本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)合金的制備方法，具體涉及一種WC-Co硬質(zhì)合金的熱處理淬火方法。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)合金是以一種或多種高硬度、高模量的難熔金屬碳化物(WC、Ti C、Cr2C3)為基體，以過渡族金屬(Fe、Co、Ni等)或其他合金為粘結(jié)相而組成的一種多相復(fù)合材料。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料具有陶瓷的高硬度、高耐磨性、紅硬性，又具有金屬的較高強(qiáng)度和韌性；而這種特異的“雙高”性能正是材料科研工作者所追求的目標(biāo)。
碳化鎢-鈷就是“雙高”硬質(zhì)合金或者金屬陶瓷的典范。其牌號是由YG和平均含鈷量的百分?jǐn)?shù)組成。例如，YG8，表示平均WCo＝8％，其余為碳化鎢的鎢鈷類硬質(zhì)合金。由于WC-Co硬質(zhì)合金優(yōu)越的性能而被廣泛的應(yīng)用于拉絲模、切削工具、耐腐蝕零件及結(jié)構(gòu)部件，如高壓容器的柱塞及液缸、精密軋輥、合成金剛石的頂錘、鋼絲滾軋機(jī)的軋輥、裁紙刀等；油田開鉆的噴嘴等。
硬質(zhì)合金的綜合使用性能主要表現(xiàn)在高強(qiáng)度和高耐磨性的有機(jī)統(tǒng)一上，為了滿足這一要求，針對硬質(zhì)合金質(zhì)量在改進(jìn)硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝方面盡了很大的努力，但仍有潛力可挖。熱處理就是提高硬質(zhì)合金強(qiáng)度和主要方法之一。
硬質(zhì)合金熱處理的實質(zhì)是把燒結(jié)硬質(zhì)合金加熱到1000℃以上，然后進(jìn)行淬火。由于在硬質(zhì)合金燒結(jié)進(jìn)程中，隨著燒結(jié)溫度的升高，鎢在鈷中的溶解度增大，而在緩慢冷卻進(jìn)程中，溶解于鈷粘結(jié)相中的鎢從其中析出，使其含量降低，導(dǎo)致合金的耐磨性和強(qiáng)度降低，使用性能下降。據(jù)美國學(xué)者報導(dǎo)，鎢在鈷粘結(jié)相中最大可溶解量達(dá)23％。如果合金在1000℃鎢溶解達(dá)到飽和狀態(tài)時急劇冷卻(即淬火)，則在高溫下溶解于粘結(jié)相中的鎢來不及析出而全部或部分地保留在其中。合金的塑性和強(qiáng)度得到明顯的改善。
硬質(zhì)合金熱處理使其結(jié)構(gòu)發(fā)生一些變化。在淬火加熱過程中，不允許增碳，也不允許脫碳，增碳時引起硬質(zhì)合金含碳量過高，呈現(xiàn)游離狀石墨，它對合金基體起分離作用，降低合金的強(qiáng)度和耐磨性。脫碳時就會對硬質(zhì)合金的基體起著破壞作用，使其強(qiáng)度降低、脆性增大。這就需要在合金淬火加熱過程中要合理的選用有機(jī)液體產(chǎn)生保護(hù)氣。煤油價格低廉，來源方便，但碳勢高，容易形成碳黑。
現(xiàn)有技術(shù)也報道了一些關(guān)于硬質(zhì)合金的熱處理淬火方法；例如公開號為CN105364076A公開了一種硬質(zhì)合金可換刀具的制造工藝，具體公開了一種淬火熱處理：在30分鐘內(nèi)加熱到960℃，保溫35分鐘后淬火，油淬，然后在730℃溫度下對刀柄進(jìn)行中溫回火處理，在350℃溫度下對刀身進(jìn)行低溫回火處理。
合金固相在液相中有一定(不是太大)的溶解度，WC在Co中的溶解度，室溫時，γ相中含WC量為1％，1000℃時為4％，共晶溫度時為8～15％，燒結(jié)溫度時為35～37.5％。由于固相在液相中有一定(又不是太大)的溶解度有利于：改善濕潤性，增加液相相對數(shù)量，便于物質(zhì)遷移，溶解析出可填補(bǔ)固相顆粒表面缺陷和顆粒間隙等優(yōu)點，硬質(zhì)合金出現(xiàn)的共晶溫度一般為1300～1340℃，由于WC中常含有W、W2C和游離碳，形成WC+γ+C三元共晶，其熔點溫度為1280～1300℃。形成WC+γ+C介穩(wěn)共晶，其熔點溫度只有1225～1275℃。因此實際出現(xiàn)液相的溫度大大低于理論共晶溫度。熱處理時加熱過高會破壞合金的組織結(jié)構(gòu)，而過低則不能保證WC在Co相中的溶解度。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有硬質(zhì)合金的耐磨性、塑性、強(qiáng)度、使用壽命等性能較差等技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種WC-Co硬質(zhì)合金的熱處理淬火方法；旨在提升制得的硬質(zhì)合金的綜合性能。
一種WC-Co硬質(zhì)合金的熱處理淬火方法，WC-Co硬質(zhì)合金在120～140滴/min的乙醇投加速度下，依次經(jīng)過600～650℃下保溫20～40min的一段熱處理和1000～1200℃下保溫30～50min的二段熱處理；再后經(jīng)液氮降溫至280～320℃，并保溫25～35min；再經(jīng)自然冷卻制得熱處理的WC-Co硬質(zhì)合金。
本發(fā)明人在經(jīng)過分析及大量的試驗驗證，保持鈷相中4％～5％的W的含量有利于提高硬質(zhì)合金的綜合使用性能。本發(fā)明中，在所述的溫度下，乙醇可分解C2H5OH＝CO+3H2+〔C〕，此外還有少量的H2O、CH4等氣體，在所述的熱處理條件及所述的投加速率下，不易形成碳黑，且可迅速地排除爐內(nèi)的氧化氣氛，實現(xiàn)無氧化、脫碳地加熱工件，有效的保護(hù)硬質(zhì)合金的質(zhì)量，而通入液氮快速冷卻能保證溶入Co相中的W來不及析出，提高Co相中4％～5％的W的含量，極大地增強(qiáng)了鎢鈷合金的耐磨性能。采用本發(fā)明方法進(jìn)行熱處理淬火處理，制得的WC-Co硬質(zhì)合金的良好的耐磨性和韌性，極大地提高了合金的使用壽命，降低了成本。
本發(fā)明中，在對WC-Co硬質(zhì)合金加熱過程中，向體系中投加(滴加)乙醇。
作為優(yōu)選，乙醇的滴加速度為125～130滴/min；進(jìn)一步優(yōu)選為128滴/min。
本發(fā)明中，預(yù)先在所述的乙醇氛圍下，將WC-Co硬質(zhì)合金由室溫升溫至600～650℃，并在所述的溫度下保持20～40min；進(jìn)行一段熱處理。
作為優(yōu)選，一段熱處理過程的升溫速率為3～5℃/min；優(yōu)選為4.2℃/min。
本發(fā)明中，在所述的升溫速率下升溫至所述的一段熱處理溫度范圍，并保溫反應(yīng)。
作為優(yōu)選，一段熱處理過程的溫度為600℃，保溫時間為30min。
本發(fā)明中，一段熱處理保溫處理結(jié)束后，繼續(xù)升溫至1000～1200℃下，并在所述的溫度下保溫30～50min，進(jìn)行二段熱處理。
作為優(yōu)選，由一段熱處理溫度升溫至二段熱處理溫度的升溫速率為1.5～3℃/min；進(jìn)一步優(yōu)選為2℃/min。
作為優(yōu)選，二段熱處理的溫度為1140～1170℃；進(jìn)一步優(yōu)選為1140℃
本發(fā)明中，二段熱處理中，在所述優(yōu)選的溫度下，優(yōu)選的保溫時間為40min。
二段熱處理保溫反應(yīng)后，向體系中通入液氮，急速降溫至280～320℃；隨后向體系中通入保護(hù)性氣氛，并在該溫度下保溫處理25～35min。
所述的保護(hù)性氣氛例如可為N2、Ar氣氛。
作為優(yōu)選，通入液氮降溫至300℃，并保溫30min。
將液氮驟冷的產(chǎn)品自然降溫至室溫，制得熱處理的WC-Co硬質(zhì)合金。
本發(fā)明中，一種優(yōu)選的WC-Co硬質(zhì)合金的熱處理淬火方法，在120～140滴/min的乙醇投加速度下，先將WC-Co硬質(zhì)合金升溫至600～650℃，并保溫20～40min；隨后再升溫1000～1700℃，并保溫30～50min；再后通入液氮降溫至280～320℃，并保溫25～35min；最后降溫制得WC-Co硬質(zhì)合金。
一種更優(yōu)選的WC-Co硬質(zhì)合金的熱處理淬火方法，包括以下步驟：
步驟(1)：將WC-Co硬質(zhì)合金在乙醇氛圍下以4.2℃/min的升溫速度從室溫升到600℃后，保溫30min，再以2℃/min升溫速率升至1140℃后，保溫40min；其中，乙醇的投加速率為128滴/min，
步驟(2)：隨后通入液氮進(jìn)行快速降溫處理，直到300℃時通入氮氣或氬氣保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，制得熱處理的WC-Co硬質(zhì)合金。
本發(fā)明在加熱至1140℃時保溫40min。然后急冷，防止鈷相中的WC大量析出，有效地保證室溫時合金γ相(即鈷相)中含WC量為4～5％，從而讓合金在惡劣的使用工況下，如礦山采掘時合金的溫度達(dá)到800℃以上時，合金仍能保持其高耐磨性能，同時由于其改善合金的濕潤性，增加鈷相相對數(shù)量，便于合金內(nèi)部物質(zhì)遷移也就提高了合金的韌性，整體上就提高了合金的綜合使用性能。
本發(fā)明中，作為優(yōu)選，所述的WC-Co硬質(zhì)合金中，Co的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6～10％；平均晶粒度1.5～2.5μm?？赏ㄟ^配料、濕磨、干燥、噴霧干燥、壓制成形、燒結(jié)等步驟制得；制備的方法可參考現(xiàn)有方法。
此外，本發(fā)明中，待熱處理的WC-Co硬質(zhì)合金也可采用現(xiàn)有商用產(chǎn)品；優(yōu)選的WC-Co硬質(zhì)合金牌號為YG06、YG08或YG10。
有益效果
1、極大地提高了硬質(zhì)合金的耐磨性、塑性和強(qiáng)度，延長了合金的使用壽命，降低了成本。
2、熱處理工藝在本方法本起關(guān)鍵性的作用，不但要控制合金中的碳量，而且要防止合金被氧化，降低氧給合金造成的不良影響；同時還要控制成本，不能過多地增加硬質(zhì)合金后續(xù)加工成本。
3、用本熱處理工藝中滴入乙醇的工藝方法，完全可以代替鹽浴爐實現(xiàn)合金淬火加熱，這對于沒有數(shù)臺鹽浴爐的企業(yè)，不僅可節(jié)省設(shè)備投資而且可降低生產(chǎn)成本，減輕工人的勞動強(qiáng)度，同時實現(xiàn)了一臺設(shè)備多臺用。
4、本方法的制備的硬質(zhì)合金雖然在生產(chǎn)成本上有所增加，但在硬質(zhì)合金的質(zhì)量上是一次很大的提升，提高硬質(zhì)合金的使用效率，在我國現(xiàn)有鎢資源日趨緊張的情況下仍是很有必要。
具體實施方法：
實施例1
步驟(1)：將燒結(jié)完成的硬質(zhì)合金YG06產(chǎn)品密度14.96g/cm3，硬度89.5HRA，抗彎強(qiáng)度2780Mpa，矯頑磁力10.4KA/m，平均晶粒度2.1μm。在乙醇氛圍下以4.2℃/min的升溫速度從室溫升到600℃后，保溫30min，再以2℃/min升溫速率升至1140℃，并恒溫保持40min；其中，乙醇的投加速率為128滴/min，
步驟(2)：隨后通入液氮進(jìn)行快速降溫處理，直到300℃時通入氮氣或氬氣保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，制得所述的WC-Co硬質(zhì)合金。
檢測后結(jié)果：熱處理后的YG06產(chǎn)品密度14.97g/cm3，硬度90.5HRA，抗彎強(qiáng)度2960Mpa，矯頑磁力9.6KA/m，平均晶粒度2.3μm。
實施例2
步驟(1)：將燒結(jié)完成的硬質(zhì)合金YG08產(chǎn)品密度14.75g/cm3，硬度88.4HRA，抗彎強(qiáng)度2860Mpa，矯頑磁力11.3KA/m，平均晶粒度1.65μm。在乙醇氛圍下以4.2℃/min的升溫速度從室溫升到600℃后，保溫30min，再以2℃/min升溫速率升至1100℃，恒溫保持40min；其中，乙醇的投加速率為128滴/min，
步驟(2)：隨后通入液氮進(jìn)行快速降溫處理，直到300℃時通入氮氣或氬氣保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，制得所述的WC-Co硬質(zhì)合金。
檢測后結(jié)果：熱處理后的YG08產(chǎn)品密度14.78g/cm3，硬度90.1HRA，抗彎強(qiáng)度3140Mpa，矯頑磁力10.6KA/m，平均晶粒度1.8μm。
實施例3
步驟(1)：將燒結(jié)完成的硬質(zhì)合金YG10產(chǎn)品密度14.45g/cm3，硬度86.8HRA，抗彎強(qiáng)度2900Mpa，矯頑磁力11.0KA/m，平均晶粒度1.8μm。在乙醇氛圍下以4.2℃/min的升溫速度從室溫升到600℃后，保溫30min，再以2℃/min升溫速率升至1170℃，恒溫保持40min；其中，乙醇的投加速率為128滴/min，
步驟(2)：隨后通入液氮進(jìn)行快速降溫處理，直到300℃時通入氮氣或氬氣保溫30分鐘，再自然冷卻至室溫，制得所述的WC-Co硬質(zhì)合金。
檢測后結(jié)果：熱處理后的YG10產(chǎn)品密度14.44g/cm3，硬度87.9HRA，抗彎強(qiáng)度3220Mpa，矯頑磁力10.8KA/m，平均晶粒度2.0μm。
對比例1
和實施例1相比，區(qū)別在于，乙醇的投加速率為90滴/min。檢測后結(jié)果：熱處理后的產(chǎn)品的綜合性能均處于實施例1。
對比例2
和實施例1相比，區(qū)別在于，用甲醇替代所述的乙醇。檢測后，熱處理后的產(chǎn)品的綜合性能均處于實施例1。
對比例3
和實施例1相比，區(qū)別在于，不進(jìn)行600℃的一段保溫?zé)崽幚?；直接升溫?140℃。檢測后，熱處理后的產(chǎn)品的綜合性能均處于實施例1。