梯度硬质合金齿渗碳工艺对其梯度层厚度的影响

许林，张烈华，王晋春

(中石化石油机械股份有限公司，湖北 武汉 430223)

梯度硬质合金齿渗碳工艺对其梯度层厚度的影响

许林，张烈华，王晋春

(中石化石油机械股份有限公司，湖北 武汉 430223)

提出了一种新颖的制备梯度硬质合金材料的方法，其优点是将不含η相、钴均匀分布的硬质合金基体在一定的气氛中进行渗碳处理,从而在其表面得到一定厚度、外硬内韧的梯度硬质合金材料,其心部结构均匀且不存在η相,不降低硬质合金原材料的性能，同时其制备方法简单，有利于工业化生产和批量应用。研究了渗碳温度、渗碳时间和渗碳气氛对硬质合金齿梯度层厚度的影响。结果表明，随着梯度处理温度的升高，硬质合金齿梯度层厚度就越大；当硬质合金齿梯度处理时间短时，硬质合金齿不会形成梯度层，随着时间的增加，梯度层厚度也会增加；随着硬质合金齿梯度处理甲烷流量的增加，梯度层厚度也会随之增加。

梯度硬质合金齿；渗碳处理；梯度层厚度

硬质合金材料以其优异的耐磨性、较好的强度在刀具、建筑、矿山开发和油气开采领域得到广泛应用。硬质合金齿硬度越高韧性越差，韧性越好硬度越低[1,2]。随着材料技术的发展，近年来通过对常规硬质合金材料进行梯度处理，形成了一种外硬内韧的材料结构，在其表面生成一层含钴量低、硬度较高的梯度层，既提高了表层的耐磨性，又保持了整体的韧性，很好地解决了硬质合金材料表层的耐磨性与整体的韧性之间的矛盾。同时，梯度硬质合金材料梯度层厚度在一定的临界范围内，其厚度越大，耐磨性能越好，产品的使用寿命越高。

目前，国内外制备梯度硬质合金材料主要采用以下2种技术：一是通过对WC+Co+η三相结构的硬质合金渗碳处理制备梯度硬质合金；二是通过将钴含量不同或晶粒度不同的2种硬质合金材料压制在一起，再进行烧结制备梯度硬质合金。这2种技术已在部分领域应用，取得了显著的经济效益。不过由于其心部含有大量的η相或心部结构不均匀,严重降低了材料的强度，从而影响其使用范围。为此，笔者通过研究一种与前2种技术不同的硬质合金材料梯度处理工艺，提出了一种新颖的制备梯度硬质合金材料的方法。

1 新型梯度硬质合金齿制备机理

图1为WC-Co硬质合金的三元相图。图1中阴影部分为Co(固相)+ Co(液相)+WC三相区，这个三相区内WC-Co硬质合金中固态Co与液态Co的比例与碳的含量有关，当碳含量高时，此处的液态Co的比例也较高，当碳含量低时，该处的液态Co比例也较少。由于液态Co具有流动性，碳含量的不同可以驱动液态Co从液态Co高比例区域流向液态Co低比例区域。Guo J等[3,4]用液相压力差原理，解释了钴相梯度形成的机理，主要有以下2种原则：一是Co(固相)+Co(液相)+WC三相区内液态Co的体积含量主要取决于该区域碳的含量；二是由于液相压力差，液态Co会从液态Co含量高的区域向液态Co含量低的区域迁移。

图2和图3是研制的梯度硬质合金齿齿头和齿身的金相图[5]，梯度硬质合金齿齿头的钴含量要低于齿身的钴含量。

图1 WC-Co三元相图

笔者在相对成熟的梯度硬质合金材料制备工艺条件下，通过对渗碳温度、渗碳时间和渗碳气氛等工艺的调整，可得到不同厚度的合金表层梯度层，通过对梯度硬质合金材料维氏硬度的检测来确定其梯度层厚度。具体方法是将梯度硬质合金材料从中间剖开后，在一定力的条件下，先对其心部进行维氏硬度检测，然后从其表面开始沿着轴线方向向其心部，每隔一定距离进行维氏硬度检测，当出现某一点的硬度值与其心部硬度值相当时，做一个硬度随距离的分布图，硬度的最小值对应的距离即为该材料的梯度层厚度。

2 渗碳温度对梯度层厚度的影响

在图1中的液态Co+WC两相区域内对硬质合金齿进行渗碳处理，采用10%Co的硬质合金齿分别在1350、1360和1370℃渗碳条件下进行梯度处理，其他工艺条件相同，将梯度处理后的硬质合金齿进行性能检测，没有游离碳出现，其显微硬度分布图见图4(图中1#、2#和3#分别代表该梯度处理工艺条件下检测的3个试样的编号，下同)。

从图4可以看出，通过梯度处理后的硬质合金齿其表面硬度比心部硬度都要高200单位左右，且硬度分布值一致性好，梯度层厚度均匀性好。 在1350℃梯度处理条件下，梯度层厚度在1000μm左右；在1360℃梯度处理条件下，梯度层厚度在2000μm左右；在1370℃梯度处理条件下，梯度层厚度在3000μm左右；随着温度的升高，炉内的活性碳含量增多，有利于碳在硬质合金齿表面的扩散，液态钴的流动性更好，其梯度层厚度就越厚。但是通过后期试验研究发现，当渗碳温度达到临界值，随着温度的继续升高，炉内的碳势增大，就会在硬质合金齿表面沉积大量的碳，从而导致硬质合金齿表面出现游离碳，降低了其性能，因此渗碳温度不能过高。

3 渗碳时间对梯度层厚度的影响

采用10%Co的硬质合金齿进行梯度处理，处理时间分别在40、60和90min，渗碳温度为1340℃，其他升温速率和保温时间相同，将梯度处理后的硬质合金齿进行性能检测，没有游离碳出现，其显微硬度分布图见图5。

图5 不同渗碳时间的梯度处理硬度分布图

从图5可以看出，当梯度处理时间为40min时，硬质合金齿中没有梯度层产生；当渗碳时间为60min时，硬质合金齿中有梯度层产生，且厚度为500μm左右；当渗碳时间为90min时，硬质合金齿中有梯度层产生，且厚度为1000μm左右。这主要是因为梯度处理时间短时，硬质合金齿内没有形成碳势梯度，就不会形成梯度层；随着时间的延长，当硬质合金齿内有碳势梯度时，就会形成硬度梯度，而随着时间的进一步延长，梯度层厚度也会明显增加。但是通过后期试验研究发现，渗碳时间超过临界值后，随着渗碳时间的延长，梯度硬质合金齿的梯度层厚度增加会很缓慢。

4 甲烷流量对梯度层厚度的影响

采用10%Co的硬质合金齿进行梯度处理，甲烷流量分别为0.1、0.2、0.3和0.4L/min，渗碳温度、渗碳时间、升温速率和保温时间等工艺条件相同，将梯度处理后的硬质合金齿进行性能检测，当甲烷流量为0.4L/min时，合金齿有游离碳出现，其产品不合格。其余3种流量下的显微硬度分布图见图6。

图6 不同甲烷流量的梯度处理硬度分布图

从图6可以看出，当甲烷流量为0.1L/min时，硬质合金齿中有梯度层产生，且厚度为700μm左右；当甲烷流量为0.2L/min时，硬质合金齿中有梯度层产生，且厚度为900μm左右；当甲烷流量为0.3L/min时，硬质合金齿中有梯度层产生，且厚度为1100μm左右。同时，当甲烷流量为0.4L/min时，硬质合金齿表面形成的游离碳会对其性能造成不利的影响，不适用于产品的使用。随着硬质合金齿梯度处理甲烷量的增加，其表层碳含量会增加，梯度层厚度也会随之增加，当时间达到一临界值时，其表面的碳会增多，就会富集在表层而形成游离碳。

5 结论

1)通过对无η相WC-Co硬质合金的表面进行渗碳处理，在一定的工艺条件下，可以制备外硬内韧的梯度硬质合金材料；

2)随着硬质合金齿梯度处理温度的升高，其梯度层厚度就越大，但当渗碳温度达到临界值，温度继续升高，就会导致硬质合金齿表面出现游离碳，造成产品不合格；

3)当硬质合金齿梯度处理时间短时，硬质合金齿不会形成梯度层；随着时间的增加，会形成硬度梯度，且梯度层厚度也会增加，当渗碳时间达到临界值时，渗碳时间延长，梯度硬质合金齿的梯度层厚度增加很缓慢；

4)随着甲烷流量的增加，梯度硬质合金齿的梯度层厚度也会随之增加，当甲烷流量达到一临界值时，就会富集在表层而形成游离碳，造成产品不合格；

5)当渗碳温度为1350℃，渗碳时间为90min，甲烷流量为0.3L/min时，梯度硬质合齿能获得最佳的梯度层厚度。

[1]侯克忠，杨慧敏，白佳声，等. 超细晶WC-Co硬质合金的发展及其应用[J].粉末冶金工业，2005,15 (5): 41～45.

[2] 林晨光.中国超细晶粒WC-Co硬质合金研究进展[J]. 稀有金属，2004，28(4): 762～766.

[3]Guo J, Fang Z Z,Fan P,et al. Kinetics of the formation of metal binder gradient in WC-Co by carbon diffusion induced liquid migration[J]. Acta Materialia, 2011, 59(11):4719～4731.

[4]Guo J,Fan P, Wang X, et al. A novel approach for manufacturing functionally graded cemented tungsten carbide composites [J].International Journal of Powder Metallurgy, 2001, 47(3):55～62.

[5] 田红平，张烈华,许林.梯度硬质合金齿牙轮钻头开发与应用研究 [J].长江大学学报(自科版)，2015，12(7)：41～44.

[编辑] 洪云飞

2017-01-17

国家科技重大专项(2016ZX05038-005)。

许林(1983-)，男，硕士，工程师，现主要从事硬质合金、浸渍合金方面的研究工作，9992839@qq.com。

TG135.5；TG174.4

A

1673-1409(2017)09-0033-05

[引著格式]许林，张烈华，王晋春.梯度硬质合金齿渗碳工艺对其梯度层厚度的影响[J].长江大学学报(自科版)，2017,14(9)：33～37.