[发明专利]一种钴相梯度结构可控的硬质合金的制备方法

说明书

本发明公开了一种钴相梯度结构可控的硬质合金的制备方法，该制备方法将碳化钨粉末和钴粉占按比例比例混合，加入成型剂，然后进行球磨混合制粒和压制成型形成压坯，将压坯装入石墨盒内用炭黑将压坯全部包裹覆盖并密封，再将装好的石墨盒放入低压烧结炉内进行渗碳过压一体烧结，一体烧结的终温为1400～1500℃，渗碳过压一体烧结还包括脱蜡、固相渗碳、钴相迁移并致密化和冷却出炉，最终得到钴相梯度结构可控的硬质合金。本发明采用炭黑渗碳和渗碳过压一体烧结处理，渗碳效率较高，形成的硬质合金梯度层厚度可控，成本较低；同时通过工艺调整和压力烧结，可以有效消除残余渗碳相和孔隙并控制脱碳相的体积分数，得到性能优良、稳定可控的梯度合金。

技术领域

本发明涉及合金材料制备技术领域，具体涉及一种钴相梯度结构可控的硬质合金的制备方法。

背景技术

硬质合金作为一种工具材料，由于其具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性等性能，已广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、建筑等领域。传统WC-Co硬质合金一般通过调整钴含量和碳化钨粒度来改变合金的耐磨性和韧性去适应不同的领域。通常钴含量越低和碳化钨粒度越细，硬度高，耐磨性好，韧性差，反之钴含量越高和碳化钨粒度越粗，硬度低，耐磨性差，韧性高，二者不可兼得。因此，研制开发一种兼具高耐磨性和高韧性的梯度硬质合金材料是业内科研人士的共同目标。

传统的梯度合金以瑞典山特维克公司的DP合金为代表，其典型工艺是先制备贫碳烧结基体，再将贫碳基体进行渗碳处理，得到表层贫钴、中间层富钴、芯部含贫碳η相的梯度合金，该方法采用两步烧结处理，效率较低，梯度层厚度难控制，同时会有残余石墨相和孔隙出现，影响合金性能，批量生产难度很大，截止至今未见其产业化相关报道。

专利CN102031435A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，该方法包括将正常硬质合金在氢气气氛保护下，通过渗钨先制备表层脱碳而芯部具有正常相组成的硬质合金，然后将该硬质合金在氢气保护下进行渗碳处理，即制得钴含量呈梯度分布的硬质合金。该工艺的核心是先制备表层脱碳的硬质合金基体，再进行基体渗碳，由于反应扩散和液相流动等原因在硬质合金表层形成钴相梯度，而芯部则保持正常硬质合金的结构，从而获得优异力学性能的产品，是典型的二步法制备梯度合金技术，制备工艺较繁琐，生产制造成本高。

专利CN107267837A公开了一种粘结相呈梯度变化的梯度硬质合金及其制备方法，其特征在于依次包括如下步骤：配制WC-Co粉末；调节WC-Co粉末的碳含量，以亚化学当量计算碳含量上限和下限；加入成型剂；压制成坯；脱除成型剂；真空烧结；升温至900～1200℃，以脉冲方式通气体，对真空烧结体进行渗碳热处理；升温至1275～1325℃，进行Co相迁移处理；升温至1380～1450℃，通入Ar气，保持压力为10～20毫巴；压力烧结；快速冷却至1270℃；再从1270℃冷却至室温，出炉得到梯度硬质合金。该方法是属于一步处理法，但其采用的是气相渗碳工艺，存在两个明显的缺陷：气相浓度在炉内是不均匀的，随炉内位置、舟皿和产品摆放不同而变化，会造成炉内不同部位的产品和产品不同部位的渗碳程度不一样，导致合金性能不稳定，也不能精确调控梯度合金的结构层次；另外该方法是在高温下通入渗碳气体，是负压状态，且氢气和甲烷是可燃性气体，存在爆炉的安全隐患，同时高温下渗碳气体分解出炭黑，会沉积在炉内元器件上，引起炉子故障，因此该方法降低了开炉的安全系数。

在现有技术报道中，梯度硬质合金的生产不是生产效率较低，就是制备的梯度合金性能不稳定，很难进行产业化，这也是迄今为止钴相梯度合金研究很多却一直没有产业化的主要原因。因此，亟需研究一种生产效率高、成本低、安全性高的梯度硬质合金制备方法，促进梯度合金早日产业化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种钴相梯度结构可控的硬质合金的制备方法，本发明通过优化硬质合金的渗碳方式和渗碳烧结工艺，将二者协同配合，使得制备梯度硬质合金的方法更加简便、生产成本降低、生产过程安全、制得的梯度硬质合金梯度结构可控，便于梯度硬质合金产业化推广应用。