個(gè)模具破裂而報(bào)廢。為了克服這一弊病，在公靠號(hào)為CN106711B的專利文獻(xiàn)《最適于巖石鉆孔和礦石切割的硬質(zhì)合體》中公開了一種合金體的機(jī)械性能等呈梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金。該硬質(zhì)合金體的生產(chǎn)方法是采用低碳WC與適量的鈷(Co)粉為原料，混合均勻并壓制成坯件后，在900℃左右溫度及N2氣氛中預(yù)燒1小時(shí)，再在1450℃的溫度下燒結(jié)成金相及機(jī)械性能均勻一致的常規(guī)硬質(zhì)合金體；然后再將其置于石墨舟皿中并采用Al2O3與石墨?；旌戏圩鳛闈B碳劑，在1450℃的滲碳?xì)夥罩袩崽幚?小時(shí)以上，而制得合金表面層為含Co量低于合金平均值的WC+γ相區(qū)，中間層為Co含量高于合金平均值WC+γ相區(qū)，而芯部仍為含η相的硬質(zhì)合金體。該發(fā)明雖然具有表面硬度及耐磨性高；合金中部富鈷(Co)層的形成，又具有韌性強(qiáng)而可吸收合金體表面承受的沖擊、有效阻止表面裂紋向內(nèi)擴(kuò)展等特點(diǎn)。但由于滲碳劑僅由Al2O3加上1.0％左右的石墨?；旌隙桑渑浞胶?jiǎn)單、滲碳反應(yīng)活性低，因而存在滲碳處理時(shí)間長(zhǎng)、溫度要求相對(duì)較高、而結(jié)構(gòu)梯度形成速度慢、超過2小時(shí)的高溫滲碳處理又將會(huì)造成合金的晶粒長(zhǎng)大、降低其使用性能以及生產(chǎn)率低等弊病，；此外，采用上述方法生產(chǎn)機(jī)械性能呈梯度變化的硬質(zhì)合金，還存在能耗及生產(chǎn)成本較高的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)存在的弊病，研究設(shè)計(jì)一種機(jī)械性能呈梯度分布的硬質(zhì)合金滲碳處理方法，以達(dá)到在對(duì)硬質(zhì)合金體進(jìn)行滲碳處理過程中加快其梯度結(jié)構(gòu)形成的速度、縮短滲碳處理時(shí)間、提高合金體的綜合機(jī)械性能、使用性能和生產(chǎn)率、延長(zhǎng)合金體的使用壽命，降低能耗和生產(chǎn)成本等目的。
本發(fā)明的解決方案是針對(duì)背景技術(shù)滲碳劑成份簡(jiǎn)單、滲碳反應(yīng)活性低、滲碳處理時(shí)間長(zhǎng)、效率低的缺陷。改進(jìn)滲碳劑配方并調(diào)整石墨粒在滲碳劑中的比例，即在原滲碳劑的基礎(chǔ)上加入碳酸鹽或/和碳酸氫鹽，利用碳酸鹽及碳酸氫鹽在滲碳溫度下分解得到CO2，CO2與石墨粒反應(yīng)生成CO氣體，此時(shí)的CO氣體具有較強(qiáng)的活性，能夠迅速進(jìn)入液相并與合金體內(nèi)的η相(W3CO3C、W2CO4C等)進(jìn)行反應(yīng)生成WC，從而達(dá)到目的。其化學(xué)反應(yīng)原理如下(1)(2)(3)(4)(5)上述反應(yīng)均在1380～1500℃溫度下進(jìn)行，其中的R可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al等元素。因此，本發(fā)明方法包括A、配制滲碳劑按重量百分比計(jì)，將Al2O3細(xì)粉30～50Wt％、石墨粒10～30Wt％及碳酸鹽或/和碳酸氫鹽30～50Wt％投入攪拌器內(nèi)，攪拌混合均勻后待用。
B、裝舟將配制好的滲碳劑按要求量裝入石墨舟皿中，同時(shí)將按常規(guī)方法生產(chǎn)的金相組織均勻且機(jī)械性能一致的硬質(zhì)合金燒結(jié)體埋于滲碳劑內(nèi)；C、滲碳處理將上述裝好的石墨舟皿送入熱處理爐內(nèi)，在1390°～1450℃溫度范圍內(nèi)滲碳處理50～120min；冷卻后即得目的物。
上述滲碳劑中Al2O3的純度≥98.0％，石墨粒為含C量＞98％、粒徑為0.3～2.0mm的石墨粒，碳酸鹽及碳酸氫鹽的純度均為工業(yè)級(jí)。而所述碳酸鹽及碳酸氫鹽可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸鹽或碳酸氫鹽。所述冷卻后即得目的物，其冷卻速度為5～30℃/min。
本發(fā)明由于在滲碳處理過程中滲碳劑內(nèi)的碳酸鹽或/和碳酸氫鹽在滲碳溫度下分解得到CO2，繼而與石墨粒反應(yīng)又生成活性較強(qiáng)的CO氣體，該氣體迅速進(jìn)入液相并與合金體內(nèi)的η相反應(yīng)生成WC，游離出Co并促使其向內(nèi)遷移，使模具表層成為W+γ相且Co含量低于模具體平均值的相區(qū)，而具有高的硬度和耐磨性；中間層為W+γ相且Co含量高于模具平均值的相區(qū)，而具有較高的韌性；模具體的芯部由于在滲碳過程中幾乎沒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，仍含有η相組織，其剛性強(qiáng)。因此，本發(fā)明生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)梯度明顯、滲碳處理時(shí)間短，表面無η相層厚度值高、形成速度快，與背景技術(shù)相比在同等厚度的梯度下可縮短滲碳時(shí)間50～65％，表面無η相厚度提高20～50％、平均強(qiáng)度提高20～25％，；與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金工、模具比較，其使用壽命提高30～65％，且具有生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本及能耗低等特點(diǎn)。
實(shí)施例1本實(shí)施例以yG6球形鉆齒滲碳處理為例；滲碳劑由純度為99.0％的Al2O340wt％，，粒徑為1.2mm、含C量為99.5％石墨粒20wt％、，純度為工業(yè)純級(jí)的碳酸鈉40wt％配制而成；將由常規(guī)方法生產(chǎn)的金相組織均勻的yG6連同滲碳劑2kg裝舟，yG6球齒埋于滲碳劑內(nèi)后送入馬弗爐內(nèi)，在1400°～1410℃溫度下滲碳處理80min，自然冷卻后將表層WC+γ兩相區(qū)(無η相區(qū))厚2.4mm的球齒，而背景技術(shù)在滲碳處理3小時(shí)無η相層厚僅1.8mm。
本實(shí)施例用φ45mm硬質(zhì)合金鉆頭在進(jìn)給壓力6MPa旋轉(zhuǎn)壓力5MPa和轉(zhuǎn)速200rpm的條件下，與標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金球齒在抗壓強(qiáng)度270～320MPa的花崗巖上鑿孔，作對(duì)比試驗(yàn)，其使用壽命平均長(zhǎng)31.8％。
實(shí)施例2本實(shí)施例采用硬質(zhì)合金WC-8％Co制作的φ40mm的鉆頭為例滲碳劑由純度為工業(yè)級(jí)的碳酸鈣和碳酸鉀各20wt％，純度為99.5％的Al2O340wt％及平均粒徑為1.5mm、含C量99.0％的石墨粒20wt％，配制而成；與金相組織均勻一致的硬質(zhì)合金鉆頭燒結(jié)體按要求裝舟后，送入馬弗爐內(nèi)，在1420℃下滲碳處理110min，得表面層無η相層厚2.5mm的呈梯度結(jié)構(gòu)的鉆頭，其平均抗彎強(qiáng)度達(dá)3490N/mm2。該鉆頭與標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金鉆頭在石英砂巖上作對(duì)比試驗(yàn)，其結(jié)果耐磨性提高22.6％、平均壽命延長(zhǎng)35.5％。
實(shí)施例3本實(shí)施例以總碳含量5.25％的WC-7％Co的混合粉料制得的高為16mm、直徑為12mm、定徑帶直徑1.5mm的拉絲模為例其滲碳劑由工業(yè)級(jí)純度的碳酸氫鈣45wt％，純度為99.5％的Al2O340wt％及含C量99.9％、平均粒徑為1.2mm的石墨粒15wt％配制而成；將滲碳劑2.2kg與按常規(guī)方法生產(chǎn)的質(zhì)地均勻、機(jī)械性能內(nèi)、外一致的上述硬質(zhì)合金拉絲模燒結(jié)體一并置于石墨舟皿中，將滲碳劑完全覆蓋拉絲模表面后，送入馬弗爐內(nèi)在1400℃溫度下滲碳處理60min，冷卻后得表層梯度厚達(dá)1.8mm的無η相區(qū)，而采用背景技術(shù)在相同條件下梯度僅為1.2mm。該拉絲模的平均抗彎強(qiáng)度3128N/mm2，硬度(HRA)91.90，與標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金拉絲模作拉制焊絲的對(duì)比試驗(yàn)，本實(shí)施例平均產(chǎn)量為3.8噸，標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金拉絲模平均為2.3噸，其使用壽命提高65％。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械性能呈梯度分布的硬質(zhì)合金滲碳處理方法；其特征在于該方法包括A、配制滲碳劑按重量百分比計(jì)，將Al2O3細(xì)粉30～50Wt％、石墨粒10～30Wt％及碳酸鹽或/和碳酸氫鹽30～50Wt％投入攪拌器內(nèi)，攪拌混合均勻后待用。B、裝舟將配制好的滲碳劑按要求量裝入石墨舟皿中，同時(shí)將按常規(guī)方法生產(chǎn)的金相組織均勻且機(jī)械性能一致的硬質(zhì)合金燒結(jié)體埋于滲碳劑內(nèi)；C、滲碳處理將上述裝好的石墨舟皿送入熱處理爐內(nèi)，在1390°～1450℃溫度范圍內(nèi)滲碳處理50～120min；冷卻后即得目的物。
2.按權(quán)利要求1所述硬質(zhì)合金滲碳處理方法；其特征在于所述碳酸鹽及碳酸氫鹽可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸鹽或碳酸氫鹽。
3.按權(quán)利要求1所述硬質(zhì)合金滲碳處理方法；其特征在于所述滲碳劑中Al2O3的純度≥98.0％，石墨粒為含C量＞98％、粒徑為0.3～2.0mm的石墨粒，碳酸鹽及碳酸氫鹽的純度均為工業(yè)級(jí)。
4.按權(quán)利要求1所述硬質(zhì)合金滲碳處理方法；其特征在于所述冷卻后即得目的物，其冷卻速度為5～30℃/min。
全文摘要
該發(fā)明公開了一種硬質(zhì)合金制品的滲碳處理方法，該方法包括配制滲碳劑、裝舟、滲碳處理。其中滲碳劑由Al
文檔編號(hào)C23C8/00GK1526847SQ03135888
公開日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
發(fā)明者劉詠, 羊建高, 王海兵, 張林秋, 龍鄭易, 李克林, 劉 詠 申請(qǐng)人:自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司