一种硬质合金表面氮化处理的方法技术

本发明专利技术公开了一种硬质合金表面氮化处理的方法。这种处理方法包括以下步骤：1)硬质合金表面预处理：将含钴硬质合金进行表面除油处理，漂洗，干燥，待用；2)硬质合金置入真空系统：将预处理后的硬质合金放入含有辅助离子源的真空处理装置中，在离子源的辅助阳极上放置稀土金属源；启动装置抽真空，并加热升温；3)离子渗氮：往真空处理装置通入氩气，开启离子源获得等离子束，再通入含氮气体，开启偏压电源获得偏压电场，进行离子渗氮，得到表面氮化的硬质合金。本发明专利技术实现了钨钴类硬质合金材料表面层的Co快速高效地转化为高温稳定的钴氮化物，提高了硬质合金的表面硬度、降低了材料摩擦系数，大幅度地改善硬质合金工模具的使用性能。

A method of surface nitriding of cemented carbide

【技术实现步骤摘要】
一种硬质合金表面氮化处理的方法
本专利技术涉及金属材料表面改性
，特别是涉及一种硬质合金表面氮化处理的方法。
技术介绍
硬质合金被广泛应用于工模具领域，其是有色金属、硬脆材料、复合材料的切削加工刀具，以及拉丝模等的主要工模具基材。为了提高工模具的使用效率和寿命，通常需要在其表面制备金刚石涂层。但在金刚石涂层制备过程中，硬质合金中Co的扩散易于导致碳的石墨化，影响涂层与基体的结合强度及金刚石涂层的质量。虽然目前化学法(尤其酸、碱两步法)去除表面钴取得了很大进步，且被广泛使用，但这种处理方法同时带来不利效果，即表面层疏松化及表面层脆化；更为突出的是该法对高Co含量的硬质合金基本无效。因此当前业界共识是：脱钴方法仅适用于6％Co以下的硬质合金表面制备金刚石涂层。但是高钴含量的硬质合金兼具更好的硬度与韧性，在工模具领域用量占85％以上。有必要开发高效的、将硬质合金表面Co转化为稳定化合物的处理方法。国内外已有专利报道，采用熔盐处理法可使表面Co转变为钴硼化物，如CN109811298A。已有不少研究报道表明，1400K以下钴的氮化物(如Co4N涂层等)是热力学稳定相。关键技术瓶颈是如何高效地将硬质合金表面层的Co转变为这样的稳定相，目前国内外少有报道。CN107541710A采用氯化铈等稀土催渗剂在氨气环境中实施表面化学处理，在近20小时的时间内获得5-6微米的硬化层。CN108486526A采用传统离子氮化法在240-300℃、偏压300-600V条件下将渗氮处理2-3h作为表面涂敷硬质PVD涂层的预处理，有利于提高表面涂层的膜基结合力。但上述两种方法的结果尚不足以表明表面发生了Co相的转变，前者极有可能是稀土渗入后产生的固溶强化，后者则可能是表面离子轰击产生了夯实致密的结果。JP2002210525A对含钴硬质合金氮化与软氮化，虽然氮化工艺细节不详，但明确指出该法主要机理是将固溶于Co相中的杂质元素(Fe、Al、Mo等)氮化，从而使Co相体积膨胀，使得Co相与WC相结合更加紧密，Co相自身并未氮化。这说明Co相的氮化比Fe、Al、Mo等元素的氮化要困难得多。
技术实现思路
为了克服现有技术含钴硬质合金Co相氮化的问题，本专利技术针对含钴硬质合金，尤其是钨钴类硬质合金，提供一种硬质合金表面氮化处理的方法。作为硬质合金表面涂敷金刚石涂层的预处理，本专利技术的方法将表面Co转变为稳定氮化物，抑制Co的扩散作用，同时不破坏表面基本结构。根据目前技术存在的难点，本专利技术人在前期研究的基础上(尤其是CN105839046B)，采用以下创新的技术措施将硬质合金表面Co转变为稳定的钴氮化物相。首先，氮的扩散与反应能力受制于扩散能垒和反应激活能，因此高能流密度的氮既有助于氮的扩散，且有利于Co与氮反应生成氮化钴相。其次，在实施氮化的同时，使Co相中固溶掺杂大尺寸的稀土元素(稀土元素所属周期为第六、七周期，比硬质合金中W或Co的周期大，即前者原子半径大)，产生的间隙将为氮元素的扩散提供快速通道。本专利技术的处理方法使硬质合金笼罩于富N+及少量稀土金属气体的等离子中，使硬质合金合金表面Co转变为高温稳定的钴氮化物。通过这些处理方法，可以降低钨钴类硬质合金表面的摩擦系数，改善其作为刀具的切削性能。为了实现上述技术方案，本专利技术公开了一种硬质合金表面氮化处理的方法，包括以下步骤：1)硬质合金表面预处理：将含钴硬质合金进行表面除油处理，漂洗，干燥，待用；2)硬质合金置入真空系统：将预处理后的硬质合金放入含有辅助离子源的真空处理装置中，在离子源的辅助阳极上放置稀土金属源；启动装置抽真空，并加热升温；3)离子渗氮：往真空处理装置通入氩气，开启离子源获得等离子束，再通入含氮气体，开启偏压电源获得偏压电场，进行离子渗氮，得到表面氮化的硬质合金。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤1)中，含钴硬质合金为钨钴硬质合金；进一步的，这种含钴硬质合金是一种以碳化钨为基体，钴为粘结剂的硬质合金。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤1)中，含钴硬质合金的钴含量≥6wt％；进一步优选的，含钴硬质合金的钴含量为6wt％～15wt％。在本专利技术一些优选的具体实施方式中，含钴硬质合金选用YG6合金、YG10合金或YG15合金。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤1)中，表面除油处理的方法是用金属清洗剂去除硬质合金表面的油污。金属清洗剂可选用市售任一种的金属清洗剂，如可用WIN-92清洗剂。使用金属清洗剂去除油污的方法为本领域的常见方法。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，是将预处理后的硬质合金固定在真空处理装置真空室的工件转架上。启动装置时，工件转架旋转运动。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，辅助离子源选自空心阴极离子源、热丝弧离子源、灯丝气体离子源中的至少一种。其中，灯丝气体离子源可参照CN108172490A公开的多用途灯丝气体离子源装置。最优选的，辅助离子源为空心阴极离子源。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，稀土金属源包含铈、镧和镨；进一步优选的，稀土金属源中，铈、镧和镨的质量比为(5～7)：(2～4)：1；再进一步优选的，铈、镧和镨的质量比为6：3：1。这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，稀土金属源可以是稀土金属粉，如研磨而成的微米级粉料；或者是稀土金属块，如锤子敲打而得的毫米级块料。这种稀土金属源可以选用商用的纯混合稀土块(铈、镧和镨混合体)，通过将大块敲碎或者研钵磨细再使用。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，稀土金属源的用量为0.5g～2g。这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，辅助离子源均设置了辅助阳极以引导离子束。在辅助阳极表面放置有洁净的轻稀土金属混合物(铈、镧、镨)粉末。等离子束轰击辅助阳极表面的稀土金属混合物时，导致少量稀土元素挥发到工作气体中。通过在低压高能束电子的轰击下蒸发少量稀土元素，渗入硬质合金表面后，取代硬质合金中的原子W或Co成为代位原子，造成原位较大的尺寸变化，有利于小尺寸原子的向内扩散。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，抽真空至真空室内气压低于7.5×10-3Pa；进一步优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，抽真空至真空室内气压为4×10-3Pa～5×10-3Pa。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤2)中，加热升温至100℃～400℃。加热升温是启动辅助加热装置将真空室进行升温。这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤3)中，离子渗氮时真空室的温度保持在100℃～400℃。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤3)中，通入氩气使真空处理装置真空室的气压达到0.05Pa～0.2Pa；进一步优选的，步骤3)中，通入氩气使真空室气压达到0.1Pa。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤3)中，开启离子源调节等离子束电流为90A～150A。优选的，这种硬质合金表面氮化处理的方法步骤3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬质合金表面氮化处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)硬质合金表面预处理：将含钴硬质合金进行表面除油处理，漂洗，干燥，待用；/n2)硬质合金置入真空系统：将预处理后的硬质合金放入含有辅助离子源的真空处理装置中，在离子源的辅助阳极上放置稀土金属源；启动装置抽真空，加热升温；/n3)离子渗氮：往真空处理装置通入氩气，开启离子源获得等离子束，再通入含氮气体，开启偏压电源获得偏压电场，进行离子渗氮，得到表面氮化的硬质合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种硬质合金表面氮化处理的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)硬质合金表面预处理：将含钴硬质合金进行表面除油处理，漂洗，干燥，待用；
2)硬质合金置入真空系统：将预处理后的硬质合金放入含有辅助离子源的真空处理装置中，在离子源的辅助阳极上放置稀土金属源；启动装置抽真空，加热升温；
3)离子渗氮：往真空处理装置通入氩气，开启离子源获得等离子束，再通入含氮气体，开启偏压电源获得偏压电场，进行离子渗氮，得到表面氮化的硬质合金。


2.根据权利要求1所述的一种硬质合金表面氮化处理的方法，其特征在于：所述步骤1)中，含钴硬质合金为钨钴硬质合金。


3.根据权利要求1所述的一种硬质合金表面氮化处理的方法，其特征在于：所述步骤2)中，辅助离子源选自空心阴极离子源、热丝弧离子源、灯丝气体离子源中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的一种硬质合金表面氮化处理的方法，其特征在于：所述步骤2)中，稀土金属源包含铈、镧和镨。

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【专利技术属性】
技术研发人员：彭继华，曾己伟，颜炳姜，李伟秋，
申请(专利权)人：汇专科技集团股份有限公司，华南理工大学，科益展智能装备有限公司广州分公司，
类型：发明
国别省市：广东;44