[发明专利]一种梯度结构硬质合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种梯度结构硬质合金的制备方法。适合于要求合金表面硬度及耐磨性高、芯部要求韧性高的矿用钻齿、切割及模具类梯度硬质合金的制备。属于硬质合金材料制造技术领域。

背景技术

硬质合金具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、低热膨胀系数以及高化学稳定性等特点，被誉为“工业的牙齿”，广泛应用于采矿、机加工等方面。但是常规硬质合金为WC相和粘结相的两相均匀组织，其产品内外结构及机械性能是一致的，存在着高硬度和耐磨性与强韧性之间的矛盾。而对于钻头及切割刀具用硬质合金产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展，故又要求硬质合金体内具有较高的韧性。但常规硬质合金很难实现高硬度和耐磨性与强韧性之间的统一。随着梯度功能材料概念的提出，人们考虑制备梯度功能硬质合金，使其表面具有高的硬度和耐磨性，同时内部具有高的强韧性，使材料的表面和内部分别承担耐磨和抗冲击功能，其使用效果就较常规硬质合金要好很多。瑞典Sandvik公司在申请号为85108173的专利文献《最适合于岩石钻孔和矿石切割的硬质合金体》中公开了一种制备梯度功能硬质合金(DP合金)的方法。即通过采用低碳含量的合金先预烧结出相成分为WC+γ+η相三相组织的基体材料，然后，采用固相渗碳的方法得到钴相呈梯度分布的硬质合金。这种方法制得的材料表面低钴、中间层高钴、芯部为含η相的结构，芯部η相的存在对材料的性能不可避免产生影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种工艺方法简单、设备投资少、过程控制简便、所得的梯度硬质合金体芯部没有η相的存在的梯度结构硬质合金的制备方法。

本发明一种梯度结构硬质合金的制备方法，包括下述步骤：

第一步：硬质合金表面脱碳

将硬质合金通过表面氧化，使硬质合金表面脱碳并形成η相，得到梯度结构硬质合金前驱体；

第二步：硬质合金表层渗碳

将第一步所得梯度结构硬质合金前驱体进行固体渗碳，即得到粘结相呈梯度的梯度结构硬质合金。

本发明中，所述表面氧化是将硬质合金包裹在Mg(OH)₂和Al₂O₃的混合填料内于氢气气氛中，加热至1420-1450℃、保温1-2h后出炉，在氢气气氛保护环境中冷却。

本发明中，所述混合填料中Mg(OH)₂占Mg(OH)₂和Al₂O₃混合填料总重量的5-15％。

本发明中，所述固体渗碳的碳源为石墨，渗碳温度为1420-1450℃，时间为1-2h。

本发明由于采用上述工艺方法，在正常硬质合金的基础上，通过表面一定深度的脱碳形成η相，再在表面脱碳的基础上，通过渗碳过程使钴相发生迁移，从而形成粘结相的梯度结构。该方法制备的梯度硬质合金，芯部没有η相的存在，从而比DP合金有更好的使用性能。

本发明采用Mg(OH)₂填料对硬质合金在氢气气氛下进行脱碳处理。氢气本身为脱碳型气氛，在高温下氢气与硬质合金中高活性的碳原子就会发生脱碳反应，而Mg(OH)₂的加入则会促进硬质合金的脱碳，因为Mg(OH)₂分解生成的水蒸气更容易与碳反应，使硬质合金脱碳更严重。可能的反应有：

WC+H₂＝W+CH₄       (1)

WC+H₂O＝W+H₂+CO    (2)

C+H₂O＝CO+H₂       (3)

由于C原子在WC-Co合金γ相中的扩散较快而W的扩散速度很慢，当WC以单原子形式溶入γ相后，C原子可以从γ相中逸出合金之外与氢气或水蒸气反应。一旦C浓度损失过量，则η相生成。η相的形成表征可以为：

3WC+3Co＝2W₃Co₃C+2C↑        (4)

形成η相后的脱碳样品用混合均匀的石墨和Al₂O₃作为渗碳剂在氢气气氛保护下载1450℃左右温度下进行固体渗碳，得到具有梯度结构的硬质合金材料。该方法制得的合金表层低钴，具有高硬度和耐磨性；内部高钴且没有η相的存在，具有较好的强韧性。