[发明专利]一种具有钴梯度结构的硬质合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬质合金的制备技术领域，特别是涉及一种具有钴梯度结构的硬质合金的制备方法。

背景技术

由于硬质合金具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及高化学稳定性等一系列优点，因此在采掘、金属加工及模具等工业领域有着广泛的应用。但是常规硬质合金为WC相和粘结相的两相均匀组织，其内外结构及机械性能是一致的，其耐磨性和断裂韧性二者之间存在着此消彼长的关系。在许多服役条件下，传统的均匀结构硬质合金则表现出明显的劣势。例如，凿岩硬质合金工具这类要求钻齿表面耐磨和整体耐冲击，传统均匀结构硬质合金通常不能满足此种工作条件，制备梯度结构硬质合金被认为是解决合金耐磨性和韧性矛盾的重要方法。

瑞典山特维克公司在申请号为85108173的专利文献《最适合于岩石钻孔和矿石切割的硬质合金体》中公开了一种制备梯度功能硬质合金方法，即，通过预烧低碳含量的生坯制备出相成分为WC+γ相+η相(W或C溶解于Co中的固溶体，统称γ相；Co₃W₃C或者Co₆W₆C，统称η相)三相组织的基体材料，然后采用固相渗碳的方法得到钴相呈梯度结构的硬质合金。美国犹他大学Z.Z.Fang教授在申请号201010003392的专利文献《具有设计的坚硬表面的功能梯度碳化钨硬质合金及其制备方法》中公开了一种功能梯度碳化钨硬质合金方法，即，通过预烧生坯制备出相成分为WC+γ相两相组织或WC+γ+η相三相组织的基体材料，然后采用气体渗碳方法制备出钴相呈梯度结构的硬质合金。由此可见，上述方法都必须经过两次烧结，增加了生产工序，提高了生产成本，同时两次烧结易造成合金晶粒过度长大，使合金力学性能下降。公开文献《一次烧结法制备两相梯度合金的研究》认为，可以通过一次烧结在固相烧结阶段渗碳制备钴梯度硬质合金。但硬质合金在固相烧结阶段，环境的真空度过低不利于硬质合金生坯中氧元素的脱除，导致最终烧结合金中存在孔隙和钴池缺陷，影响产品的力学性能；并且在固相烧结阶段，硬质合金生坯中孔隙还是连通的，渗碳气氛很容易沿着连通孔隙深入到生坯内部，使硬质合金生坯内部和外部同时渗碳，造成液相烧结阶段硬质合金生坯内部和外部的Co中不存在碳和钨的浓度差和以及渗透压，最终难以制备成具有钴梯度结构的硬质合金。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种具有钴梯度结构的硬质合金的制备方法，通过将低碳硬质合金生坯一次烧结制得从表层向芯部方向钴含量呈梯度分布的硬质合金，具有工艺简单，过程简便，生产工序简化，生产成本降低，生产效率提高的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有钴梯度结构的硬质合金的制备方法，包括如下步骤：

制备低碳硬质合金生坯的步骤；

钴梯度结构硬质合金的烧结步骤，该步骤是将所述低碳硬质合金生坯首先在真空环境中采用常规的脱蜡、脱氧工艺烧结，到达液相烧结温度时转为渗碳气氛烧结，保温结束后，随炉冷却即可制得具有钴梯度结构的硬质合金。

所述制备低碳硬质合金生坯的步骤是通过配料、压制方式获得含碳量在W-Co-C相图WC+γ+η三相区内的低碳硬质合金生坯。

所述真空环境其真空度≤500pa。

所述渗碳气氛的碳活度范围为：0.4≤碳活度≤1。

所述碳气氛由含有CO、CH₄和C₂H₂中的至少一种气体的混合气体提供。

所述液相烧结温度为1300～1500℃。

本发明的一种具有钴梯度结构的硬质合金的制备方法，是通过配料、压制获得在W-Co-C相图WC+γ+η三相区内的低碳硬质合金生坯，将所得低碳硬质合金生坯首先在真空环境中采用常规的脱蜡、脱氧工艺烧结，到达液相烧结温度时转为渗碳气氛烧结，由于在液相烧结时采用渗碳气氛烧结，烧结环境中的碳活度大于WC+γ+η硬质合金内部的碳活度。当C元素在液相Co中从硬质合金表面向芯部方向扩散时，随着表层Co中碳浓度的增加，表层中η相与C发生反应生成WC和Co，使表层的液相Co量增加，见公式(1)：

η相+C→WC+Co        (1)

同时，W和C均可溶解在WC-Co硬质合金的液相Co中，存在公式(2)中的关系：

[W]·[C]＝k       (2)