[发明专利]具有粘结金属富集层表面结构的合金及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种具有粘结金属富集层表面结构的合金及其制备方法与应用。所述粘结金属富集层表面结构的特点是合金粘结金属均质连续、均匀覆盖在合金表面，厚度在0.5～2.2μm之间；所述合金是指硬质材料，包括WC基硬质合金和TiCN基金属陶瓷。本发明制备方法是基于粉体外场隧道效应可控式诱导烧结过程中合金中液相表面定向迁移的原理，将合金或压坯埋入由高纯稀土氧化物粉末和高纯石墨粉组成的填料中，在高于合金共晶温度10～80℃，保温40～120min条件下进行真空烧结。本发明方法具有低成本、环境友好和短流程等特点，可显著提高硬质材料的焊接性能和涂层刀具的使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种具有粘结金属富集层表面结构的合金及其制备方法与应用，属于粉末冶金复合材料和粉末冶金工具技术领域。

背景技术

硬质材料由硬质相和韧性粘结相组成。硬质材料的“粘结金属”对应原始添加态，如Co、Ni和Co–Ni等；硬质材料的“粘结相”对应烧结后合金态。在烧结过程中，硬质相合金组元通常会在粘结金属中产生固溶，形成以固溶体状态存在的粘结相。

涂层硬质材料由硬质材料基体和涂层两部分组成。硬质材料基体表面状态对与其直接接触的涂层形核与生长具有重要影响。如果涂层是多层复合涂层，后续生长的涂层对这种影响依次具有继承性。涂层形核与生长环境的改变会影响涂层的性能及其切削刀具的使用寿命。

硬质材料表面的成分与微观组织除影响涂层的形核与生长外，也会影响合金的焊接性能。在硬质材料烧结过程中，受合金成分和烧结炉内气氛的影响，合金表面容易出现不同于合金内部组织结构的合金表层组织结构，这种在非受控条件下自然形成的组织结构，通常具有成分的非均质性、在表面分布的非连续性、厚度的不可控性、组织结构变化的随机性等特征，对合金物理力学性能与后续焊接、涂层沉积等均具有不利影响，并严重影响上述合金制品的质量稳定性。当硬质材料中含Ti时，Ti极易在合金表面产生局域富集，形成含Ti化合物，使合金无法焊接。因此硬质材料烧结后通常对要其进行表面喷砂、滚磨、研磨、磨削等处理。对具有上述表层组织结构特征的合金，采用常规的喷砂处理难以彻底清除上述异质表层组织。

对于难焊接的硬质材料，采用电镀工艺使合金表面沉积一层金属Ni或Co可解决焊接问题，但是伴生环保问题。更重要的是，由于镀层组织与合金基体之间结合强度较低，在实际使用过程中焊接刀片或工具容易出现脱落问题。

图1展示了一种WC–10Co再生合金烧结体表面微观组织结构的扫描电镜照片和图中十字符号标示部位的能谱分析结果。上述再生合金采用含Ti、Ta、Cr、V等杂质的选择性电溶法再生超细WC粉为原料。

图2展示了WC–10Co合金烧结体表面微观组织结构的扫描电镜照片和图中十字符号标示部位的能谱分析结果。上述合金采用高纯WC粉末为原料。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种具有粘结金属富集层表面结构的合金，以满足实际应用对合金焊接性能和实际应用对涂层刀具使用性能和使用寿命等要求。

本发明的第二个目的是提供一种具有粘结金属富集层表面结构合金的制备方法，以满足实际应用对合金具有高焊接性能、高焊接强度和实际应用对涂层刀具具有高使用性能和高使用寿命等需求。

本发明的第三个目的是基于合金焊接性能、焊接强度以及涂层刀具使用性能和使用寿命得到显著改善的市场需求驱动，提供一种低成本、环境友好、短流程解决问题、满足应用需求的方法。

本发明一种具有粘结金属富集层表面结构的合金，所述粘结金属富集层表面结构的特点是合金粘结金属均质连续、均匀覆盖在合金表面，厚度在0.5～2.2μm之间；所述粘结金属富集层表面结构，通过粉体外场隧道效应可控式诱导烧结过程中合金中液相表面定向迁移原位形成；所述合金是指硬质材料，包括WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷中的至少一种；所述硬质材料的粘结金属包括Co、Ni等元素中的至少一种，粘结金属在合金中的质量分数≥3％。作为优选，粘结金属在合金中的质量分数≥6％。