本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金材料制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種硬質(zhì)合金工件的熱處理工藝。
背景技術(shù)：
：硬質(zhì)合金主要是由碳化鎢硬質(zhì)相和鈷(鎳、鐵)等鐵族金屬粘結(jié)相共同構(gòu)成，自上世紀三十年代開始，硬質(zhì)合金被廣泛應(yīng)用于金屬加工、工程機械、模具制造等工業(yè)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，硬質(zhì)合金工具和結(jié)構(gòu)件的性能需求日益提高。自上世紀40年代，WC-Co基硬質(zhì)合金熱處理的可行性被提出以來，有關(guān)硬質(zhì)合金熱處理的研究就沒有中斷過。諸多研究工作表明，熱處理能夠改善硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)和性能，造成對合金的體積強化效應(yīng)。經(jīng)熱處理后，硬質(zhì)合金的抗彎強度可提高5～15％，沖擊韌性提高15～30％，特別是會使合金的性能提高1～3倍。一般認為熱處理強化硬質(zhì)合金的機理主要有如下幾個方面：(1)可有效降低合金中WC晶粒的鄰接度；(2)能夠抑制粘結(jié)相鈷相的馬氏體相變，增加粘結(jié)相中的面心立方相鈷(fcc-Co)的含量，改善合金的塑性和強度；(3)增加粘結(jié)相的固溶化程度，達到對粘結(jié)相的合金化強化。傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金熱處理工藝是借助于真空雙室爐進行，在中國專利申請“鉆探、鑿巖用硬質(zhì)合金的真空熱處理方法”(公開號CN1827828A，公開日2006年9月6日)中公開，或?qū)Ｓ玫恼婵沾慊馉t進行，在中國專利“硬質(zhì)合金刀片基體的熱處理方法”(公開號CN101838727B，公開日2010年9月22日)中公開，再輔以氣冷或油淬而實現(xiàn)，這些方法采用電阻加熱方式，升溫速度緩慢(～10℃/min)，且爐溫與被加熱樣品之間存在溫度差，必需通過保溫處理，才能使得被加熱樣品加熱升溫到目標溫度，由此可見，傳統(tǒng)的熱處理工藝不僅升溫緩慢而且還需進行保溫處理，不僅加工時間長，而且在熱處理過程中硬質(zhì)合金易被氧化，必需在加熱過程中通入保護性氣體進行抗氧化處理，步驟復雜，效率低下，能耗高，生產(chǎn)成本高，從而抑制了熱處理在硬質(zhì)合金中的廣泛應(yīng)用。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決
背景技術(shù)：
中提及的傳統(tǒng)熱處理工藝中存在的問題，本發(fā)明提出一種硬質(zhì)合金工件的熱處理工藝，包含步驟：通過感應(yīng)加熱的方式將所述硬質(zhì)合金工件加熱升溫至500℃～1300℃，再進行冷卻。所述感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)在硬質(zhì)合金工件內(nèi)產(chǎn)生渦流的方式對其進行加熱。具體而言，感應(yīng)加熱需借助感應(yīng)器來進行，將被加熱硬質(zhì)合金工件放在感應(yīng)器中，當感應(yīng)器中通過交變電流時，感應(yīng)器周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，在硬質(zhì)合金工件中相應(yīng)地產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，硬質(zhì)合金工件表面形成感應(yīng)電流，即渦流，這種渦流在硬質(zhì)合金工件的電阻作用下，電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而實現(xiàn)硬質(zhì)合金工件的快速加熱，本發(fā)明的實施例中，感應(yīng)加熱時的升溫速度大于或等于5℃/s。由此可見，感應(yīng)加熱可直接作用于硬質(zhì)合金工件，使被加熱工件直接升溫到目標溫度，無需經(jīng)過保溫處理，加熱速度快，耗時短，且被加熱工件的表面氧化燒損低，無需保護氣體，從而節(jié)省了工藝步驟，簡化了工藝流程，由此可見感應(yīng)加熱較傳統(tǒng)的熱處理方式而言，效率高、能耗低，簡化了工藝流程，節(jié)省了生產(chǎn)成本。本發(fā)明中的硬質(zhì)合金是指碳化鎢鈷基(WC-Co)硬質(zhì)合金，由前文可知，熱處理一般是針對硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相即Co相進行，本發(fā)明將硬質(zhì)合金工件加熱升溫至500℃～1300℃的原因為，第一，500℃正好高于Co由密排六方向面心立方(hcp→fcc)發(fā)生相變的溫度點，所以將硬質(zhì)合金工件加熱至500℃以上可保持Co相的fcc相結(jié)構(gòu)，第二，1300℃附近正好是WC-Co合金開始有大量液相出現(xiàn)的溫度，此溫度點即滿足了過飽和狀態(tài)的產(chǎn)生，又不至于使合金出現(xiàn)變形。由此可見，將硬質(zhì)合金加熱至500℃～1300℃，一方面可保持Co相的fcc相結(jié)構(gòu)，從而提升合金性能；另一方面可促進WC在Co相中的溶解，盡量在熱處理中形成過飽和的狀態(tài)，從而借助于后續(xù)的回火處理促進第三相出現(xiàn)，進而提升Co的性能，也就是合金的性能。通過感應(yīng)加熱的方式將硬質(zhì)合金工件加熱升溫至目標溫度后，可直接對其進行冷卻，無需進行傳統(tǒng)工藝中的保溫處理。本發(fā)明中所使用的冷卻方式為氣冷，即直接通過空氣冷卻的方式也可以是通入保護性氣體的方式，其中，保護性氣體可選自氬氣等惰性氣體或氮氣。值得注意的是，在本發(fā)明所提供的熱處理工藝中，對硬質(zhì)合金工件的加熱是通過感應(yīng)加熱的方式，在感應(yīng)加熱時，感應(yīng)電流在硬質(zhì)合金工件上的分布是不均勻的，所述不均勻表現(xiàn)為感應(yīng)電流在硬質(zhì)合金工件表面強，越往芯部越弱，即趨膚效應(yīng)，因此在感應(yīng)加熱時被加熱工件表面升溫迅速，越靠近芯部溫度升高越慢，在對升溫后的硬質(zhì)合金工件進行冷卻時，工件表面散熱快，而內(nèi)部溫度本來就較低于表面，所需下降的溫度幅度較小，固較于傳統(tǒng)的熱處理工藝中的冷卻速率而言，本發(fā)明中的冷卻速率較高。本發(fā)明的實施例中，在所述冷卻過程中，通過控制所述氣冷中使用的氣體的溫度可以實現(xiàn)對所述硬質(zhì)合金工件的回火處理。在本發(fā)明所揭露的熱處理工藝中，通過感應(yīng)加熱的方式將硬質(zhì)合金工件加熱至500℃～1300℃，所使用的電源頻率小于或等于2500Hz，加熱的時長為0.5min～5min。在此范圍內(nèi)，可通過調(diào)整加熱電流和/或加熱時長等參數(shù)，來達到不同的加熱溫度，從而獲取所需的產(chǎn)品性能，例如斷裂韌性、矯頑磁力和硬度等；當電源頻率小于或等于2500Hz時，通過調(diào)整感應(yīng)加熱時所使用的電源頻率，可獲得不同的熱處理厚度，電源頻率越高，熱處理厚度越小，電源頻率越低，熱處理厚度越大，從而可滿足不同的產(chǎn)品處理需求。附圖說明圖1繪示本發(fā)明的實施例中感應(yīng)加熱溫度-性能關(guān)系曲線圖。具體實施方式以下將通過具體實施例來對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。實施例一一種WC-Co(碳化鎢鈷)基硬質(zhì)合金塊體，其Co含量為10wt.％，WC晶粒徑為0.8μm，塊體尺寸為5mm×5mm×20mm。所述硬質(zhì)合金塊體基體在燒結(jié)完成后，先對其進行性能測試并記錄，所述性能測試的內(nèi)容包括對斷裂韌性K1C、矯頑磁力Hcj和硬度HRA等性能的測試。測試完成后，采用本發(fā)明所提供的熱處理工藝對所述塊體進行處理：先將所述塊體放置于感應(yīng)器中進行感應(yīng)加熱，本實施例中所使用的感應(yīng)器為熱處理設(shè)備BJT-18KW感應(yīng)釬焊機，其中感應(yīng)釬焊機所設(shè)置的電源頻率為50Hz，電流200A，加熱時長為4min，目標溫度為1200℃，升溫速度為5℃/s；完成加熱后，通過空氣冷卻的方式對所述塊體進行冷卻，冷卻后，對所述塊體進行回火處理，具體方式為：將所述塊體在真空一體爐中以10℃/min的方式加熱至500℃，并保溫3h，自然冷卻后獲得最終熱處理樣品，本實施例中采用的回火方式為本領(lǐng)域常用技術(shù)手段，故不再贅述。經(jīng)過回火處理后，可消除部分冷卻過程產(chǎn)生的應(yīng)力殘留，提高硬質(zhì)合金塊體的韌性與柔性。經(jīng)過上述處理后，同樣的，對熱處理后的所述塊體進行性能測試。本實施例中的硬質(zhì)合金塊體在熱處理前和熱處理后的性能測試數(shù)據(jù)詳見表1，表1內(nèi)容如下：測試標的K1C(Mpa·m1/2)Hcj(Oe)HRA熱處理前的塊體表面10.425291.6熱處理后的塊體表面11.123791.5由表1可知，本實施例中，硬質(zhì)合金塊體經(jīng)過熱處理后，斷裂韌性K1C數(shù)值升高，表明所述塊體抵抗裂紋擴展斷裂的韌性性能變好，也就是說經(jīng)過熱處理后的棒材抵抗脆性破壞的韌性增強；矯頑磁力Hcj稍有降低，這有可能是由于高溫淬火時硬質(zhì)合金中細小WC晶粒溶解造成，硬質(zhì)合金中細小WC晶粒溶解可促進硬質(zhì)合金粒徑分布均勻化，為提升硬質(zhì)合金斷裂韌性做貢獻；硬度HRA下降0.1，一般而言，硬度HRA的測試誤差為±0.2，由此可見本實施例中的熱處理對硬質(zhì)合金的硬度影響十分微弱，可忽略不計。由此可見，通過采用本發(fā)明所提供的熱處理工藝，硬質(zhì)合金工件的斷裂韌性增強、粒徑分布更均勻，且硬度不變，并且本發(fā)明所提供的熱處理工藝省略了傳統(tǒng)工藝中的保溫及抗氧化處理，簡化了工藝；通過感應(yīng)加熱的方式對硬質(zhì)合金工件進行加熱，加熱速率高，冷卻的速度快，極大降低了熱處理工藝所需的時間。值得注意的是，本實施例中，感應(yīng)加熱時使用的電源頻率屬于較低頻，在熱處理過程中，低頻的感應(yīng)電流對硬質(zhì)合金工件的熱處理厚度較大，在本發(fā)明的其他實施例中，也可通過改變感應(yīng)加熱時使用的電源頻率，來調(diào)整熱處理厚度，以獲得不同的產(chǎn)品性能，而這種產(chǎn)品性能的不同不僅可表現(xiàn)為與其他熱處理工藝所得到的產(chǎn)品性能不同，還可表現(xiàn)為產(chǎn)品自身各部位的性能不同。下面將通過實施例二來進行詳細說明。實施例二一組相同的WC-Co(碳化鎢鈷)基硬質(zhì)合金棒材(編號分別為B1、B2、B3、B4、B5、B6)，每根所述棒材Co含量為10wt.％，WC晶粒徑為0.8μm，棒材直徑D＝13mm。所述硬質(zhì)合金棒材基體在燒結(jié)完成后，先對其進行性能測試并記錄，所述性能測試的內(nèi)容包括對斷裂韌性K1C、矯頑磁力Hcj和硬度HRA等性能。測試完成后，采用本發(fā)明所提供的熱處理工藝分別對所述棒材進行處理，以棒材B1為例，具體處理方法為，先將B1放置于感應(yīng)器中進行感應(yīng)加熱，其中感應(yīng)器所設(shè)置的電源頻率為30Hz，電流100A，加熱時長為0.5min，目標溫度為900℃,升溫速度為30℃/s；完成加熱后，通過空氣冷卻的方式對所述棒材進行冷卻及回火處理。值得注意的是，本實施例中，冷卻和回火可同時進行，詳細來說，在對所述棒材進行冷卻時，控制冷卻用空氣溫度為150℃，促使被處理棒材以5℃/s快速降溫至400℃后，再緩慢降溫，降溫速度為5℃/min，以釋放棒材內(nèi)的快冷應(yīng)力，實現(xiàn)回火處理?？梢岳斫獾氖牵緦嵤├械睦鋮s使用的是空氣，本發(fā)明的其他實施例中也可以通入其他保護性氣體來實現(xiàn)相同的效果，所述保護性氣體可選自氬氣等惰性氣體或氮氣。通過采用本實施例中的冷卻回火處理，不僅減少了傳統(tǒng)冷卻方式時快速冷卻所產(chǎn)生的應(yīng)力，而且在控制冷卻速率時同時釋放了部分應(yīng)力殘留，使得硬質(zhì)合金工件內(nèi)部的應(yīng)力殘留釋放得更加徹底，進一步提升了硬質(zhì)合金工件的柔韌性。本實施例中，B2、B3、B4、B5、B6與B1所采用的熱處理工藝區(qū)別在于感應(yīng)加熱時所設(shè)置的電源頻率不同、電流和加熱時長不同。具體而言，B1在感應(yīng)加熱時感應(yīng)器所設(shè)置的電源頻率為30Hz，B2、B3、B4、B5、B6所使用的頻率分別為100Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz、2500Hz，值得注意的是，由于電源頻率范圍不同，所應(yīng)用的感應(yīng)器也不同，B1、B2、B3所需的電源頻率較低，使用的感應(yīng)器為熱處理設(shè)備BJT-18KW感應(yīng)釬焊機，B4、B5、B6所需的電源頻率較高，使用的感應(yīng)器為熱處理設(shè)備瑞典incoil高頻感應(yīng)器；由于電流頻率各不相同，在一定程度上會影響加熱性能，為了達到相同的目標溫度，需對電流和/或加熱時長進行相應(yīng)的調(diào)整，除此之外，各棒材所采用的熱處理工藝中的工藝流程及參數(shù)均相同。經(jīng)過上述處理后，分別對熱處理后的所述棒材的邊緣和芯部進行性能及作用厚度進行測試。其中邊緣是指由棒材表面向中心延伸5mm的部件，芯部是指除邊緣以外的其他部分，作用厚度是指棒材在經(jīng)過熱處理后性能發(fā)生改變的厚度，所述厚度測量方式為由表面向內(nèi)延伸的長度。本實施例中的所述棒材在熱處理前和熱處理后的性能測試數(shù)據(jù)詳見表2，表2內(nèi)容如下：由表2可知，在同樣的加熱溫度和加熱時間下，各棒材的邊緣性能變化基本一致，其中斷裂韌性K1C較于熱處理前均有提升，提升幅度基本相同。而各棒材的芯部性能變化則表現(xiàn)出不同，由此可見，不同的電源頻率對熱處理的作用范圍是不相同的。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，電源頻率設(shè)定在30Hz～500Hz時，作用厚度均為6.5mm，正好等于棒材的半徑，由此可知，在此頻率范圍內(nèi)，本發(fā)明所提供的熱處理工藝對本實施例中棒材的作用是均勻的，也就是說，雖然感應(yīng)加熱時會出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，但電源頻率設(shè)置在500Hz及以下時，熱處理的作用范圍大于6.5mm，經(jīng)研究，電源頻率為500Hz時，熱處理作用厚度為25mm，且電源頻率越小，作用厚度越大；電源頻率大于500Hz小于等于2500Hz時，作用厚度隨電源頻率的升高而減小，也就是說，當電源頻率設(shè)定在此范圍內(nèi)時，感應(yīng)加熱的作用厚度隨電源頻率而變化。由此可見，在本發(fā)明所提供的熱處理工藝中，所使用的電源頻率不同，作用范圍不同，換言之，熱處理后的同一硬質(zhì)合金工件的不同部位中，體現(xiàn)出不同的性能變化。這是由于感應(yīng)加熱時，感應(yīng)電流在硬質(zhì)合金工件上的分布是不均勻的，所述不均勻表現(xiàn)為感應(yīng)電流在硬質(zhì)合金工件表面強，越往芯部越弱，因此在感應(yīng)加熱時被加熱工件表面升溫迅速，越靠近芯部溫度升高越慢，從而表現(xiàn)出不同的性能變化，而電源頻率正是影響熱處理作用范圍重要因素。值得注意的是，從上述實驗數(shù)據(jù)可知，當電源頻率等于2500Hz時，熱處理作用厚度為2mm，由于硬質(zhì)合金工件在熱處理后還需進行表面精磨，精磨后工件厚度將減少1mm左右，若熱處理作用厚度小于2mm，那么經(jīng)過處理的工件表面可能在精磨的過程中被除去，從而無法達到熱處理的目的。同樣的，本實施例中的熱處理工藝無需經(jīng)過保溫和抗氧化處理，工藝流程簡單，采用感應(yīng)加熱的方式對硬質(zhì)合金工件進行加熱，加熱速率高，且在冷卻過程中就能實現(xiàn)回火，節(jié)省了處理時間，提高生產(chǎn)效率。綜上所述，本發(fā)明所提供的熱處理工藝不僅可以實現(xiàn)對硬質(zhì)合金工件的性能進行改善，而且相較于傳統(tǒng)熱處理工藝來說，簡化了工藝流程、縮短了處理時間，提高了生產(chǎn)效率，更進一步的，本發(fā)明所提供的熱處理工藝中，采用感應(yīng)加熱的方式對被處理工件進行加熱，基于這種加熱方式的固有特性，即趨膚效應(yīng)，可同調(diào)整工藝參數(shù)，根據(jù)不同產(chǎn)品的需求提供不同的解決方案。實施例三根據(jù)上文所述，本發(fā)明的實施例中，通過設(shè)置感應(yīng)加熱中所使用的電源頻率和時長，可將硬質(zhì)合金工件加熱升溫至設(shè)定溫度，以得到更優(yōu)的性能，本實施例對溫度和斷裂韌性值之間的關(guān)系進行實驗，請參照圖1，圖1繪示本發(fā)明的實施例中感應(yīng)加熱溫度性能關(guān)系曲線圖。本實施例中所用工件及感應(yīng)加熱設(shè)備同實施例一，工件為WC-Co(碳化鎢鈷)硬質(zhì)合金塊體，其Co含量為10wt.％，WC晶粒徑為0.8μm，塊體尺寸為5mm×5mm×20mm。感應(yīng)加熱設(shè)備為BJT-18KW感應(yīng)釬焊機，其中感應(yīng)釬焊機所設(shè)置的電源頻率為50Hz。本實施例中，加熱溫度可通過調(diào)節(jié)加熱電流(50～250A)及加熱時間(0.5～5min)來實現(xiàn)。如圖1所示，當目標溫度設(shè)定在500℃～1300℃之間時，韌性均高于初始狀態(tài)，而當熱處理溫度達到1400℃時，合金韌性升高的同時硬度也顯著降低；在目標溫度設(shè)定在800℃～1200℃之間，韌性提高尤其明顯。對應(yīng)的具體實驗數(shù)據(jù)可參見表3，表3中記錄了圖1中的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的矯頑磁力Hcj，表3如下：如前文所述，硬質(zhì)合金工件經(jīng)過熱處理工藝之后，可改善相關(guān)性能，就本實施例中的數(shù)據(jù)來看，當硬質(zhì)合金工件的溫度升高至500℃～1300℃時，斷裂韌性K1C數(shù)值均表現(xiàn)為上升，也就是說，硬質(zhì)合金工件經(jīng)過500℃～1300℃的感應(yīng)加熱處理后，抵抗裂紋擴展斷裂的韌性性能變好。矯頑磁力Hcj在此區(qū)間隨溫度的升高而降低，意味著在此溫度區(qū)間內(nèi)，硬質(zhì)合金的粒徑分布更均勻，為提升斷裂韌性做貢獻，而硬度HRA變化的幅度較小，處于測量誤差±0.2以內(nèi)，也就是說，熱處理對硬質(zhì)合金的硬度影響十分微弱。而當溫度設(shè)為1400℃時，雖然硬質(zhì)合金工件的斷裂韌性K1C較加熱前有所上升，但其硬度HRA有了較明顯的下降，也就是說，讓感應(yīng)加熱溫度超過1300℃時，感應(yīng)加熱雖然能提升硬質(zhì)合金工件的斷裂韌性，但卻降低了硬質(zhì)合金工件的硬度。這是因為，第一，500℃正好高于Co由密排六方向面心立方(hcp→fcc)發(fā)生相變的溫度點，所以將硬質(zhì)合金工件加熱至500℃以上可保持Co相的fcc相結(jié)構(gòu)，第二，1300℃附近正好是WC-Co合金開始有大量液相出現(xiàn)的溫度，此溫度點即滿足了過飽和狀態(tài)的產(chǎn)生，又不至于使合金出現(xiàn)變形。由此可見，將硬質(zhì)合金加熱至500℃～1300℃，一方面可保持Co相的fcc相結(jié)構(gòu)，從而提升合金性能；另一方面可促進WC在Co相中的溶解，盡量在熱處理中形成過飽和的狀態(tài)，從而借助于后續(xù)的回火處理促進第三相出現(xiàn)，進而提升Co的性能，也就是合金的性能。也就是說，本發(fā)明的實施例中，若感應(yīng)加熱溫度超過1300℃，那么會對硬質(zhì)合金工件的硬度有不良影響，然而這并非本發(fā)明的初衷。更進一步的，由圖表可知，當感應(yīng)加熱溫度為800℃～1300℃之間時，硬質(zhì)合金工件的斷裂韌性K1C的數(shù)值升高最為明顯，因此，當感應(yīng)加熱溫度設(shè)定在800℃～1300℃之間時，可較大幅度提升被加熱硬質(zhì)合金工件的抵抗裂紋擴展斷裂的韌性性能。通過本實施例可知，不同的加熱溫度會對硬質(zhì)合金工件產(chǎn)生不同程度的性能影響，例如本實施例中揭露的是溫度對斷裂韌性K1C所產(chǎn)生的影響。同樣的，由實施例一和二可知，感應(yīng)加熱的溫度也會對硬質(zhì)合金工件的其他性能產(chǎn)生影響，如：隨著加熱溫度的上升，合金的矯頑磁力會有所下降，但是這種下降是有限的，同時硬度會基本保持不變，這就是熱處理對硬質(zhì)合金的巨大效果，達到了在保持其高硬度的同時提升合金的斷裂韌性，更加優(yōu)化合金性能。值得注意的是，本發(fā)明中所涉及的溫度數(shù)值，均為借助測溫設(shè)備直接對被加熱硬質(zhì)合金工件進行測量所得到的數(shù)值，而不是傳統(tǒng)工藝中所測的爐溫或環(huán)境溫度等間接溫度。雖然上述實施例中有提及具體的感應(yīng)加熱設(shè)備，但在本發(fā)明的實施例中，并不限定感應(yīng)加熱時所使用的設(shè)備。上述實施例僅用于對本發(fā)明所提供的技術(shù)方案進行解釋，并不能對本發(fā)明進行限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3