一种性能呈梯度变化的硬质合金拉丝模具的生产方法

摘要

该发明属于硬质合金拉丝模的生产方法。包括配料、模压成型、预烧脱蜡、烧结及渗碳处理。该发明由于在渗碳处理过程中采用Al2O3、石墨粒及碳酸盐或/和碳酸氢盐按一定比例混合而成的混合料作为渗碳剂，其中的碳酸盐及碳酸氢盐在渗碳处理的高温条件下分解产生CO2，CO2再与石墨粒反应生成活性较强的CO气体，CO在渗碳处理过程中能迅速进入液相并与η相反应生成WC，并促使Co向内迁移，从而加速了合金体内梯度结构的形成。因而具有渗碳处理温度较低并可较背景技术缩短处理时间55％左右、表面无η相层厚度提高40％以上、合金体具有明显的粘结相梯度结构，综合机械性能强，平均抗弯强度3130N，平均硬度(HRA)91.96等特点。

说明书

技术领域

本发明属于拉丝模具生产领域中的硬质合金拉丝模的生产方法，特别是一种模具体的机械性能从外到内呈梯度分布的硬质合金拉丝模具的生产方法。

背景技术

传统的硬质合金模具(即标准硬质合金模具)的内外机械性能及金相组织是一致的，这类模具往往存在着高硬度、耐磨性与强韧性之间难以调和的的矛盾，即当减少合金中钴(Co)的含量以提高其硬度和耐磨性时，合金体的韧性即随之下降，反之则影响其硬度和耐磨性。此外，金相及机械性能一致的硬质合金拉丝模，在拉丝过程中当模具表面产生裂纹时，其裂纹将很快扩展并导致整个模具破裂报废。为了克服这一弊病，在公告号为CN1016711B的专利文献《最适于岩石钻孔和矿石切割的硬质合金体》中，公开了一种合金体机械性能呈梯度结构的硬质合金。该硬质合金体的生产方法是采用低碳WC与适量的钴(Co)粉为原料，混合均匀并压制成坯件后，在900℃左右温度及N₂气氛中预烧1小时、再在1450℃的温度下烧结成金相及机械性能均匀一致的合金体；然后将其置于石墨舟皿中并采用Al₂O₃与石墨混合粉料作为渗碳剂，在1450℃的渗碳气氛中热处理2小时以上而制得合金表面层为含Co量低于合金平均值的WC+γ相区，中间层为含Co量高于合金平均值WC+γ相区，而芯部则为含η相的硬质合金体。该发明虽然具有表面硬度及耐磨性高，合金中部富钴(Co)层的形成又具有韧性强而可吸收合金体表面承受的冲击，有效阻止表面裂纹向内扩散等特点。但由于渗碳剂仅由Al₂O₃加上1.0％左右的石墨粒混合而成，其配方简单，渗碳反应活性低，因此存在渗碳处理时间长，温度要求相对较高、而结构梯度形成速度慢，生产率低；超过2小时的高温渗碳处理又将会导致合金的晶粒长大、降低合金的使用性能等弊病；此外，采用上述方法生产机械性能等呈梯度变化的硬质合金，还存在能耗及生产成本高的缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，研究设计一种性能呈梯度变化的硬质合金拉丝模具的生产方法，以达到在对硬质合金拉丝模具进行渗碳处理过程中加快模具体梯度结构形成的速度、缩短渗碳处理时间、提高拉丝模的综合机械性能、使用性能和生产率、延长模具的使用寿命，降低能耗和生产成本等目的。

本发明的解决方案是针对背景技术渗碳处理时间长，渗碳剂成份简单、反应活性低、渗碳处理效率低等缺陷，在渗碳处理时采用含Al₂O₃、石墨粒及碳酸盐或/和碳酸氢盐的混合粉料作为渗碳剂。即利用碳酸盐或碳酸氢盐在渗碳温度下分解得到CO₂，CO₂与石墨粒反应生成CO气体，此时的CO气体具有较强的活性，能够迅速进入液相并与合金体内的η相(W₃CO₃C、W₂CO₄C等)进行反应生成WC，从而达到目的。其化学反应原理如下：

                  (1)

    (2)

                      (3)

        (4)

         (5)

上述反应均在1380～1500℃温度下进行，其中的R可以是Na或Ca、Ba、K、Mg、Al等元素。

因此，本发明方法包括：

A、配料：按重量百分比计，将低碳WC粉92～95wt％与5～8wt％的钴粉置于球磨机内，混合24～48小时，制成WC-5～8wt％Co混合粉料，然后加入混合粉料重2.0～2.5wt％的石蜡并混合均匀后，待用；

B、模压成型：将上述待用的粉料置于拉丝模模腔中，压制成拉丝模素坯，坯体强度为模具最终强度的25～40％；

C、预烧、脱蜡：将压制成型的坯体送入炉内，在真空条件或在氢气及氮气、氩气类惰性气体保护下、在800～1000℃温度下预烧、脱蜡40～80min；

D、烧结：经脱蜡处理的坯件，再送入低压烧结炉中，在3.5～6.0Mpa压力及1380～1450℃下进行烧结处理，烧结时间30～150min，坯件冷却后待用；

E、渗碳处理：将经烧结冷却待用的坯件及含Al₂O₃：30～50wt％、石墨粒10～30wt％、碳酸盐或/和碳酸氢盐30～50wt％的渗碳剂装入石墨舟皿中并将各坯件埋入渗碳剂内，然后送入热处理炉中在1390～1450℃的温度范围内、渗碳处理50～120min，冷却后即成。

上述碳酸盐及碳酸氢盐为Na或Ca、Ba、K、Mg、Al的碳酸盐或碳酸氢盐。而所述石墨粒的粒径为0.3～2.0mm。而低碳WC粉为C含量低于化学计量0.1～0.7wt％的WC粉。

本发明由于在渗碳处理过程中渗碳剂内的碳酸盐或/和碳酸氢盐在渗碳温度下分解得到CO₂，继而与石墨粒反应又生成活性较强的CO气体，该气体迅速进入液相并与合金体内的η相反应生成WC，游离出Co并促使其向内迁移，使模具表层成为W+γ相且Co含量低于模具体平均值的相区，而具有高的硬度和耐磨性；中间层为W+γ相且Co含量高于模具平均值的相区，而具有较高的韧性；模具体的芯部由于在渗碳过程中几乎没发生化学反应，仍含有η相组织，其刚性强。因此，本发明生产的产品结构梯度明显、渗碳处理时间短，表面无η相层厚度值高、形成速度快，与背景技术相比在同等厚度的梯度下可缩短渗碳时间55％左右、表面无η相厚度提高40％以上、平均强度提高20～25％；与标准硬质合金拉丝模比较，其使用寿命提高65％左右；且具有生产率高、生产成本及能耗低等特点。

附图及附图说明

图1为实施例拉丝模具结构示意图。

图中：1、模具本体，2、定径带，3、丝材出口，4、预拉带，5、预拉带外口(环面)。

实施例1

本实施例以生产S13～17型棒材拉丝模为例：

A、配料：将总含碳量为5.25wt％的WC粉93kg与7kgCo粉投入球磨机内球磨混合36小时，制得的WC-7wt％Co混合料送入机械搅拌混合器内，在搅拌条件下喷入2.2kg石蜡，搅拌混合均匀后，待用；

B、压制拉丝模素坯：将上述混合料分批送入S13～17型模腔中，在200KN的压力下压制成强度为最终强度30％的素坯；

C、预烧、脱蜡：将压制成型的素坯送入氢气烧结炉中，在900℃温度下预烧60min脱除坯体中的石蜡；

D、烧结：经脱蜡处理的坯件送入低压烧结炉中，在5.0Mpa压力及1400℃温度烧结时间100min，坯件冷却后待用；所得的烧结体，其显微组织结构均匀，η相细小并且均匀弥散分布于整个拉丝模坯体中。

E、渗碳处理：将含Al₂O₃40wt％、粒度为1.2mm的石墨粒20wt％、工业纯碳酸钠40 wt％的渗碳剂2.0kg置于石墨舟皿中，并将烧结处理后的拉丝模坯体埋于渗碳剂中后，送入马弗炉中在1400～1410℃的渗碳气氛中渗碳处理100min后即得最终产品S13～17型棒材拉丝模。

该拉丝模具本体1、直径φ50.0mm、预拉带4的角度16°、其外口5的环面弧度为R5mm，定径带2直径φ17.50mm、高5.5mm，丝材出口3倒角(锥环面)60°、轴向高4.5mm。本实施例经金相检测，表面低钴层(无η相层)1-1平均厚2.8mm、富钴层1-2平均厚度约2.5mm；芯部显微组织结构仍与渗碳处理前相同，即在渗碳过程中几乎未发生化学反应。试样平均抗弯强度3130N/mm²，平均硬度(HRA)91.96。

实施例2

本实施例采用纯度为工业级的碳酸氢钙45wt％，纯度为99.5％的Al₂O₃40wt％及含C量为99.9％、平均粒度1.0mm的石墨粒15wt％的混合粉料作为渗碳剂；其余工艺参数均与实施例1同。