本发明涉及硬质合金材料制造
技术领域：
，特别是涉及一种硬质合金工件的热处理工艺。
背景技术：
：硬质合金主要是由碳化钨硬质相和钴(镍、铁)等铁族金属粘结相共同构成，自上世纪三十年代开始，硬质合金被广泛应用于金属加工、工程机械、模具制造等工业领域。随着现代工业的发展，硬质合金工具和结构件的性能需求日益提高。自上世纪40年代，WC-Co基硬质合金热处理的可行性被提出以来，有关硬质合金热处理的研究就没有中断过。诸多研究工作表明，热处理能够改善硬质合金的组织结构和性能，造成对合金的体积强化效应。经热处理后，硬质合金的抗弯强度可提高5～15％，冲击韧性提高15～30％，特别是会使合金的性能提高1～3倍。一般认为热处理强化硬质合金的机理主要有如下几个方面：(1)可有效降低合金中WC晶粒的邻接度；(2)能够抑制粘结相钴相的马氏体相变，增加粘结相中的面心立方相钴(fcc-Co)的含量，改善合金的塑性和强度；(3)增加粘结相的固溶化程度，达到对粘结相的合金化强化。传统的硬质合金热处理工艺是借助于真空双室炉进行，在中国专利申请“钻探、凿岩用硬质合金的真空热处理方法”(公开号CN1827828A，公开日2006年9月6日)中公开，或专用的真空淬火炉进行，在中国专利“硬质合金刀片基体的热处理方法”(公开号CN101838727B，公开日2010年9月22日)中公开，再辅以气冷或油淬而实现，这些方法采用电阻加热方式，升温速度缓慢(～10℃/min)，且炉温与被加热样品之间存在温度差，必需通过保温处理，才能使得被加热样品加热升温到目标温度，由此可见，传统的热处理工艺不仅升温缓慢而且还需进行保温处理，不仅加工时间长，而且在热处理过程中硬质合金易被氧化，必需在加热过程中通入保护性气体进行抗氧化处理，步骤复杂，效率低下，能耗高，生产成本高，从而抑制了热处理在硬质合金中的广泛应用。技术实现要素：为了解决
背景技术：
中提及的传统热处理工艺中存在的问题，本发明提出一种硬质合金工件的热处理工艺，包含步骤：通过感应加热的方式将所述硬质合金工件加热升温至500℃～1300℃，再进行冷却。所述感应加热是利用电磁感应在硬质合金工件内产生涡流的方式对其进行加热。具体而言，感应加热需借助感应器来进行，将被加热硬质合金工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在硬质合金工件中相应地产生了感应电动势，硬质合金工件表面形成感应电流，即涡流，这种涡流在硬质合金工件的电阻作用下，电能转化为热能，从而实现硬质合金工件的快速加热，本发明的实施例中，感应加热时的升温速度大于或等于5℃/s。由此可见，感应加热可直接作用于硬质合金工件，使被加热工件直接升温到目标温度，无需经过保温处理，加热速度快，耗时短，且被加热工件的表面氧化烧损低，无需保护气体，从而节省了工艺步骤，简化了工艺流程，由此可见感应加热较传统的热处理方式而言，效率高、能耗低，简化了工艺流程，节省了生产成本。本发明中的硬质合金是指碳化钨钴基(WC-Co)硬质合金，由前文可知，热处理一般是针对硬质合金中的粘结相即Co相进行，本发明将硬质合金工件加热升温至500℃～1300℃的原因为，第一，500℃正好高于Co由密排六方向面心立方(hcp→fcc)发生相变的温度点，所以将硬质合金工件加热至500℃以上可保持Co相的fcc相结构，第二，1300℃附近正好是WC-Co合金开始有大量液相出现的温度，此温度点即满足了过饱和状态的产生，又不至于使合金出现变形。由此可见，将硬质合金加热至500℃～1300℃，一方面可保持Co相的fcc相结构，从而提升合金性能；另一方面可促进WC在Co相中的溶解，尽量在热处理中形成过饱和的状态，从而借助于后续的回火处理促进第三相出现，进而提升Co的性能，也就是合金的性能。通过感应加热的方式将硬质合金工件加热升温至目标温度后，可直接对其进行冷却，无需进行传统工艺中的保温处理。本发明中所使用的冷却方式为气冷，即直接通过空气冷却的方式也可以是通入保护性气体的方式，其中，保护性气体可选自氩气等惰性气体或氮气。值得注意的是，在本发明所提供的热处理工艺中，对硬质合金工件的加热是通过感应加热的方式，在感应加热时，感应电流在硬质合金工件上的分布是不均匀的，所述不均匀表现为感应电流在硬质合金工件表面强，越往芯部越弱，即趋肤效应，因此在感应加热时被加热工件表面升温迅速，越靠近芯部温度升高越慢，在对升温后的硬质合金工件进行冷却时，工件表面散热快，而内部温度本来就较低于表面，所需下降的温度幅度较小，固较于传统的热处理工艺中的冷却速率而言，本发明中的冷却速率较高。本发明的实施例中，在所述冷却过程中，通过控制所述气冷中使用的气体的温度可以实现对所述硬质合金工件的回火处理。在本发明所揭露的热处理工艺中，通过感应加热的方式将硬质合金工件加热至500℃～1300℃，所使用的电源频率小于或等于2500Hz，加热的时长为0.5min～5min。在此范围内，可通过调整加热电流和/或加热时长等参数，来达到不同的加热温度，从而获取所需的产品性能，例如断裂韧性、矫顽磁力和硬度等；当电源频率小于或等于2500Hz时，通过调整感应加热时所使用的电源频率，可获得不同的热处理厚度，电源频率越高，热处理厚度越小，电源频率越低，热处理厚度越大，从而可满足不同的产品处理需求。附图说明图1绘示本发明的实施例中感应加热温度-性能关系曲线图。具体实施方式以下将通过具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。实施例一一种WC-Co(碳化钨钴)基硬质合金块体，其Co含量为10wt.％，WC晶粒径为0.8μm，块体尺寸为5mm×5mm×20mm。所述硬质合金块体基体在烧结完成后，先对其进行性能测试并记录，所述性能测试的内容包括对断裂韧性K1C、矫顽磁力Hcj和硬度HRA等性能的测试。测试完成后，采用本发明所提供的热处理工艺对所述块体进行处理：先将所述块体放置于感应器中进行感应加热，本实施例中所使用的感应器为热处理设备BJT-18KW感应钎焊机，其中感应钎焊机所设置的电源频率为50Hz，电流200A，加热时长为4min，目标温度为1200℃，升温速度为5℃/s；完成加热后，通过空气冷却的方式对所述块体进行冷却，冷却后，对所述块体进行回火处理，具体方式为：将所述块体在真空一体炉中以10℃/min的方式加热至500℃，并保温3h，自然冷却后获得最终热处理样品，本实施例中采用的回火方式为本领域常用技术手段，故不再赘述。经过回火处理后，可消除部分冷却过程产生的应力残留，提高硬质合金块体的韧性与柔性。经过上述处理后，同样的，对热处理后的所述块体进行性能测试。本实施例中的硬质合金块体在热处理前和热处理后的性能测试数据详见表1，表1内容如下：测试标的K1C(Mpa·m1/2)Hcj(Oe)HRA热处理前的块体表面10.425291.6热处理后的块体表面11.123791.5由表1可知，本实施例中，硬质合金块体经过热处理后，断裂韧性K1C数值升高，表明所述块体抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能变好，也就是说经过热处理后的棒材抵抗脆性破坏的韧性增强；矫顽磁力Hcj稍有降低，这有可能是由于高温淬火时硬质合金中细小WC晶粒溶解造成，硬质合金中细小WC晶粒溶解可促进硬质合金粒径分布均匀化，为提升硬质合金断裂韧性做贡献；硬度HRA下降0.1，一般而言，硬度HRA的测试误差为±0.2，由此可见本实施例中的热处理对硬质合金的硬度影响十分微弱，可忽略不计。由此可见，通过采用本发明所提供的热处理工艺，硬质合金工件的断裂韧性增强、粒径分布更均匀，且硬度不变，并且本发明所提供的热处理工艺省略了传统工艺中的保温及抗氧化处理，简化了工艺；通过感应加热的方式对硬质合金工件进行加热，加热速率高，冷却的速度快，极大降低了热处理工艺所需的时间。值得注意的是，本实施例中，感应加热时使用的电源频率属于较低频，在热处理过程中，低频的感应电流对硬质合金工件的热处理厚度较大，在本发明的其他实施例中，也可通过改变感应加热时使用的电源频率，来调整热处理厚度，以获得不同的产品性能，而这种产品性能的不同不仅可表现为与其他热处理工艺所得到的产品性能不同，还可表现为产品自身各部位的性能不同。下面将通过实施例二来进行详细说明。实施例二一组相同的WC-Co(碳化钨钴)基硬质合金棒材(编号分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6)，每根所述棒材Co含量为10wt.％，WC晶粒径为0.8μm，棒材直径D＝13mm。所述硬质合金棒材基体在烧结完成后，先对其进行性能测试并记录，所述性能测试的内容包括对断裂韧性K1C、矫顽磁力Hcj和硬度HRA等性能。测试完成后，采用本发明所提供的热处理工艺分别对所述棒材进行处理，以棒材B1为例，具体处理方法为，先将B1放置于感应器中进行感应加热，其中感应器所设置的电源频率为30Hz，电流100A，加热时长为0.5min，目标温度为900℃,升温速度为30℃/s；完成加热后，通过空气冷却的方式对所述棒材进行冷却及回火处理。值得注意的是，本实施例中，冷却和回火可同时进行，详细来说，在对所述棒材进行冷却时，控制冷却用空气温度为150℃，促使被处理棒材以5℃/s快速降温至400℃后，再缓慢降温，降温速度为5℃/min，以释放棒材内的快冷应力，实现回火处理。可以理解的是，本实施例中的冷却使用的是空气，本发明的其他实施例中也可以通入其他保护性气体来实现相同的效果，所述保护性气体可选自氩气等惰性气体或氮气。通过采用本实施例中的冷却回火处理，不仅减少了传统冷却方式时快速冷却所产生的应力，而且在控制冷却速率时同时释放了部分应力残留，使得硬质合金工件内部的应力残留释放得更加彻底，进一步提升了硬质合金工件的柔韧性。本实施例中，B2、B3、B4、B5、B6与B1所采用的热处理工艺区别在于感应加热时所设置的电源频率不同、电流和加热时长不同。具体而言，B1在感应加热时感应器所设置的电源频率为30Hz，B2、B3、B4、B5、B6所使用的频率分别为100Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz、2500Hz，值得注意的是，由于电源频率范围不同，所应用的感应器也不同，B1、B2、B3所需的电源频率较低，使用的感应器为热处理设备BJT-18KW感应钎焊机，B4、B5、B6所需的电源频率较高，使用的感应器为热处理设备瑞典incoil高频感应器；由于电流频率各不相同，在一定程度上会影响加热性能，为了达到相同的目标温度，需对电流和/或加热时长进行相应的调整，除此之外，各棒材所采用的热处理工艺中的工艺流程及参数均相同。经过上述处理后，分别对热处理后的所述棒材的边缘和芯部进行性能及作用厚度进行测试。其中边缘是指由棒材表面向中心延伸5mm的部件，芯部是指除边缘以外的其他部分，作用厚度是指棒材在经过热处理后性能发生改变的厚度，所述厚度测量方式为由表面向内延伸的长度。本实施例中的所述棒材在热处理前和热处理后的性能测试数据详见表2，表2内容如下：由表2可知，在同样的加热温度和加热时间下，各棒材的边缘性能变化基本一致，其中断裂韧性K1C较于热处理前均有提升，提升幅度基本相同。而各棒材的芯部性能变化则表现出不同，由此可见，不同的电源频率对热处理的作用范围是不相同的。由表2中的数据可以看出，电源频率设定在30Hz～500Hz时，作用厚度均为6.5mm，正好等于棒材的半径，由此可知，在此频率范围内，本发明所提供的热处理工艺对本实施例中棒材的作用是均匀的，也就是说，虽然感应加热时会出现趋肤效应，但电源频率设置在500Hz及以下时，热处理的作用范围大于6.5mm，经研究，电源频率为500Hz时，热处理作用厚度为25mm，且电源频率越小，作用厚度越大；电源频率大于500Hz小于等于2500Hz时，作用厚度随电源频率的升高而减小，也就是说，当电源频率设定在此范围内时，感应加热的作用厚度随电源频率而变化。由此可见，在本发明所提供的热处理工艺中，所使用的电源频率不同，作用范围不同，换言之，热处理后的同一硬质合金工件的不同部位中，体现出不同的性能变化。这是由于感应加热时，感应电流在硬质合金工件上的分布是不均匀的，所述不均匀表现为感应电流在硬质合金工件表面强，越往芯部越弱，因此在感应加热时被加热工件表面升温迅速，越靠近芯部温度升高越慢，从而表现出不同的性能变化，而电源频率正是影响热处理作用范围重要因素。值得注意的是，从上述实验数据可知，当电源频率等于2500Hz时，热处理作用厚度为2mm，由于硬质合金工件在热处理后还需进行表面精磨，精磨后工件厚度将减少1mm左右，若热处理作用厚度小于2mm，那么经过处理的工件表面可能在精磨的过程中被除去，从而无法达到热处理的目的。同样的，本实施例中的热处理工艺无需经过保温和抗氧化处理，工艺流程简单，采用感应加热的方式对硬质合金工件进行加热，加热速率高，且在冷却过程中就能实现回火，节省了处理时间，提高生产效率。综上所述，本发明所提供的热处理工艺不仅可以实现对硬质合金工件的性能进行改善，而且相较于传统热处理工艺来说，简化了工艺流程、缩短了处理时间，提高了生产效率，更进一步的，本发明所提供的热处理工艺中，采用感应加热的方式对被处理工件进行加热，基于这种加热方式的固有特性，即趋肤效应，可同调整工艺参数，根据不同产品的需求提供不同的解决方案。实施例三根据上文所述，本发明的实施例中，通过设置感应加热中所使用的电源频率和时长，可将硬质合金工件加热升温至设定温度，以得到更优的性能，本实施例对温度和断裂韧性值之间的关系进行实验，请参照图1，图1绘示本发明的实施例中感应加热温度性能关系曲线图。本实施例中所用工件及感应加热设备同实施例一，工件为WC-Co(碳化钨钴)硬质合金块体，其Co含量为10wt.％，WC晶粒径为0.8μm，块体尺寸为5mm×5mm×20mm。感应加热设备为BJT-18KW感应钎焊机，其中感应钎焊机所设置的电源频率为50Hz。本实施例中，加热温度可通过调节加热电流(50～250A)及加热时间(0.5～5min)来实现。如图1所示，当目标温度设定在500℃～1300℃之间时，韧性均高于初始状态，而当热处理温度达到1400℃时，合金韧性升高的同时硬度也显著降低；在目标温度设定在800℃～1200℃之间，韧性提高尤其明显。对应的具体实验数据可参见表3，表3中记录了图1中的数据和相应的矫顽磁力Hcj，表3如下：如前文所述，硬质合金工件经过热处理工艺之后，可改善相关性能，就本实施例中的数据来看，当硬质合金工件的温度升高至500℃～1300℃时，断裂韧性K1C数值均表现为上升，也就是说，硬质合金工件经过500℃～1300℃的感应加热处理后，抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能变好。矫顽磁力Hcj在此区间随温度的升高而降低，意味着在此温度区间内，硬质合金的粒径分布更均匀，为提升断裂韧性做贡献，而硬度HRA变化的幅度较小，处于测量误差±0.2以内，也就是说，热处理对硬质合金的硬度影响十分微弱。而当温度设为1400℃时，虽然硬质合金工件的断裂韧性K1C较加热前有所上升，但其硬度HRA有了较明显的下降，也就是说，让感应加热温度超过1300℃时，感应加热虽然能提升硬质合金工件的断裂韧性，但却降低了硬质合金工件的硬度。这是因为，第一，500℃正好高于Co由密排六方向面心立方(hcp→fcc)发生相变的温度点，所以将硬质合金工件加热至500℃以上可保持Co相的fcc相结构，第二，1300℃附近正好是WC-Co合金开始有大量液相出现的温度，此温度点即满足了过饱和状态的产生，又不至于使合金出现变形。由此可见，将硬质合金加热至500℃～1300℃，一方面可保持Co相的fcc相结构，从而提升合金性能；另一方面可促进WC在Co相中的溶解，尽量在热处理中形成过饱和的状态，从而借助于后续的回火处理促进第三相出现，进而提升Co的性能，也就是合金的性能。也就是说，本发明的实施例中，若感应加热温度超过1300℃，那么会对硬质合金工件的硬度有不良影响，然而这并非本发明的初衷。更进一步的，由图表可知，当感应加热温度为800℃～1300℃之间时，硬质合金工件的断裂韧性K1C的数值升高最为明显，因此，当感应加热温度设定在800℃～1300℃之间时，可较大幅度提升被加热硬质合金工件的抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能。通过本实施例可知，不同的加热温度会对硬质合金工件产生不同程度的性能影响，例如本实施例中揭露的是温度对断裂韧性K1C所产生的影响。同样的，由实施例一和二可知，感应加热的温度也会对硬质合金工件的其他性能产生影响，如：随着加热温度的上升，合金的矫顽磁力会有所下降，但是这种下降是有限的，同时硬度会基本保持不变，这就是热处理对硬质合金的巨大效果，达到了在保持其高硬度的同时提升合金的断裂韧性，更加优化合金性能。值得注意的是，本发明中所涉及的温度数值，均为借助测温设备直接对被加热硬质合金工件进行测量所得到的数值，而不是传统工艺中所测的炉温或环境温度等间接温度。虽然上述实施例中有提及具体的感应加热设备，但在本发明的实施例中，并不限定感应加热时所使用的设备。上述实施例仅用于对本发明所提供的技术方案进行解释，并不能对本发明进行限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。当前第1页1 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