专利名称：表层脱β相和富γ相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法
技术领域：
本发明属于硬质合金技术领域，具体涉及一种表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法。
背景技术：
硬质合金是一类以难熔金属碳化物为基体，以钴、镍等粘结金属为粘结相，采用粉末冶金法制备的金属陶瓷工具材料。硬质合金以其具有的高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等优点，已经在采矿、金属加工及模具等行业得到了广泛应用。传统均质结构硬质合金的主要成分是由硬质相和粘结相组成，这导致它具有两对相互矛盾的性能硬度和强度、 耐磨性及韧性，即在增加硬质合金硬度和耐磨性的同时会降低其强度和韧性。为了改善这一状况，在金属加工领域中，目前通常的做法是采用化学气相沉积法(Chemical vapors deposition, CVD)在硬质合金基体上沉积一层或多层耐磨涂层，如TiN、Ti (C，N)、Al2O3等， 使该类涂层硬质合金在保持硬质合金基体韧性的同时具有高耐磨性的表层。由于一般CVD 技术的沉积温度较高且涂层与基体之间的热膨胀系数存在较大差异，冷却过程中在涂层与基体界面可能产生较大的热应力，再加上涂层材料一般韧性较低、脆性较大，因此通常裂纹倾向于首先在涂层区域生成，在刀具的后续使用过程中裂纹可能加速向基体内部扩展，从而导致刀具失效。针对该类问题，可先制备梯度结构的涂层硬质合金基体在初始原料中添加TiCN 粉末，然后使压坯在脱氮气氛下烧结，使基体表面脱氮，并在元素氮、钛的耦合扩散作用下， 合金的立方相向内迁移、粘结相向外迁移，形成表层脱立方相和富集粘结相的梯度结构，即表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体；采用该类涂层硬质合金基体时，由于表层良好的韧性，可以减少涂层沉积过程中产生的热应力，降低涂层的裂纹倾向，同时，当涂层中形成的裂纹向基体内部扩展时，表层可以吸收裂纹扩展的能量，因而能有效地阻滞裂纹向基体内部扩展，延长涂层硬质合金的使用寿命。理想的梯度结构层厚度为2(Γ30 μ m ； 但是现有技术普遍受到当前硬质合金刀片毛坯制造技术的限制，即涂层硬质合金基体毛坯都要经过磨削、倒棱、修光及钝化等精磨加工处理，毛坯有限的梯度层经过以上加工处理后基本上就被磨掉了，特别是在刀尖、刃口等属于刀片的加工作业关键部位，至少也要经过轻钝化处理，消耗0. 03mm左右的梯度层；因此，精确控制涂层硬质合金基体精品的梯度层厚度在理想的2(Γ30μπι范围内将无法实现。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，不受基体毛坯精磨加工的影响，精确控制涂层硬质合金基体精品的梯度层厚度。本发明的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，包括以下步骤
1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN粉末为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到涂层硬质合金基体前驱体；
2)对涂层硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理；
3)对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层脱β 相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体。进一步，所述步骤1)中，原料的组成及重量百分比为TiCN 29T5%，Co 6% 9%， TaC 3% 6%，余量为WC ；
进一步，所述步骤1)中，球磨混合的具体方法为将原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球磨桶中装有5 10mm直径的硬质合金球，球料质量比为3飞1，球磨介质为己烷，转速为30 70 r/min，球磨时间为M 邪h，球磨后加入成型剂石蜡；
进一步，所述步骤1)中，干燥过筛的具体方法为320目筛网过滤球磨后的料浆，然后对料浆进行真空干燥，干燥后60目筛网过筛；
进一步，所述步骤1)中，压制成型的具体方法为利用压机和模具将干燥过筛后的混合料压成压坯；
进一步，所述步骤1)中，烧结的具体方法为对压制成型后的压坯进行烧结，烧结时为真空气氛，炉内压力小于lOOPa，升温速度小于250°C /h，升温至120(Tl500°C，保温60min， 冷却到100°C以下出炉；
进一步，所述步骤2)中，精磨加工处理包括对涂层硬质合金基体前驱体进行磨削、倒棱、修光及钝化处理；
进一步，所述步骤3)中，梯度烧结的具体方法为先抽真空到炉内压力小于10Pa，然后充N2至炉内压力lOOPa，再继续抽真空至炉内压力小于10 后，开始升温，升温速度小于250°C /h，升温到140(Tl50(rC，保温广3h，然后以3 5°C /min的降温速度降温，降温至 800°C以后充氩气快速降温至室温；
进一步，所述步骤3)中，制备得到的涂层硬质合金基体的脱β相和富γ相梯度结构层厚度为2(Γ30μπι。本发明的有益效果在于本发明先制备得到涂层硬质合金基体前驱体，再对涂层硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理，然后再对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，由于形成梯度结构层的梯度烧结在精磨加工处理之后进行，因此得到的涂层硬质合金基体精品的梯度结构层不受精磨加工的影响，既能保证精品的尺寸精度， 又能精确控制精品的梯度层厚度在理想的2(Γ30 μ m范围内。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图1为本发明制备的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的金相照片。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例1
本实施例的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，包括以下步骤
1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN粉末为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到涂层硬质合金基体前驱体，具体包括以下几步
a.配制原料，原料的组成及重量百分比为TiCN2%, Co 6%, TaC 3%，余量为WC;
b.将原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球磨桶中装有5mm直径的硬质合金球，球料质量比为3:1，球磨介质为己烷，转速为30 r/min，球磨时间为96h，球磨后加入成型剂石蜡；
c.320目筛网过滤球磨后的料浆，然后对料浆进行真空干燥，真空度为_0.04Mpa，时间 2 h，干燥后60目筛网过筛；
d.利用压机和模具将干燥过筛后的混合料压成压坯；
e.对压制成型后的压坯进行烧结，烧结时为真空气氛，炉内压力小于lOOPa，升温速度为IOO0C /h，升温至1200°C，保温60min，冷却到100°C以下出炉；
2)对涂层硬质合金基体前驱体进行磨削、倒棱、修光及钝化处理等精磨加工处理；
3)对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层脱β 相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体；梯度烧结的具体方法为先抽真空到炉内压力小于10Pa，然后充N2至炉内压力lOOPa，再继续抽真空至炉内压力小于10 后，开始升温， 升温速度为100°C /h，升温到1400°C，保温3h，然后以3°C /min的降温速度降温，降温至 SOO0C以后充氩气快速降温至室温。实施例2
本实施例的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，包括以下步骤
1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN粉末为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到涂层硬质合金基体前驱体，具体包括以下几步
a.配制原料，原料的组成及重量百分比为TiCN4%, Co 8%, TaC 5%，余量为WC;
b.将原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球磨桶中装有6.5mm直径的硬质合金球，球料质量比为4:1，球磨介质为己烷，转速为50 r/min，球磨时间为72h，球磨后加入成型剂石蜡；
c.320目筛网过滤球磨后的料浆，然后对料浆进行真空干燥，真空度为_0.05Mpa，时间汕，干燥后60目筛网过筛；
d.利用压机和模具将干燥过筛后的混合料压成压坯；
e.对压制成型后的压坯进行烧结，烧结时为真空气氛，炉内压力小于lOOPa，升温速度为1500C /h，升温至1350°C，保温60min，冷却至IJ 100°C以下出炉；
2)对涂层硬质合金基体前驱体进行磨削、倒棱、修光及钝化处理等精磨加工处理；
3)对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层脱β 相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体；梯度烧结的具体方法为先抽真空到炉内压力小于10Pa，然后充N2至炉内压力lOOPa，再继续抽真空至炉内压力小于10 后，开始升温，升温速度为150°C /h，升温到1450°C，保温2h，然后以4°C /min的降温速度降温，降温至 SOO0C以后充氩气快速降温至室温。实施例3
本实施例的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，包括以下步骤
1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN粉末为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到涂层硬质合金基体前驱体，具体包括以下几步
a.配制原料，原料的组成及重量百分比为TiCN5%, Co 9%, TaC 6%，余量为WC;
b.将原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球磨桶中装有IOmm直径的硬质合金球，球料质量比为5:1，球磨介质为己烷，转速为70 r/min，球磨时间为Mh，球磨后加入成型剂石蜡；
c.320目筛网过滤球磨后的料浆，然后对料浆进行真空干燥，真空度为_0.06MPa，时间 4 h，干燥后60目筛网过筛；
d.利用压机和模具将干燥过筛后的混合料压成压坯；
e.对压制成型后的压坯进行烧结，烧结时为真空气氛，炉内压力小于lOOPa，升温速度为2000C /h，升温至1500°C，保温60min，冷却到100°C以下出炉；
2)对涂层硬质合金基体前驱体进行磨削、倒棱、修光及钝化处理等精磨加工处理；
3)对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层脱β 相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体；梯度烧结的具体方法为先抽真空到炉内压力小于10Pa，然后充N2至炉内压力lOOPa，再继续抽真空至炉内压力小于10 后，开始升温， 升温速度为200°C /h，升温到1500°C，保温lh，然后以5°C /min的降温速度降温，降温至 SOO0C以后充氩气快速降温至室温。上述实施例得到的涂层硬质合金基体的尺寸精度达到M级以上，对其进行金相组织检测，结果金相A02B02C00，脱β相和富γ相梯度结构层厚度为2(Γ30μπι，金相照片图示见图1。本发明步骤1)中，难熔金属碳化物不局限于TaC和WC，还可以包括TiC等其它制备硬质合金时常用的金属碳化物，粘结金属也不局限于Co，还可以包括Ni等其它制备硬质合金时常用的粘结金属；本发明步骤1)中，球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结的具体方法及工艺参数不局限于上述实施例，常规硬质合金制备工艺中的相关方法和工艺参数均适用于本发明；本发明步骤3)中，梯度烧结的具体方法及工艺参数也不局限于上述实施例， 常规梯度硬质合金制备工艺中的梯度烧结方法及工艺参数均适用于本发明。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于 包括以下步骤1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN粉末为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到涂层硬质合金基体前驱体；2)对涂层硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理；3)对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层脱β 相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体。
2.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤1)中，原料的组成及重量百分比为TiCN 29T5%，Co 69Γ9%， TaC 3% 6%，余量为WC。
3.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤1)中，球磨混合的具体方法为将原料混合后加入湿式球磨机中湿磨，球磨桶中装有5 10mm直径的硬质合金球，球料质量比为3飞1，球磨介质为己烷， 转速为30 70 r/min，球磨时间为M ％h，球磨后加入成型剂石蜡。
4.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤1)中，干燥过筛的具体方法为320目筛网过滤球磨后的料浆， 然后对料浆进行真空干燥，干燥后60目筛网过筛。
5.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤1)中，压制成型的具体方法为利用压机和模具将干燥过筛后的混合料压成压坯。
6.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤1)中，烧结的具体方法为对压制成型后的压坯进行烧结，烧结时为真空气氛，炉内压力小于lOOPa，升温速度小于250°C /h，升温至120(Tl50(TC，保温 60min，冷却到100°C以下出炉。
7.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤2)中，精磨加工处理包括对涂层硬质合金基体前驱体进行磨削、倒棱、修光及钝化处理。
8.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤3)中，梯度烧结的具体方法为先抽真空到炉内压力小于 10Pa，然后充N2至炉内压力lOOPa，再继续抽真空至炉内压力小于10 后，开始升温，升温速度小于250°C /h，升温到140(Tl50(rC，保温广3h，然后以3 5°C /min的降温速度降温，降温至800°C以后充氩气快速降温至室温。
9.根据权利要求1所述的表层脱β相和富Y相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，其特征在于所述步骤3)中，制备得到的涂层硬质合金基体的脱β相和富γ相梯度结构层厚度为2(Γ30μπι。
全文摘要
本发明公开了一种表层脱β相和富γ相梯度结构的涂层硬质合金基体的制备方法，包括以下步骤1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN粉末为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到涂层硬质合金基体前驱体；2)对涂层硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理；3)对精磨加工处理后的涂层硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层脱β相和富γ相梯度结构的涂层硬质合金基体；本发明由于形成梯度结构层的梯度烧结在精磨加工处理之后进行，因此得到的涂层硬质合金基体精品的梯度结构层不受精磨加工的影响，既能保证精品的尺寸精度，又能精确控制精品的梯度层厚度在理想的20~30μm范围内。
文档编号C22C29/08GK102418023SQ20111034338
公开日2012年4月18日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者古方乐 申请人:重庆泰蒙科技有限公司