本发明属于硬质合金技术领域，涉及一种具有复合结构的硬质合金制品的制备技术，尤其涉及一种具有复合结构的硬质合金辊环制品的制备方法，特别是一种高速线材轧机轧钢用的硬质合金辊环的制备方法。
背景技术
硬质合金是一种采用粉末冶金技术制备的，以wc、tic、tac、nbc等难熔金属碳化物作硬质相，以co、ni、fe等塑性金属及合金为粘结相的复合材料，具有良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性能和较高的强韧性，广泛应用于国民经济的各个领域。
硬质合金辊环在上世纪六、七十年代就已经成为高速线材轧机的标准消耗部件，经过近半个世纪的发展，其材质、制造工艺等都已经相当成熟，保守估计，国内高线硬质合金辊环年消耗量在1200吨左右。
轧钢辊环的工作环境复杂，使用条件苛刻，轧制过程中轧辊(环)直接与高温轧件接触，需承受较大的轧制力、热应力和冲击作用。在实际使用中，与轧件接触的辊环工作层(约为整体厚度的40％)需要高的硬度和耐磨性，而传递轧制扭矩、承受装配应力的辊环内层则需要高的强度和韧性。若将辊环设计成内层采用强韧性好的材质，外层采用耐磨性好的材质的复合结构，则可同时满足实际使用对辊环内外层耐磨性和强韧性的不同要求。然而，在目前公开的技术中，这种复合结构的轧辊(环)主要用于型、棒材轧制领域，而高速线材轧机辊环，因其旋转速度快、离心力大，复合轧辊(环)的结合强度不足，因此高线轧制一般采用整体均质硬质合金辊环。事实上，高线辊环有很大部分的异常失效是因为装配锥套产生的径向张力导致的轴向断裂。为此，领域内技术人员提出了大量解决方案。
专利us5044056公开了采用离心铸造技术制备硬质合金(外环)+铸铁/钢(内环)复合轧辊(环)的工艺方法。
专利cn1597161a，公开了一种采用金属胶粘剂制备的硬质合金/钢复合轧辊(环)及其工艺方法。
专利cn101386028a，公开了一种硬质合金/钢复合轧辊及其制备方法，这种复合轧辊由硬质合金外环、钢内环和预置钎料组成，采用真空钎焊法制备。
专利cn201659142u，公开了一种线、棒轧机用机械复合辊环及制造方法，该复合辊环包括外层、内圈、压紧环和内六角螺钉，外层套在内圈外，压紧环套装在内圈上，压紧环与内圈之间通过内六角螺钉连接固定，内六角螺钉呈环形阵列排布，内圈和压紧环分别与外层的两侧台阶相接触。采用机械式组合装配而成。
专利cn101716656a，公开了一种金属陶瓷复合辊环及其制备方法，该复合辊环由辊环和基体构成。其技术方案是：首先将合金粉末经模压或等静压成型为辊环压坯，在1100℃～1400℃条件下烧结10分钟～180分钟。然后将烧结制得的辊环的内壁作为铸模型腔的一部分，采用铸造工艺将钢水或铁水，浇铸到辊环内得到内层为铸钢/铁，外层为硬质合金的复合辊环。
cn104475455a公开了一种复合合金辊，包括五层结构，从上向下顺序依次为：铬金属层，粘结剂层，硬质合金碳化钨辊环，镍金属层，内层球墨铸铁层，所述的五层结构之间设置有加强卡具，在所述的内层球墨铸铁层下面连接设置有减震块，在所述的减震块中间设置有凹槽。
文献《轧辊环与钢套粘结试验》(《湖南冶金》，(2)：7-1)报道了采用金属胶粘剂粘结的方法制备外环为硬质合金外环，内环为钢的复合轧辊环的试验结果。
文献《热等静压法制取复合硬质合金轧辊》(《稀有金属材料与工程》，27(3)：177-181)报道了选用铁基复合材料作复合辊内层，采用热等静压扩散连接法将与硬质合金外层粘结复合的试验结果。
文献《复合硬质合金制造技术的开发》(《特种铸造及有色合金》增刊(1)：107-108)针对硬质合金脆性大和生产成本高，采用复合铸造工艺制备硬质合金/铸钢复合轧辊的试验结果。
文献《硬质合金复合辊环的应用探讨》(《莱钢科技》，(6)47-48)报道了采用热等静压制备的内层为钢外层为硬质合金的复合轧辊的应用效果。
文献《硬质合金复合辊环复合工艺的研究进展》(《粉末冶金技术》，26(1)：60-64)概述了国内外硬质合金辊环、硬质合金复合辊环的技术进展，总结了国、内外复合辊环的制备工艺主要分为机械连接，胶粘结，铸造，热等静压，焊接等方法。
上述公开技术文献中所述的复合轧辊(环)是指用耐磨的硬质合金外环与强韧性好钢铁材质内环通过机械组合式、胶结式、冶金粘结式等复合方式形成复合轧辊(环)。其中，机械组合式是指用紧固螺栓等将硬质合金外环与钢(铁)质内环机械装配连接；胶结式是指采用金属胶粘剂将硬质合金外层与钢(铁)质内层粘结连接，冶金粘结式是通过铸造、焊接等的方法将内外层复合连接。前两种结合方式均因强度偏低，而无法可靠地用于高速线材轧机，而上述采用铸造法、焊接法将硬质合金与钢复合制备复合辊环的技术，因为硬质合金与钢(铁)材质的物理、力学性能，尤其是热物性差异太大，导致其获得充分冶金结合的技术难度很大，工艺成本很高。
针对上述技术存在的不足，本领域内技术人员也做了大量的技术改进，如：
美国专利us6511265b1公开了一种复合旋转工具，包含两个部分，两个部分由性能不同的硬质合金合成。其制备方法是采用一种特殊结构的模具，将组成两部分的硬质合金材料粉末同时装入模具的相应部位，共同压型，然后烧结致密。该专利提供了一种制备具有高强度复合结构硬质合金制品的方法，但这种方法对于两个部分所用的硬质合金材料的性能及成分限制很大，两种材料的成型性及烧结特性等必须相匹配，否则将出现烧结收缩不一致导致两部分无法粘结。同时这种方法对模具的要求较高，模具结构复杂。因此，该方法存在工艺控制难度大，成材率不高，两部分所用的材质受限等不足。
专利cn1843644a公开了一种高线硬质合金复合辊环及制造方法，该复合辊环包括辊环基体及与该辊环基体的材料牌号不相同的复合工作层，辊环基体及复合工作层经烧结而成一体。其制备工艺为：将辊环基体与不掺成型剂的硬质合金粉料同时装入石墨模具，经振动装实后一同装入专用的中频液压振动烧结机中进行热压烧结，再进行二次正压烧结，经磨削加工，制得成品。该专利实现了高线辊环工作层高耐磨技术要求，同时还可以使报废辊环得到重复利用，但其工艺需先采用热压烧结，再进行二次正压烧结，工艺效率偏低，成本较高。
cn103386417a公开了一种采用冶金粘结技术实现以硬质合金坯体为基础来生产无过渡层硬质合金制品的方法，依次包括：a、按常规方法制备粘结相重量百分比为8％～30％的两件相同或不同硬质合金作为坯体；b、将硬质合金坯体的待冶金粘结面精加工，光洁度≤ra0.04mm，其余部分进行常规加工处理；c、对坯体的待冶金粘结面进行清洁处理并涂覆一层丙酮；d、装配；e、将装配好的坯体置于真空炉中，在1200℃～1450℃温度下进行真空冶金粘结热处理1～1.5小时，真空度≤0.8pa，冷却后即得到冶金粘结的无过渡层的硬质合金制品。该专利克服了现有技术中硬质合金与钢(铁)材质粘结或焊接过程中存在的热应力及膨胀系数不同而造成辊环使用失效的缺陷，适合大型制品的生产，但其所采用预制合金坯的加工要求很高，其粘结面加工光洁度要达到≤ra0.04mm，还存在工艺要求高，成本较高的问题。
专利cn103817150a，公开了一种梯度结构型硬质合金辊环及其制造工艺，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均有不同质量含量的硬质料、粘结料和/或添加剂，将硬质料、粘结料和/或添加剂球磨混料成为辊环球磨混料，将其干燥、掺蜡再干燥，把掺蜡的辊环外层球磨混料和掺蜡的辊环芯部球磨混料分层铺叠装粉，冷压成型成为辊环坯料，将辊环坯料进行烧结脱蜡成为硬质合金，经过热处理后成为硬质合金辊环，这种有成分梯度的硬质合金辊环其表面耐磨度得到明显提高，使用寿命在同等磨损条件下提高15％左右，生产成本更低。该专利技术方案与us6511265b1类似，也采用分层铺叠装料法实现内外层的成分和/或性能梯度，内外层材质必须满足烧结性能相匹配，特别是内外层的烧结收缩必须相一致，否则很容易出现局部无法粘结的问题。
专利cn105127432a，公布了一种梯度结构硬质合金及其制备方法，其技术方案是，首先分别制备内芯压坯(或合金)和外环压坯，且控制外环压坯的烧结收缩系数大于内芯，将内芯压坯嵌套在外环压坯，两者过盈配合形成嵌套件，再将嵌套件放入烧结炉，在惰性气体气氛下进行第一次烧结，烧结温度1200℃～1300℃；再抽真空进行二次烧结，烧结温度1380℃～1470℃。该专利，成型工艺简单，易控制，但是对于烧结过程要求高，必须在高真空度或保护气氛下烧结，否则也会出现局部未粘结的问题，同时，由于烧结过程中的液相扩散迁移，也会导致整个制品均质化，即内外层的成分梯度和/或性能梯度不再存在。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种制备具有复合结构硬质合金制品的方法。
本发明所述的复合结构硬质合金制品由内、外两层构成，其内、外层分别为成分和/或性能不同的两种硬质合金材质。所述复合硬质合金制品采用“独立压坯共烧结”的方法实现粘结复合，通过控制内层和外层硬质合金的粘结剂含量(以下分别以符号“b内”和“b外”表示)，内层和外层硬质合金独立烧结后的硬质相平均晶粒度(以下分别以符号“dα内”和“dα外”表示，按国标gb3488，iso4499或astmb390评定)以及内层和外层硬质合金所用wc的总碳含量(以下以符号“ct内”和“ct外”表示)来控制烧结时内层和外层之间的液相迁移行为，从而解决内、外层在烧结时出现的变形、粘结不全的问题。
众所周知，硬质合金的硬度及强韧性主要与粘结剂含量，wc平均晶粒度相关，一般而言，粘结剂含量高，wc平均晶粒度粗，合金强韧性高，抗裂性好，相反则硬度高，耐磨好。因此，要制备外层耐磨，内层抗裂的复合结构硬质合金制品，有两种方案：
方案一：采用高粘结剂含量硬质合金作内层，低粘结剂含量作外层；
方案二：采用粗晶硬质合金作内层，细晶硬质合金作外层。
本申请发明人实验发现，若采用方案一，当内、外层的粘结剂含量差异较大时(超过5wt％),坯体在烧结过程中，存在液相长程迁移现象，一般的，液相将从高含量侧向低含量侧迁移，且含量梯度越大，液相迁移量越大。这种迁移行为将导致合金均质化，成分和或性能梯度将消失，而且过大量的液相迁移还会导致内外层的体积变化，从而导致制品变形，因此，必须控制烧结过程中的液相迁移量。
若采用方案二，当内、外层硬质合金的wc平均晶粒度差异明显时，在坯体烧结中，也存在上述液相迁移现象，一般的，液相从粗晶粒度区向细晶粒度区迁移，且晶粒度差异越大，液相迁移量越大。这种迁移行为将导致粗晶区粘结相减少，细晶区粘结相增加，晶粒长大，从而导致内、外层的硬度梯度消失。过大量的液相迁移也会导致制品变形。
本发明人进一步的实验发现，内、外层硬质合金的总碳含量也是影响液相迁移的重要因素，液相从高碳区向低碳区迁移。但这种影响较小，且易人为调控，正好可以用于控制上述由于粘结剂含量梯度或晶粒度差异引起的液相迁移。由此，上述两种方案可改进如下：
方案一：采用高粘结剂含量(较低碳含量)硬质合金作内层，低粘结剂含量(较高碳含量)作外层；
方案二：采用粗晶硬质合金(较低碳含量)作内层，细晶硬质合金(较高碳含量)作外层。
更进一步的改进是，同时调节匹配b，dα以及ct三个参数来控制液相迁移量，由此，上述两种方案更进一步的改进为：
方案一：采用高粘结剂含量(较低碳含量，较小晶粒度)硬质合金作内层，低粘结剂含量(较高碳含量)作外层；
方案二：采用粗晶硬质合金(较低碳含量，较小粘结相含量)作内层，细晶硬质合金(较高碳含量)作外层。
具体实施步骤如下：
a、采用粉末冶金技术分别配制内层和外层硬质合金混合料，内层、外层的材质分别独立选自wc-binder或wc-mec-binder中一种或两种，
其中，binder为粘结剂，选自co、ni、fe或cr中的一种或多种，mec选自过渡族难熔金属碳化物的一种或多种；
b、分别成型内层压坯和外层压坯；
c、将内层和外层压坯套装在一起，烧结；
d、成品加工，即得复合结构硬质合金制品。
作为优选，所述步骤a中，控制δb＝b内-b外＝2wt％～15wt％，
其中，b内为内层硬质合金的粘结剂含量，b外为外层硬质合金的粘结剂含量。
进一步优选，控制ct内＜ct外，ct内＝5.85wt％～6.05wt％，ct外＝5.95wt％～6.15wt％，
其中，ct内为内层硬质合金的wc总碳含量，ct外为外层硬质合金的wc总碳含量。
更进一步优选，：所述步骤a中，控制δdα＝dα外-dα内＝0.5μm～1.0μm，
其中，dα内为内层硬质合金独立烧结得到的硬质相平均晶粒度，dα外为外层硬质合金独立烧结的硬质相平均晶粒度。
作为优选，所述步骤a中，控制dα内＝2.0μm～4.0μm，dα外＝1.0μm～3.0μm，
其中，dα内为内层硬质合金独立烧结得到的硬质相平均晶粒度，dα外为外层硬质合金独立烧结的硬质相平均晶粒度。
进一步优选，所述步骤a中，控制ct内＜ct外，ct内＝5.85wt％～6.05wt％，ct外＝5.95wt％～6.15wt％，
其中，ct内为内层硬质合金的wc总碳含量，ct外为外层硬质合金的wc总碳含量。
更进一步优选，所述步骤a中，控制δb'＝b外-b内＝2wt％～5wt％，
其中，b内为内层硬质合金的粘结剂含量，b外为外层硬质合金的粘结剂含量。
再进一步优选，所述步骤c中，控制
其中，φd内、φd内、h内为内层压坯尺寸，k内为独立烧结的收缩系数，φd外、φd外、h外为外层压坯尺寸，k外为独立烧结的收缩系数。
本发明控制δb＝b内-b外＝2wt％～15wt％，δb太小，烧结时液相迁移驱动力太小，不利于扩散粘结，容易出现局部未结合的问题；而δb太大，内层和外层硬质合金无法在同一烧结工艺下完成致密化。
本发明采用常规粉末冶金成型工艺，如刚模压制、冷等静压压制等，分别成型环状或圆柱体内层压坯和环状外层压坯。
其中：
内层压坯尺寸为φd内×φd内×h内，独立烧结的收缩系数为k内；
外层压坯尺寸为φd外×φd外×h外，独立烧结的收缩系数为k外；
满足：
将内层和外层压坯套装在一起，放置在经防粘处理的石墨舟皿上，入炉共烧结，冷却出炉，即得到形状良好的具有复合结构的制品合金毛坯。烧结可采用常规的真空烧结或低压烧结，烧结温度一般在1340℃～1480℃，以内外层合金组织和性能达到要求为准。
将制品合金毛坯经机械加工即可得到所述的具有复合结构的硬质合金制品。制品形状良好，内层和外层形成完全冶金结合，结合面是一个厚度t不超过10mm的扩散层，此扩散层的成分和或性能介于内层和外层之间，烧结过程中，液相迁移量越大，扩散层厚度越宽，直至整个复合体均质化。
本发明克服了现有技术存在的不足和技术难点，具有工艺简单，控制简便，结合强度高，制造成本低等优点，特别在制备大尺寸制品时更具优势。
附图说明
图1是本发明所述的具有双层复合结构的硬质合金制品的结构示意图。
图2是本发明对所述双层复合结构硬质合金制品的复合效果的检测试样的切取方法示意图。
图3是本发明对所述双层复合结构硬质合金制品结合部位的硬度检测方法示意图。
图4是本发明对所述双层复合结构硬质合金制品结合面结合强度的检测方法示意图。
图5是本发明对实施例6与对比例2的结合面的硬度检测结果对比图。
图6是本发明对实施例15所制取的双层复合辊环的结合面的硬度检测结果。
图7是本发明实施例15所制取的双层复合辊环的结合面的金相显微组织图。
附图标记：1为外层，2为接合面，3为外层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。但不应将此理解为发明的上述主题的范围仅限于下述实施例。
对比例1及实施例1-5，制备步骤如下：
(1)按照下表1，分别采用常规粉末冶金技术经过配料、球磨、干燥制备内层和外层所需的混合料，备用。
(2)将步骤(1)制取的混合料分别单独采用模压成型制备内层压坯和外层压坯，其中，外层压坯尺寸约为
注：对比例1的外层压坯尺寸约为
(3)将步骤(2)的内、外层压坯套装在一起，装舟入炉烧结，烧结温度见表1，烧结完成后，停电、冷却、出炉即得到复合制品的合金毛坯。
(4)将步骤(3)得到的合金毛坯，采用磨削加工将端面磨平，再采用线切割加工，将其线切割解剖制取6×7×20(mm)规格的长条试样在结合部位，试样尽可能以结合面为中心，试样按要求处理后再进行抗弯强度测试(检测结合强度，采用三点弯曲试验法检测抗弯强度，尽可能加载在结合面)及维氏硬度测试(检测其结合面的硬度梯度，从结合面往两侧每隔约1mm打维氏硬度)，结果见表1。
表1
表2
通过上述实验数据可见，实施例1-5的内、外层结合状态均好于对比例1，实施例2、3的结合强度明显好于对比例1。
对比例2及实施例6-9，制备步骤如下：
(1)按照下表2，分别采用常规粉末冶金技术经过配料、球磨、干燥制备内层和外层所需的混合料，备用。
(2)将步骤(1)制取的混合料分别单独采用模压成型制备内层压坯和外层压坯，其中，外层压坯尺寸约为
(3)将步骤(2)的内、外层压坯套装在一起，装舟入炉烧结，烧结温度见表2，烧结完成后，停电、冷却、出炉即得到复合制品的合金毛坯。
(4)将步骤(3)得到的合金毛坯，采用磨削加工将端面磨平，再采用线切割加工，将其解剖制取6×7×20(mm)规格的长条试样，试样按要求处理后进行抗弯强度测试(检测结合强度)及维氏硬度测试(检测其结合面的硬度梯度)，结果见表2。
表3
表4
通过上述实验数据可见，实施例6-9产品的性能梯度明显好于对比例2，结合强度也好于对比例2。
对比例3及实施例10-14，制备步骤如下：
(1)按照下表3，分别采用常规粉末冶金技术经过配料、球磨、干燥制备内层和外层所需的混合料，备用。
(2)将步骤(1)制取的混合料分别单独采用模压成型制备内层压坯和外层压坯，其中，外层压坯尺寸约为
(3)将步骤(2)的内、外层压坯套装在一起，装舟入炉烧结，烧结温度见表3，烧结完成后，停电、冷却、出炉即得到复合制品的合金毛坯。
(4)将步骤(3)得到的合金毛坯，采用磨削加工将端面磨平，再采用线切割加工，将其解剖制取6×7×20(mm)规格的长条试样，试样按要求处理后进行抗弯强度测试(检测结合强度)及维氏硬度测试(检测其结合面的硬度梯度)，结果见表3。
表5
表6
通过上述实验数据可见，实施例10-14产品的性能梯度、结合强度均明显好于对比例3。
实施例15，制备步骤如下：
(1)分别采用常规粉末冶金技术经过配料、球磨、干燥制备内层和外层所需的混合料，备用。其中内层材质为wc-15wt.％(co+ni+fe)，外层材质为：wc-7wt.％tic-2wt.％tac-12wt.％(co+ni+cr)。
(2)将步骤(1)制取的混合料分别单独采用模压成型制备内层压坯和外层压坯，其中外层压坯尺寸约为
(3)将步骤(2)的内、外层压坯套装在一起，装舟入炉烧结，烧结温度为1450℃，烧结完成后，停电、冷却、出炉即得到具有复合结构的硬质合金辊环制品毛坯。
(4)将步骤(3)得到的合金毛坯，采用磨削加工将端面磨平，再采用线切割加工，将其解剖制取6×7×20(mm)规格的长条试样，试样按要求处理后再进行抗弯强度测试(检测结合强度为2797mpa)及维氏硬度测试(检测其结合面的硬度梯度，其扩散层t的厚度约为9mm)，并用金相显微镜检测界面处的组织。
实施例15产品的结合强度、结合状态、硬度梯度等数据均明显好于现有技术，取得了预料不到的技术效果。
在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，本发明实施例可以具体化为其它的形式。根据使用用途做相应的改变。如可以做成内层硬度高、耐磨，外层硬度低，强度高的模具制品(如拉拔模、冲压模等)。再如，本发明也可以用于两个硬质合金件的连接，这两个硬质合金件即可以是相同材质和或性能，也可以是不同材质和或性能。因此本发明的实例可以认为在所有方面均是说明性和没有限制性的，由附加的权利要求所表明的本发明范围胜于上述说明书的范围，因此在其内涵和权利要求等效范围之内的所有变化均包含在其所要求保护的范围之中。