本发明涉及硬质合金技术领域，具体涉及一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具及其制造方法。
背景技术：
硬质合金是高硬度、高强度、高耐磨的材料，在现代工业的众多领域都得到了广泛应用。螺丝螺帽等五金件的加工，通常使用硬质合金材质的模具，对金属棒材进行冲压，获得五金制品。硬质合金模具工作面的耐磨损性能决定整个模具的使用寿命。传统的硬质合金螺丝螺帽模具整体采用高耐磨性的硬质合金材料，模具寿命终止后，整个模具的材料都被报废掉，但是其实发生损伤的仅是模具冲压面的表面层，模具体材料均被一起丢弃，造成了资源的浪费。
采用梯度硬质合金模具的技术方案，能够节省大量的硬质合金资源。仅在模具冲压面的表面层采用高耐磨性的硬质合金材料，模具体材料采用高韧性的硬质合金材料，模具受力面硬度高，耐磨性好，模具体材料具有良好的冲击韧性。使合金的耐磨性和韧性得到很好的协调，从而提高硬质合金的综合性能和使用寿命，较好的解决传统的均匀结构硬质合金中耐磨性与韧性之间的矛盾。但是，韧性混合料和耐磨混合料两种制作料坯的材料特性差异大，如何将韧性混合料和耐磨混合料压制成螺丝螺帽模具料坯，需要行之有效的成型方法才能实现。
中国专利cn103817150公开了一种梯度结构型硬质合金辊环包括辊环外层和辊环芯部，辊环外层配置在辊环芯部的外表面，在辊环外层同辊环芯部之间有互熔层，在辊环外层和辊环芯部之间形成成分梯度，辊环外层和辊环芯部的成分不同，将掺蜡干燥后的辊环外层球磨混合料和掺蜡干燥后的辊环芯部球磨混合料分层铺叠装粉，冷压成型为辊环坯料，经烧结获得最终产品。其缺点在于，该技术方案的辊环结构，仅在辊环的径向有成分梯度，在辊环上下表面没有耐磨层，辊环使用时的面上剪切力会对径向成分的界面施加剥离作用，导致辊环寿命有限。鉴于此，本专利提出一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具及其制造方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具及其制造方法，具体技术方案为：
一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具，包含韧性料基体、第一耐磨料层、中心通孔结构和第二耐磨料层，所述韧性料基体为圆柱体外形，所述韧性料基体的上表面设置有第一耐磨料层，所述中心通孔结构贯穿韧性料基体和第一耐磨料层，所述中心通孔结构内设置有第二耐磨料层。
所述第一耐磨料层横截面外轮廓的最大尺寸等于韧性料基体的横截面直径。
所述第二耐磨料层横截面的外轮廓为圆形，或者多边形，或者由直线与弧线包围而成，或者直线与曲线包围而成，或者多段弧线包围而成，或者弧线与曲线包围而成，或者多段曲线，或者直线、弧线与曲线包围而成。
所述第二耐磨料层与韧性料基体结合界面的纵向剖面轮廓为多段直线，或者由直线与弧线组成，或者直线与曲线组成，或者多段弧线组成，或者弧线与曲线组成，或者多段曲线，或者直线、弧线与曲线组成。
所述第一耐磨料层横截面外轮廓的最大尺寸小于韧性料基体的横截面直径，所述第一耐磨料层横截面的外轮廓为圆形，或者多边形，或者由直线与弧线包围而成，或者直线与曲线包围而成，或者多段弧线包围而成，或者弧线与曲线包围而成，或者多段曲线，或者直线、弧线与曲线包围而成。
第一耐磨料层设置于韧性料基体的顶面，或者同时设置于韧性料基体的顶面和底面。
一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具制造方法，包括以下步骤：
(1)韧性料基体料坯成型：将第一模套从圆环形外模具的底部开口放置进入所述圆环形外模具内部，并保证两者底端平齐；将第一芯棒插入第一模套的中心孔内，并保证两者底端平齐；称取碳化钨硬质合金韧性混合料，碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为6-16μm，填充进圆环形外模具内壁与第一芯棒之间的空间内，震动使得碳化钨硬质合金韧性混合料均匀填充；将第二模套从圆环形外模具的顶部开口放置进入所述圆环形外模具，并让第一芯棒从第二模套的中心孔内穿过；从第二模套顶部施加压力，加压至2mpa保持2～3秒，然后卸压至大气压力，然后再加压至10mpa保持2～3秒，再次卸压至大气压力；取出第二模套，将第一芯棒、第一模套、成型的韧性料基体料坯保留在圆环形外模具内。
(2)第一耐磨料层成型：称取碳化钨硬质合金耐磨混合料，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为0.6-6μm，填充进韧性料基体料坯上表面与第一芯棒之间空间内，震动使得碳化钨硬质合金耐磨混合料均匀填充；将第二模套从圆环形外模具的顶部开口放置进入所述圆环形外模具，并让第一芯棒从第二模套的中心孔内穿过；从第二模套顶部施加压力，加压4～5mpa保持2～3秒，然后卸压至大气压力，然后再加压4～5mpa保持2～3秒，然后卸压至大气压力，然后再加压10mpa保持5秒，再卸压至大气压力；取走第一模套，从第二模套顶部施加压力，将第一芯棒和料坯整体一次性从圆环形外模具中顶出，将第一芯棒从料坯的中心孔拔出，获得成型后的第一料坯。
(3)第二耐磨料层置入：将第二耐磨料层的碳化钨硬质合金耐磨混合料置入成型后的第一料坯中心通孔结构内，将上表面研磨平整。
(4)烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在250℃～450℃的温度区间，烧结3～5小时；
烧结阶段：在450℃～1200℃的温度区间，烧结5～8小时；
烧结稳固成型阶段：在1400℃～1500℃的温度区间，烧结1～2小时。
进一步优选的，烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在250℃～450℃的温度区间，烧结3～5小时；
烧结初级阶段：在450℃～800℃的温度区间，烧结3～5小时；
烧结收缩成型阶段：在1000℃～1200℃的温度区间，烧结2～3小时；
烧结稳固成型阶段：在1400℃～1450℃的温度区间，烧结1～2小时。
该优选烧结方案，在烧结初级阶段对碳化钨硬质合金耐磨混合料内的有机物进行充分的分解排出，使得最终制品致密度更高，有更高的机械性能。
本发明的技术方案具有如下优点：
韧性料基体具有良好的冲击韧性，耐磨料层硬度高，耐磨性好，借助设置于中心通孔结构内表面的耐磨料层，实现螺丝螺帽模具的锻造功能，同时设置于韧性料基体上表面的耐磨料层对其下方的层与层之间界面起到保护作用，具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具节省了耐磨料层材料，寿命长。
附图说明
图1本发明实施例一的韧性料基体料坯成型示意图。
图2本发明实施例一的第一耐磨料层成型示意图。
图3本发明实施例一的第一料坯示意图。
图4本发明实施例一的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
图5本发明实施例一的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图6本发明实施例二的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图7本发明实施例二的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
图8本发明实施例三的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图9本发明实施例三的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
图10本发明实施例四的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图11本发明实施例五的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图12本发明实施例五的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
图13本发明实施例六的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图14本发明实施例六的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
图15本发明实施例七的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
图16本发明实施例七的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具俯视示意图。
图17本发明实施例八的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具横截面示意图。
图18本发明实施例九的具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具纵剖面示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
请参考图1至图5，一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具，其特征在于，包含韧性料基体4、第一耐磨料层91、中心通孔结构10和第二耐磨料层92，所述韧性料基体4为圆柱体外形，所述韧性料基体4的上表面设置有第一耐磨料层91，所述中心通孔结构10贯穿韧性料基体4和第一耐磨料层91，所述中心通孔结构10内设置有第二耐磨料层92。
所述第一耐磨料层91和第二耐磨料层92的厚度为2mm。
所述第二耐磨料层92横截面的外轮廓为圆形。所述第一耐磨料层91横截面外轮廓为圆形且直径等于韧性料基体4的横截面直径。
所述第二耐磨料层92与韧性料基体4结合界面的纵向剖面轮廓为直线。
一种具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具制造方法，包括以下步骤：
(1)韧性料基体料坯成型：将第一模套5从圆环形外模具1的底部开口放置进入所述圆环形外模具1内部，并保证两者底端平齐；将第一芯棒3插入第一模套5的中心孔内，并保证两者底端平齐；称取碳化钨硬质合金韧性混合料，碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为11μm，填充进圆环形外模具1内壁与第一芯棒3之间的空间内，震动使得碳化钨硬质合金韧性混合料均匀填充；将第二模套2从圆环形外模具1的顶部开口放置进入所述圆环形外模具1，并让第一芯棒3从第二模套2的中心孔内穿过；从第二模套2顶部施加压力，加压至2mpa保持2±1秒，然后卸压至大气压力，然后再加压至10mpa保持2±1秒，再次卸压至大气压力；取出第二模套2，将第一芯棒3、第一模套5、成型的韧性料基体料坯保留在圆环形外模具内。
(2)第一耐磨料层成型：称取碳化钨硬质合金耐磨混合料，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为3μm，填充进韧性料基体料坯上表面与第一芯棒3之间空间内，震动使得碳化钨硬质合金耐磨混合料均匀填充；将第二模套2从圆环形外模具1的顶部开口放置进入所述圆环形外模具1，并让第一芯棒3从第二模套2的中心孔内穿过；从第二模套2顶部施加压力，加压4±1mpa保持2±1秒，然后卸压至大气压力，然后再加压4±1mpa保持2±1秒，然后卸压至大气压力，然后再加压10mpa保持5秒，再卸压至大气压力；取走第一模套5，从第二模套2顶部施加压力，将第一芯棒3和料坯整体一次性从圆环形外模具1中顶出，将第一芯棒3从料坯的中心孔拔出，获得成型后的第一料坯。
(3)第二耐磨料层置入：将预制成型的同心圆柱状第二耐磨料层的碳化钨硬质合金耐磨混合料坯体，塞入成型后的第一料坯的中心通孔结构内，将上表面研磨平整。
(4)烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在250℃的温度，烧结5小时；
烧结阶段：在1200℃的温度，烧结8小时；
烧结稳固成型阶段：在1500℃的温度，烧结2小时。
实施例二
请参考图6至图7，本实施例与实施例一的差别在于，所述第一耐磨料层91和第二耐磨料层92的最大厚度为8mm，所述第二耐磨料层92横截面的外轮廓为多边形，所述第二耐磨料层92与韧性料基体4结合界面的纵向剖面轮廓为多段线，第二耐磨料层92置入采用将碳化钨硬质合金耐磨混合料预制成型的带有中心通孔的第二耐磨料层插入第一料坯内。碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为6μm，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为0.6μm。
烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在450℃的温度，烧结3小时；
烧结阶段：在1200℃的温度，烧结5小时；
烧结稳固成型阶段：在1400℃℃的温度，烧结1小时。
其余相同。
实施例三
请参考图8至图9，本实施例与实施例一的差别在于，所述第一耐磨料层91和第二耐磨料层92的最大厚度为5mm，所述第二耐磨料层92横截面的外轮廓由直线与弧线包围而成，所述第二耐磨料层92与韧性料基体4结合界面的纵向剖面轮廓由直线与弧线组成，第二耐磨料层92的置入过程为：将第二芯棒插入第一料坯中心通孔内并保证其中心对称线与第一料坯中心通孔内重合，将第二耐磨料层碳化钨硬质合金耐磨混合料粉体填入第一料坯中心通孔与第二芯棒之间并压实，然后拔出第二芯棒。碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为16μm，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为6μm。
烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在250℃的温度，烧结5小时；
烧结初级阶段：在800℃的温度，烧结5小时；
烧结收缩成型阶段：在1000℃的温度，烧结3小时；
烧结稳固成型阶段：在1450℃的温度，烧结2小时。
其余相同。
实施例四
请参考图10，本实施例与实施例一的差别在于，所述第一耐磨料层91和第二耐磨料层92的最大厚度为4mm，所述第二耐磨料层92横截面的外轮廓为直线与曲线包围而成。碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为14μm，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为1μm。
烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在350℃的温度，烧结4小时；
烧结阶段：在750℃的温度，烧结7小时；
烧结稳固成型阶段：在1450℃的温度，烧结1.5小时。
其余相同。
实施例五
请参考图11至图12，本实施例与实施例一的差别在于，所述第一耐磨料层91和第二耐磨料层92的最大厚度为5mm，所述第二耐磨料层92横截面的外轮廓由多段弧线包围而成，所述第二耐磨料层92与韧性料基体4结合界面的纵向剖面轮廓由直线与曲线组成，第二耐磨料层92的置入过程为：将第二芯棒插入第一料坯中心通孔内并保证其中心对称线与第一料坯中心通孔内重合，将第二耐磨料层碳化钨硬质合金耐磨混合料粉体填入第一料坯中心通孔与第二芯棒之间并压实，然后拔出第二芯棒。碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为7μm，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为5μm。
烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在450℃的温度，烧结3小时；
烧结初级阶段：在600℃的温度，烧结3小时；
烧结收缩成型阶段：在1200℃的温度，烧结2小时；
烧结稳固成型阶段：在1400℃的温度，烧结1小时。
其余相同。
实施例六
请参考图13至图14，本实施例与实施例一的差别在于，所述第一耐磨料层91和第二耐磨料层92的最大厚度为5mm，所述第二耐磨料层92横截面的外轮廓由直线、弧线与曲线包围而成，所述第二耐磨料层92与韧性料基体4结合界面的纵向剖面轮廓由直线、弧线与曲线组成，第一耐磨料层91设置于韧性料基体4的上表面和下表面，第二耐磨料层92的置入过程为：将第二芯棒插入第一料坯中心通孔内并保证其中心对称线与第一料坯中心通孔内重合，将第二耐磨料层碳化钨硬质合金耐磨混合料粉体填入第一料坯中心通孔与第二芯棒之间并压实，然后拔出第二芯棒。。
其余相同。碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为15μm，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为2μm。
烧结包含多段保温烧结过程，分别为：
预烧脱脂：在350℃的温度区间，烧结4小时；
烧结初级阶段：在700℃的温度，烧结4小时；
烧结收缩成型阶段：在1150℃的温度，烧结2.5小时；
烧结稳固成型阶段：在1400℃的温度，烧结1.5小时。
实施例七
请参考图15至16，本实施例与实施例一的差别在于，所述第一耐磨料层91横截面外轮廓的最大尺寸小于韧性料基体4的外径，所述第一耐磨料层91横截面的外轮廓为多边形。碳化钨硬质合金韧性混合料由wc粉、co粉和cr3c2粉构成且wc粉粒径为9μm，碳化钨硬质合金耐磨混合料由wc粉、co粉和vc粉构成且wc粉粒径为1μm。
其余相同。
实施例八
请参考图17，本实施例与实施例一的差别在于，所述第二耐磨料层92横截面的内表面轮廓为多边形。其余相同。
实施例九
请参考图18，本实施例与实施例一的差别在于，所述具有多层梯度结构的硬质合金螺丝螺帽模具外轮廓为圆台结构，纵截面的外轮廓为梯形，所述第一耐磨料层91设置于圆台的顶部表面。其余相同。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。