一种降低硬质合金摩擦系数的方法与流程

本发明涉及一种降低硬质合金摩擦系数的方法，尤其是细颗粒硬质合金性能改进方法，属于硬质合金制造技术领域。

背景技术：

硬质合金是用粉末冶金方法生产的，由难熔金属化合物（wc、tic、tac和nbc等）和粘结金属（co、ni、fe）组成，具有硬质相和粘结相组织结构特征，具有最佳强度、硬度与韧性匹配性的复合材料，合金中固溶体粘结相简称粘结相，硬质相的平均晶粒度简称合金晶粒度。合金晶粒度<2微米的细晶硬质合金具有较高的耐磨性和较高的强度，主要用于耐磨件

硬质合金是一种以难熔金属化合物(wc、tac、tic、nbc等)为基体，以过渡族金属(co、fe和ni)为粘结相，采用粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。由于其高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质稳定等优点，在金属切削工具、木材切削工具、石油矿山钻具、复合材料加工工具、冷成型工具，耐磨零件和热轧轧辊等方面有着重要的应用。

硬质合金的硬度远高于模具钢，广泛应用于各类模具的制作，特别是铝材和铜材等软金属挤压的模具中。

我国硬质合金高端产品过少，产品的工艺稳定性和产品的性能稳定性较差，每万元产值的矿产资源和能源消耗量是发达国家同类企业的5~10倍。目前改进硬质合金性能的方法主要有三个方向：晶粒细化、涂层硬质合金、添加稀有金属及添加稀土元素。这些方法虽然取得了一定的研究性成果，但均存在不同程度的缺陷，而制备工艺的不足也限制了新型硬质合金材料的实际推广应用。

晶粒细化主要是针对超细和纳米级硬质合金，但存在晶粒长大和生产工艺难控制的问题。涂层硬质合金仍未从根本上解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。添加稀土元素可以改善硬质合金的微观组织并提高其力学性能，但由于添加方式、形态、种类和数量的不同以及研究手段的不同，各研究结论有所不同，提出的机理也有差异，甚至相互矛盾。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降低硬质合金摩擦系数的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种降低硬质合金摩擦系数的方法，该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），硬质合金的原料依次经过配粉、球磨、喷雾干燥制粒后得到合金粉末，合金粉末在经过压制成型后，放入低压烧结炉中在1360~1400℃烧结、保温；

步骤（2），将烧结后的合金冷却至600~900℃并且保温1~2h，然后以5~10℃/min的速度冷却至400~500℃并且保温1~2h，再以5~10℃/min的速度冷却至室温得到烧结态合金；

步骤（3），将烧结态合金在-180℃~-190℃液氮深冷处理；

步骤（4），将深冷处理后的合金加热至350℃~400℃进行回火处理，最后得到硬质合金，所述硬质合金为wc-co合金或wc-co-ni合金。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，较佳的方案是在所述步骤（2）中，600~900℃的保温和400~500℃的保温均是在真空度为10~10²mbar或n2或ar气氛中进行，冷却是通过喷吹n2或ar气进行。

2、上述方案中，较佳的方案是所述步骤（3）的液氮深冷处理是指烧结态合金在-180℃~-190℃的液氮中保温2~8h，然后断开液氮，打开深冷处理保温箱，将合金自然恢复至室温，完成深冷处理。

3、上述方案中，较佳的方案是所述回火处理是指在真空度为10~10²mbar或n2或ar气氛中，加热至350~400℃，保温2~5h，然后以10~30℃/min的速度冷却至室温。

本发明的设计原理是：纯co的晶型转变温度为417℃，影响钴晶型转变的主要因素是钴的纯度和温度变化速率。硬质合金主要有wc和co组成，在硬质合金的钴粘结相中溶解了w和c，因此其相变点就会发生，且钴中固溶的w含量越高，则从hcp转变成fcc的温度就越高，一般情况下其转变温度在700℃以上。现行的烧结工艺均是在1360℃以上进行保温，然后直接进行随炉冷却至室温，而这样会使金属co更多地以fcc的形态存在，合金的摩擦系数大。本发明的创新点是在1360℃以上温度烧结后的冷却过程中，先在600~900℃进行保温，可提供能量促使大部分的fcc向hcp转变，再以5~10℃/min的速度冷却至400~500℃并且保温，能够使金属co更多地以fcc相向hcp相转变，再以5~10℃/min的速度快速冷却至室温，从而使粘结相中固溶更多的钨，提高位错能，阻止金属钴的晶体形态从hcp向fcc转变。但合金室温下还会存在大量的fcc钴，而深冷处理可以进一步使fcc钴转变为hcp钴，从而降低硬质合金的摩擦系数，提高材料的耐磨性。随后的回火处理可以使钴相中固溶的原子进行移动，弥散分布在钴相中，阻碍位错运动，起到第二相强化，提高钴相的硬度，降低摩擦系数。同时回火处理后以10~30℃/min的速度冷却至室温可以防止hcp钴向fcc钴，又进一步降低合金摩擦系数。整个烧结保温和回火处理过程必须保持一定的真空度或气氛保护，以防止合金氧化。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的最终金相组织为wc、钴相中的第二相质点、fcc钴和hcp钴，这些组织极大地提高了硬质合金的硬度，降低了合金的摩擦系数。相同工况下，挤压铝材和铜材的使用寿命较传统合金可提高150％以上。

附图说明

附图1为实施例1中硬质合金sem照片；

附图2为传统工艺生产的硬质合金粘结相中co的晶型结构图；

附图3为实施例1的硬质合金粘结相中co的晶型结构图；

附图4为实施例1中硬质合金与铝材的摩擦系数曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述：

实施例1：一种降低硬质合金摩擦系数的方法

该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），采用fsss粒度1.2μm的wc粉，按重量比wc：co:cr3c2=87：12:1配方配粉成混合料，湿磨球与混合料的质量比1.5：1，研磨介质为酒精，酒精与混合料的比例为ll：2kg，成型剂为石蜡，加入量为混合料重量的2%，球磨15小时，球磨后的粉料经过喷雾干燥制粒，并压制成型，最后放入6mpa的低压烧结炉中在1380℃保温60min；

步骤（2），将烧结后的合金冷却至750℃并且在真空度为10mbar条件下进行保温60min，然后以5℃/min的速度冷却至450℃并且保温60min，再以5℃/min的速度冷却至室温得到烧结态合金，冷却是通过喷吹n2或ar气进行；

步骤（3），将烧结态合金在-190℃液氮深冷处理，保温2小时，然后断开液氮，打开深冷处理保温箱，将合金自然恢复至室温，完成深冷处理；

步骤（4），将深冷处理后的合金在真空度为10mbar条件下加热至350℃~400℃进行回火处理，保温2~5h，然后以20℃/min的速度冷却至室温，最后得到硬质合金，所述硬质合金为wc-co合金。其理化检测结果见表1。

表1实施例1合金理化性能

采用高分辨透射电镜观察合金粘结相的钴的晶型结构，并对其进行标定。图2、图3为传统工艺生产的和实施例1的硬质合金粘结相中钴的晶型结构。

将硬质合金进行摩擦系数检测，对偶件为铝，法向载荷为2.5n，滑动速度0.28m/s，往返次数100，所得数据进行曲线绘制。以实施例1制得硬质合金片与相同硬度下传统硬质合金（wc-co）进行摩擦系数检测对比。图4是对偶件为铝材试验时的摩擦系数曲线变化。

实施例2：一种降低硬质合金摩擦系数的方法

该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），采用fsss粒度1.2μm的wc粉，按重量比wc：co:cr3c2=84：15:1配方配粉成混合料，湿磨球与混合料的质量比1.5：1，研磨介质为酒精，酒精与混合料的比例为ll：2kg，成型剂为石蜡，加入量为混合料重量的2%，球磨15小时，球磨后的粉料经过喷雾干燥制粒，并压制成型，最后放入6mpa的低压烧结炉中在1380℃保温60min；

步骤（2），将烧结后的合金冷却至850℃并且在n2气氛条件下进行保温60min，然后以10℃/min的速度冷却至500℃并且保温60min，再以10℃/min的速度冷却至室温得到烧结态合金，冷却是通过喷吹n2进行；

步骤（3），将烧结态合金在-190℃液氮深冷处理，保温5小时，然后断开液氮，打开深冷处理保温箱，将合金自然恢复至室温，完成深冷处理；

步骤（4），将深冷处理后的合金在在n2气氛条件下加热至350℃进行回火处理，保温4h，然后以10℃/min的速度冷却至室温，最后得到硬质合金，所述硬质合金为wc-co合金。其理化检测结果见表2。

表2实施例2合金理化性能

实施例3：一种降低硬质合金摩擦系数的方法

该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），采用fsss粒度1.2μm的wc粉，按重量比wc:co:ni:cr3c2=86：10:3:1配方配粉成混合料，湿磨球与混合料的质量比1.5：1，研磨介质为酒精，酒精与混合料的比例为ll：2kg，成型剂为石蜡，加入量为混合料重量的2%，球磨15小时，球磨后的粉料经过喷雾干燥制粒，并压制成型，最后放入6mpa的低压烧结炉中在1380℃保温60min；

步骤（2），将烧结后的合金冷却至800℃并且在ar气气氛条件下进行保温60min，然后以5℃/min的速度冷却至400℃并且保温60min，再以5℃/min的速度冷却至室温得到烧结态合金，冷却是通过喷吹n2进行；

步骤（3），将烧结态合金在-180℃液氮深冷处理，保温5小时，然后断开液氮，打开深冷处理保温箱，将合金自然恢复至室温，完成深冷处理；

步骤（4），将深冷处理后的合金在在n2气氛条件下加热至400℃进行回火处理，保温2h，然后以30℃/min的速度冷却至室温，最后得到硬质合金，所述硬质合金为wc-co-ni合金。其理化检测结果见表3。

表3实施例3合金理化性能

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。