[发明专利]一种表层钴含量呈梯度变化的硬质合金的制备工艺

说明书

技术领域

本发明公开了一种表层钴含量呈梯度变化的硬质合金的制备工艺。属 于硬质合金材料制造技术领域。

背景技术

硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)为基 体，以过渡族金属(Co、Fe和Ni)为粘结相，采用粉末冶金方法制备的金 属陶瓷工具材料。由于其高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、 热膨胀系数小以及化学性质稳定等优点，在金属切削工具。木材加工切削 工具、石油矿山钻具、复合材料加工工具、冷成型工具、耐磨零件和热轧 轧辊等方面有着重要的应用。

常规WC-Co类硬质合金刀片、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，即当减少合金中钻(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；反之则影响 其硬度和耐磨性；此外，刀片、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工、模具损坏、破裂而报废。

为了克服这一弊病，若能制备性能梯度变化的硬质合金，将能大大改 善硬质合金的使用寿命。二十世纪八十年代，瑞典Sandvik公司开发了此 类功能梯度结构硬质合金，成功推出牌号为DP55、DP60和DP65三个牌 号的双相(DP)硬质合金。这类合金一般呈现类似于三明治的三层结构， 在合金的最外层和中间层均为WC+Co两相组织，内层为WC+Co+η三相 显微组织。最外层钴相含量低于合金的名义钴含量，具有很高的硬度和耐 磨损性能；中间层钴相含量高于合金的名义钴含量，具有很好的硬度和耐 磨损性能。由于这种方法制备的钴含量呈梯度变化的硬质合金，材料内层 含有硬脆η相，势必会对材料的使用性能有影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操 作方便，制备的硬质合金表层钴含量呈梯度分布，最外层钴相含量低于合 金的名义钴含量，具有高的硬度和耐磨损性能；中间层钴相含量高于合金 的名义钴含量，具有很好的硬度和耐磨损性能，而内层是正常平衡两相组 织，提供好的综合性能的表层钴含量呈梯度变化的硬质合金的制备工艺。

本发明一种表层钴含量呈梯度变化的硬质合金的制备工艺，包括下述 步骤：

第一步：硬质合金表面渗钨脱碳

对硬质合金表面渗钨，利用钨与碳反应，生成WC，使硬质合金表面生 成脱碳相，得到表层钴含量呈梯度变化的硬质合金前驱体；

第二步：对表层钴含量呈梯度变化的硬质合金前驱体进行表面渗碳

将第一步所得前驱体进行固体渗碳，得到表层钴含量呈梯度变化的硬 质合金。

本发明中，所述渗钨是将硬质合金包裹在糊状仲钨酸铵中，在氢气气 氛中加热至800～900℃，保温20～40分钟后继续加热至1400～1460℃，保 温1～2小时后，出炉置于氢气气氛中冷却。

本发明中，所述糊状仲钨酸铵是将仲钨酸铵溶解在浓度为2％～4％的聚 乙烯醇溶液中得到，所述仲钨酸铵的加入量为聚乙烯醇溶液质量6～8倍。

本发明中，所述固体渗碳的碳源为炭黑，渗碳温度为1420～1450℃，时 间为0.5～2小时。

本发明由于采用上述工艺方法，利用仲钨酸铵在氢气气氛中加热至约 900℃时，即可部分还原成活性较大的W金属和氧化钨，在1400～1460℃恒 温一段时间，可以将活性W原子渗入硬质合金中，这样由于表面区域的液 相Co中的W原子浓度增大，从而反应生成脱碳相，η相的形成表征可以 为：3[W]+[C]+3Co(L)＝W₃Co₃C(S)。

本发明基于渗钨使液态Co中各元素含量满足形成脱碳相和脱碳相与 液相Co、WC相共存的成分和热力学条件从而形成脱碳η相，渗碳引入活 性碳原子可以与脱碳η相发生扩散反应生成WC相和Co相(2[C]+ W₃Co₃C(S)＝WC(S)+3Co(L))，在反应过程中伴随着Co相的定向迁移这个 动力学过程的原理，成功的制备了表层钴相呈梯度分布，而芯部保持正常 组织的硬质合金，提高了硬质合金的力学性能和使用寿命。