[发明专利]一种提高WC-Co硬质合金力学性能的深冷处理方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种提高WC-Co硬质合金力学性能的深冷处理方法。

背景技术

金属切削技术和刀具作为关键技术和基础装备，决定着机床加工的效率、精度、质量和成本。硬质合金是由难熔金属化合物和金属黏结剂经粉末冶金方法制成的工具材料，以其优良的性能正在更多的场合替代其它的刀具材料。

硬质合金硬度，远高于高速钢，且具有高抗弯强度、化学稳定性好、耐热性高等优点；发达国家 90 %以上的车刀和 55 %以上的铣刀都采用硬质合金材料，而且比重仍在增加；另外硬质合金也用来制造钻头、端铣刀等；作为加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具也日益增多。目前，世界上硬质合金刀具已经占据了刀具市场的主导地位，比重高达 70 %，而我国的硬质合金刀具比例相对较低。

我国目前年产硬质合金1.6万吨，占全球总产量的40%左右。但硬质合金制品附加值最高的切削刀片产量只有3千余吨，仅占20%；根据我国机床工具工业协会的统计，2010年我国进口硬质合金刀具，约占100亿元，这些进口刀具大多进入了我国航空航天、汽车摩托车、轨道交通、能源电力、模具制造等重点行业的高端制造领域。

我国硬质合金高端产品过少，产品的工艺稳定性和产品的性能稳定性较差，每万元产值的矿产资源和能源消耗量是发达国家同类企业的5~10倍，这一现状已引起我国政府的高度重视；因此，硬质合金材料被列入了国家新材料产业“十二五”发展规划。

随着加工工业的发展，现代刀具材料向着高精度、高速切削、干式切削和降低成本等方向发展。高速切削过程中，由于刀具承受着较大的压力和剧烈的摩擦作用，刀具快速磨损是刀具的主要失效形式；频繁的更换刀具，大大降低了生产效率，同时也增加了生产成本。

目前改进硬质合金性能的方法主要有三个方向：晶粒细化、涂层硬质合金、添加稀有金属及添加稀土元素；这些方法虽然取得了一定的研究性成果，但均存在不同程度的缺陷，而制备工艺的不足也限制了新型硬质合金刀具材料的实际推广应用。

1) 晶粒细化：目前只有少数企业能够批量生产超细晶级别的硬质合金，而能够批量生产纳米晶硬质合金的企业更是寥寥无几；由于刀具材料晶粒细化工艺仍不够成熟，烧结过程纳米晶粒极易生长成粗大晶粒，导致材料强度、硬度和耐磨损性能下降，另一方面，晶粒越细硬质合金的价格越昂贵，在一定程度上使其推广应用受到限制。

2) 涂层硬质合金：刀具涂层工艺仍以化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)为主。这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低，涂层易剥落，所以涂层不能太厚，而且涂层一旦被磨掉，刀具就会迅速磨损；目前的技术仍未能从根本上解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。

3) 添加稀土元素：稀土元素的添加可改善硬质合金的微观组织并提高其力学性能，但由于添加方式、形态、种类和数量的不同以及研究手段的不同，各研究结论有所不同，提出的机理也有差异，甚至相互矛盾。

发明内容

针对现有硬质合金性能改进在技术上存在的上述问题，本发明提供一种提高WC-Co硬质合金力学性能的深冷处理方法，通过将WC-Co硬质合金真空淬火、回火和深冷处理，来显著提高硬质合金的硬度、弯曲强度和耐磨性，同时可极大的降低液氮使用量。

本发明的提高WC-Co硬质合金力学性能的深冷处理方法按以下步骤进行：

1、将WC-Co硬质合金进行真空淬火处理，真空度为10^-1~10^-2 Pa，淬火温度为1170~1230 ℃，淬火保温时间为20~30min，淬火介质为室温淬火油，当 WC-Co硬质合金冷至室温时取出；

2、将淬火后的WC-Co硬质合金进行真空回火处理，控制真空度在10^-1~10^-2 Pa，回火温度为550~600℃，回火保温时间为30~60 min，然后以10~30℃/min的速度冷却到室温，完成真空回火；

3、将真空回火后的WC-Co硬质合金用棉布和塑料包裹后置于程控深冷箱中，以液氮为制冷剂，以4~8℃/min的冷速降温至-196℃，保温10~25min；

4、将程控深冷箱中的WC-Co硬质合金取出，然后在≤2min的时间里置于装有液氮的容器中，使WC-Co硬质合金浸没在液氮内，保温24~72h，然后取出自然恢复至室温，完成深冷处理。

上述的步骤2中，以10~30℃/min的速度冷却到室温是喷吹氮气进行冷却。