专利名称：Yt15硬质合金渗氮烧结工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种YT15硬质合金渗氮烧结工艺。
背景技术：
材料的使用性能受材料本体和表面性质的影响，而材料本体和表面性质又受到 材料化学成分和微观组织的影响。在实际应用中，材料的微观组织，尤其是表面的微观 组织，对其使用性能有着更为重要和直接的影响。 渗氮烧结可以改变含Ti硬质合金 表面的微观组织。Hashe N. G等人分别研究了渗氮烧结对WC-VC-Co合金(Hashe N. G, Norgren S, Andren H. —O, Neethling J. H, Berndt P. R. Int JRefract Met Hard Mat\J\, 2009, 27 (1) 20)禾口 WC-VC-TiC-Co 合金(Hashe N. G, Neethling J. H, Andren H. —O, Norgren S, Berndt P. R. Int J Refract Met Hard Mat\l\ 2008, 26 (5): 404)表面微观组织的影响，结果显 示，对于WC-VC-Co合金，渗氮烧结形成了(W, V) (C, N)，此碳氮化物分为两相一相 富含V元素，另一相缺乏V元素；渗氮烧结使合金表面形成了一个大约50 ym的梯度 层，此区域只含有WC相和粘结相，不含立方相，并且此区域的WC晶粒明显细化。对 于WC-VC-TiC-Co合金，渗氮烧结形成了(Ti, V, W) (C, N)，此碳氮化物也分为两相 一相富含Ti元素，另一相富含W和V元素；渗氮烧结使合金表面形成了一个大约6 μιη 的梯度层，此区域只含(Ti, V, W) (C, N)立方相和粘结相，不含WC相。Barbatti C.F等 人研究了渗氮对(W, Ti) C- (Ta, Nb) C-Co/Ni合金表面微观组织和性能的影响(Barbatti C, Garcia J, Sket F, Kostka A, Pyzalla A. R. SurfCoat Technol\l\ 2008, 202 (24) 5962, Barbatti C, Sket F, Garcia J, Pyzalla A. R. SurfCoat Technol\l\ 2006, 201 (6) 3314)，研究表明，渗 氮可以改变合金表面的微观组织，使Ti、Ta和Nb元素向表面迁移，由于Ti元素与N元 素的结合力较强，Ti元素优先向表面迁移，而W元素与N元素的结合力较弱没有发生迁 移。YT15是一种通用合金牌号，红硬性、耐磨性好，但强度较差。YT15主要用于 加工各种钢材，既可用于断续切削又可用于连续切削，既适用于半精加工又适用于精加 工，它在钢材加工刀具中占主导地位。据不完全统计，YT15合金占全国YT类合金总消 耗量的近50%，所以提高YT15合金质量具有十分重大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用Ti元素和N元素之间较强的结合力，通过改变烧 结气氛来改变合金表面的微观组织，以达到提高YT15合金综合性能的目的的YT15硬质 合金渗氮烧结工艺。为达到上述目的，本发明的技术方案是一种YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其 要点在于包括以下步骤
(1)选材，选用由粉末冶金制备的牌号为YT15硬质合金样品；
(2)脱胶，将步骤(1)所选的YT15硬质合金样品放入真空脱脂烧结一体炉中，采用机械泵将炉内真空抽至绝对压强IOOPa后，打开施片真空泵继续抽真空至绝对压强 IOPa以下，再升温至250士5°C保温120 180分钟，升温速度为10 30°C /分钟，最后 再升温至350 390°C保温240 900分钟，升温速度为8 20°C /分钟，完成脱胶；
(3)渗氮烧结，脱胶完成后，将真空脱脂烧结一体炉抽真空至绝对压强为10Pa以 下，升温至1200 1270°C保温120 240分钟，然后通入高纯度氮气，该氮气的纯度大 于等于99.999%，再将真空脱脂烧结一体炉加热至1450士5°C，并在温度1450士5°C之间 保温80 100分钟，然后降温至1200士5°C并保温150 210分钟，渗氮烧结后的YT15 硬质合金随炉冷却至室温；
(4)出炉，将渗氮烧结后的YT15硬质合金取出。 作为优选所述步骤(3)渗氮烧结中温度从500°C上升至烧结温度1450士5°C 的时间为350分钟，并该升温过程分为三个阶段，第一阶段温度从500°C上升至1210°C， 时间为110分钟，第二阶段在温度1210°C保温130分钟，第三阶段温度从1210°C上升至 1450°C,时间为110分钟。本发明在渗氮烧结过程中，Ti元素与N元素之间表现出较强的结合趋势，在氮 气氛下烧结YT15硬质合金时，样品含有Ti元素而不含N元素，炉内的烧结气氛则含有 N元素而不含Ti元素，这就造成了两种元素之间浓度的梯度差，二者之间强烈的结合力 会促使靠近合金表面区域的Ti元素向表面迁移；同时，炉内的N元素与合金表面的Ti元 素反应生成Ti(C, N)并向合金内部迁移，从而在合金表面形成一个梯度层。Ti元素向表 面迁移会留下空位，此空位必须由其它元素来填充。由于硬质合金的烧结为液相烧结， 在烧结温度下，Co相为液相，流动性最好，所以会造成Co元素向合金内部定向迁移以 填充Ti元素迁移所造成的空位，形成Co元素的浓度梯度。过渡区域的Co含量高而Ti 含量低，此特点有利于WC晶粒通过溶解-析出过程长大，造成过渡区域含有大量粗大的 WC晶粒。而W元素与N元素之间的结合力较弱，所以W元素的浓度变化不明显。由 于表面区域的Ti含量高而Co含量低，并生成了大量的Ti(C, N)相，不利于表面区域的 WC晶粒长大，(W, Ti) C固溶体的含量相对较少，从而使得合金内部的微观组织几乎没有 受到渗氮烧结的影响。有益效果本发明合理选择参数对YT15硬质合金进行渗氮烧结，改变了 YT15 硬质合金表面的微观组织，发生了 Ti元素向外和Co元素向内的定向迁移，形成了一个富 含Ti (C, N)相的表面梯度层，从而提高了 YT15硬质合金的各项性能；进一步验证了合金 表面微观组织发生改变、形成梯度层的根本原因是Ti元素和N元素之间存在较强的结合 力这一结论。
图1为本发明的工艺流程图2为本发明中步骤(3)中YT15硬质合金的渗氮烧结工艺过程图； 图3为本发明YT15硬质合金渗氮烧结后表面区域的微观组织图a ； 图4为图3的进一步放大图b;
图5为本发明YT15硬质合金渗氮烧结后表面区域的线扫描分析图； 图6为本发明YT15硬质合金渗氮烧结后的XRD衍射图a ；图7为本发明YT15硬质合金渗氮烧结后的XRD衍射图b ； 图8为本发明的热力学分析图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。实施例1:
请参见图1和图2:所示的YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其特征在于包括以下步
骤
(1)选材，选用由粉末冶金工艺制备的牌号为YT15硬质合金样品，并该YT15硬 质合金样品中所用粉末粒径和碳含量如下
Materials|WC (W, Ti) C |Co _
FSSS/μ m ~2^0~2.36 1.18 CContent /wt% 丨5.96丨9.80 |o.QllQ~
(2)脱胶，将步骤(1)所选的YT15硬质合金样品放入真空脱脂烧结一体炉中， 采用机械泵将炉内真空抽至绝对压强IOOPa后，打开施片真空泵继续抽真空至绝对压强 IOPa以下，再升温至245°C保温120分钟，升温速度为10°C /分钟，最后再升温至350°C 保温240分钟，升温速度为8°C/分钟，完成脱胶；
(3)渗氮烧结，脱胶完成后，将真空脱脂烧结一体炉抽真空至绝对压强为IOPa 以下，升温至1200°C保温120分钟，然后通入高纯度氮气，该氮气的纯度大于等于 99.999%，再将真空脱脂烧结一体炉加热至1445°C，并在温度1445°C之间保温80分钟， 然后降温至1195°C并保温150分钟，渗氮烧结后的YT15硬质合金随炉冷却至室温；
(4)出炉，将渗氮烧结后的YT15硬质合金取出。请参见图2:所述步骤(4)渗氮烧结中温度从500°C上升至烧结温度1445°C的 时间为350分钟，并该升温过程分为三个阶段，第一阶段温度从500°C上升至1210°C， 时间为110分钟，第二阶段在温度1210°C保温130分钟，第三阶段温度从1210°C上升至 1445°C,时间为110分钟。实施例2:
请参见图1和图2:所示的YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其特征在于包括以下步
骤
(1)选材，选用由粉末冶金工艺制备的牌号为YT15硬质合金样品，并该YT15硬 质合金样品中所用粉末粒径和碳含量如下
Materials|WC (W, Ti) C |Co _
FSSS/μ m ~2^0~2.36 1.18 CContent /wt% 丨5.96丨9.80 |o.QllQ~
(2)脱胶，将步骤(1)所选的YT15硬质合金样品放入真空脱脂烧结一体炉中， 采用机械泵将炉内真空抽至绝对压强IOOPa后，打开施片真空泵继续抽真空至绝对压强 IOPa以下，再升温至250°C保温150分钟，升温速度为20°C /分钟，最后再升温至370°C 保温600分钟，升温速度为14°C/分钟，完成脱胶；
(3)渗氮烧结，脱胶完成后，将真空脱脂烧结一体炉抽真空至绝对压强为IOPa 以下，升温至1235°C保温180分钟，然后通入高纯度氮气，该氮气的纯度大于等于 99.999%，再将真空脱脂烧结一体炉加热至1450°C，并在温度1450°C之间保温90分钟，然后降温至1200°C并保温180分钟，渗氮烧结后的YT15硬质合金随炉冷却至室温； (4)出炉，将渗氮烧结后的YT15硬质合金取出。请参见图2:所述步骤(4)渗氮烧结中温度从500°C上升至烧结温度1450°C的 时间为350分钟，并该升温过程分为三个阶段，第一阶段温度从500°C上升至1210°C， 时间为110分钟，第二阶段在温度1210°C保温130分钟，第三阶段温度从1210°C上升至 1450°C,时间为110分钟。实施例3:
请参见图1和图2:所示的YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其特征在于包括以下步
骤
(1)选材，选用由粉末冶金工艺制备的牌号为YT15硬质合金样品，并该YT15硬 质合金样品中所用粉末粒径和碳含量如下
权利要求
1.一种YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其特征在于包括以下步骤(1)选材，选用由粉末冶金制备的牌号为YT15硬质合金样品；(2)脱胶，将步骤(1)所选的YT15硬质合金样品放入真空脱脂烧结一体炉中， 采用机械泵将炉内真空抽至绝对压强IOOPa后，打开施片真空泵继续抽真空至绝对压强 IOPa以下，再升温至250士5°C保温120 180分钟，升温速度为10 30°C /分钟，最后 再升温至350 390°C保温240 900分钟，升温速度为8 20°C /分钟，完成脱胶；(3)渗氮烧结，脱胶完成后，将真空脱脂烧结一体炉抽真空至绝对压强为10Pa以 下，升温至1200 1270°C保温120 240分钟，然后通入高纯度氮气，该氮气的纯度大 于等于99.999%，再将真空脱脂烧结一体炉加热至1450士5°C，并在温度1450士5°C之间 保温80 100分钟，然后降温至1200士5°C并保温150 210分钟，渗氮烧结后的YT15 硬质合金随炉冷却至室温；(4)出炉，将渗氮烧结后的YT15硬质合金取出。
2.根据权利要求1所述的YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其特征在于所述步骤 (3)渗氮烧结中温度从500°C上升至烧结温度1450士5°C的时间为350分钟，并该升温过程分为三个阶段，第一阶段温度从50(TC上升至1210°C，时间为110分钟，第二阶段在温 度1210°C保温130分钟，第三阶段温度从1210°C上升至1450°C，时间为110分钟。
全文摘要
本发明公开了一种YT15硬质合金渗氮烧结工艺，其要点在于包括以下步骤选材，选用由粉末冶金工艺制备的牌号为YT15硬质合金样品；脱胶，将所选的YT15硬质合金样品放入真空脱脂烧结一体炉中进行脱胶，脱胶完成后，将真空脱脂烧结一体炉抽真空至绝对压强为10Pa，然后通入高纯度氮气，该氮气的纯度大于等于99.999%，再将真空脱脂烧结一体炉加热至1450±5℃，并在温度1450±5℃之间保温80～100分钟，然后在温度1200±5℃之间保温150～210分钟，然后随炉冷却至室温后出炉；本发明合理选择参数对YT15硬质合金进行渗氮烧结，提高了YT15硬质合金的各项性能。
文档编号C22C29/04GK102011041SQ201010604538
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者姜爱民, 蒋显全, 钟秋鑫, 陈巧旺 申请人:重庆市科学技术研究院