[发明专利]一种梯度硬质合金刀具制备方法

说明书

技术领域

本发明属合金刀具技术领域，特别是涉及一种梯度硬质合金刀具制备方法。

背景技术

WC-Co硬质合金具有高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀等诸多优异性能，是数控刀具制造业广泛使用的刀具材料。这种合金由大量难熔金属碳化物(WC)和少量粘结金属(Co)组成并用粉末冶金工艺制备而成，其力学性能主要取决于WC的晶粒尺寸和粘结相Co的含量。一般地，相同WC晶粒尺寸条件下，随Co含量的减少，材料的硬度、耐磨性提高，但强度、韧性降低。对于硬质合金钻头、铣刀及可转位刀片等数控刀具，在金属切削过程中，不仅要求表面有很高的硬度和耐磨性，而且还要求心部强韧性好，能承受较大的冲击力。传统结构硬质合金由于成分、组织的均质性，各性能间(如强度和硬度、耐磨性和韧性)存在着尖锐的矛盾，很难实现耐磨性与强韧性的统一，使得硬质合金数控刀具在工业中的应用受到了很大的限制。表面贫Co梯度硬质合金的表层Co含量低，具有很高的硬度和耐磨性；合金的心部Co含量高，具有很好的强度和韧性，可有效解决硬质合金各性能间的矛盾。瑞典Sandvik公司在申请号为85108173的专利文献《最适用于岩石钻孔和矿石切割的硬质合金体》中公开了一种双相结构梯度硬质合金(DP合金)的制备方法，并已在球齿等凿岩工具上得到了商业化应用。这种梯度硬质合金是通过先压制总碳量远低于化学计量碳的WC-Co硬质合金压坯，预烧结制得整体含η相(Co₃W₃C或Co₆W₆C)的缺碳硬质合金，之后进行固体渗碳处理的技术来制备的。合金表层为低Co含量的WC+γ组织，中间层为高Co含量的WC+η+γ三相组织，心部为合金名义Co含量的WC+η+γ组织，由于心部存在大量脆性η相，严重降低了材料的强度，因而不适用于制造整体硬质合金刀具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种梯度硬质合金刀具制备方法，针对现有数控刀具的不足，提供一种工艺方法简单、设备投资少，过程控制简便，适用于制造梯度硬质合金数控刀具的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种梯度硬质合金刀具的制备方法，其中所述的方法包括下述步骤：

(a)制备整体不含η相的贫碳硬质合金基体；

(b)将所得贫碳硬质合金基体磨削加工成刀具；

(c)对所得刀具进行气体渗碳表面处理；

(d)对所得渗碳处理刀具精磨，即得到表面贫Co的梯度硬质合金刀具。

所述的步骤(a)中制备整体不含η相的贫碳硬质合金基体的方法为将贫碳WC-Co混合料，经湿磨、干燥、制粒、模压后，按正常烧结工艺进行液相烧结，得到整体不含η相的贫碳硬质合金基体。

所述的步骤(b)中将贫碳硬质合金基体放在数控磨床上进行磨削，磨削成接近最终尺寸的刀具。

所述的步骤(c)中将刀具垂直放置在真空烧结炉内，在富碳气氛下进行真空渗碳。

所述贫碳WC-Co混合料是将WC粉、Co粉和纯W粉配制成总碳含量位于WC-Co平衡相图的两相区边界、但低于化学计量碳的WC-Co混合料。

所述接近最终尺寸为刀具的磨削余量为0.1mm。

所述富碳气氛为甲烷体积百分浓度为0.8～2.5vol.％的甲烷和氢气混合气体。

所述渗碳温度1260～1320℃，时间2～4h，混合气体流量4～10L/min，炉内压力0.25～0.5atm。

所述刀具精磨是将刀具磨削至最终尺寸并刃磨刃口。

本发明由于采用上述工艺方法，在整体不含η相的贫碳硬质合金基础上，通过对磨削成形的刀具进行真空气体渗碳，使刀具表面的Co相向内部迁移，形成表面贫Co、心部高Co含量的粘结相梯度结构，之后精磨成梯度硬质合金刀具。该方法制造的梯度硬质合金刀具，表面Co含量低，硬度高，耐磨性好。心部Co含量高且无η相存在，强韧性好，比传统结构硬质合金刀具有更好的使用性能。

本发明采用总碳含量位于WC-Co平衡相图的两相区边界、但低于化学计量碳的WC-Co混合料制备刀具，刀具材料为整体不含η相的正常组织，按常规硬质合金生产工艺生产，工艺简便。

本发明采用甲烷和氢气混合气体为碳源，在真空条件下对刀具进行气体渗碳，甲烷分解产生活性碳原子：CH₄→C+2H₂。当气氛中活性碳原子浓度高于刀具表面碳含量时，碳原子向刀具内部扩散，使得刀具表层碳含量提高，固相Co转变成液相Co并向刀具内部迁移，从而得到表层Co含量低，心部Co含量高的梯度硬质合金刀具。