一种硬质合金复合成型方法

摘要

本发明涉及材料成型技术领域，尤其涉及一种硬质合金复合成型方法。该硬质合金复合成型方法包括混合料的制备；组合模具设计；一次挤压成型；二次挤压成型；以及真空烧结成型，通过混合料各成分的混合，可提高加工成品的结合强度、抗弯强度和保证产品成型温度点，通过设计出适用于一次挤压成型和二次挤压成型所需要的特殊的下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具，同时结合对混合料由下至上进行感应加热和挤压，从而综合了模压、温压和感应加热的优点，使形状型腔复杂、内部多孔和多流道组合的零部件可以一次性整体近净成型，后续加工余量小，加工成本低。

权利要求

1.一种硬质合金复合成型方法，其特征在于:其包括以下步骤: 51、混合料的制备:将粘结剂、成型剂、颗粒大小不同的硬质合金原料颗粒混合形成混合料;所述硬质合金原料颗粒为碳化钨硬质合金颗粒;所述粘结剂为钴； 52、组合模具设计:根据产品收缩系数，运用模具设计工具进行组合模具设计，该组合模具包括下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具； 53、一次挤压成型:将混合料注入下部流道模具和内凹腔模具的模腔中，对混合料由下至上进行感应加热后挤压以形成底部流道和凹形腔； 54、二次挤压成型:对下部流道模具和内凹腔模具冷却解压后，装入型腔消失模具及上部包覆模具，在型腔消失模具及上部包覆模具形成的模腔中注入混合料形成模体，对模体由下至上进行二次感应加热后挤压，然后降温脱模形成坯体； 55、真空烧结成型:将步骤S4中的坯体放入真空压力烧结炉中，通入保护性气氛后加压烧结，然后保温冷却出炉。

2.根据权利要求1所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:步骤SI中，所述硬质合金原料颗粒在混合料中的体积份数为82〜88份，所述粘结剂在混合料中的体积份数为8〜10份;所述成型剂在混合料中的体积份数为4〜8份。

3.根据权利要求2所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:步骤SI中，所述硬质合金原料颗粒包括粗颗粒、中颗粒和细颗粒，所述粗颗粒、中颗粒和细颗粒在硬质合金原料颗粒中的体积份数分别为5〜15份、60〜80份和15〜25份。

4.根据权利要求3所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:所述成型剂包括高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸，所述高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸在混合料中的体积份数分别为I〜1.4份、1.5〜2份、1.2〜1.8份、0.6〜I份和0.05〜0.I份。

5.根据权利要求1所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:还包括步骤SI和S2之间的步骤S6， 56、混合料的熔炼碾压和破碎:将混合料加热成粘稠状后碾压，然后破碎。

6.根据权利要求1所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:还包括步骤S4和S5之间的步骤S7， 57、成型剂脱除:将步骤S4中获取的坯体进行脱胶脱脂处理。

7.根据权利要求6所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:所述步骤S7包括步骤S71和S72， 571、低温脱胶:将所述坯体放入汽油中浸泡一定时间； 572、高温脱脂:将步骤S71中汽油浸泡过的坯体放入真空脱脂炉中加热以使型腔消失模熔化和使成型剂脱除。

8.根据权利要求7所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:步骤S71中将所述坯体放入70〜90°C中的汽油中浸泡25〜30小时。

9.根据权利要求7所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:步骤S72中真空脱脂炉首先加热至400°C以上保温，以使型腔消失模具消失，然后继续加热至800°C以上保温，最后降温，以达到坯体内剩余的成型剂全部脱除。

10.根据权利要求1所述的硬质合金复合成型方法，其特征在于:步骤S4中的坯体在真空压力烧结炉中被加热至1380°C〜1420°C，所述保护性气氛为氢气。

说明书

一种硬质合金复合成型方法

技术领域

[0001 ]本发明涉及材料成型技术领域，尤其涉及一种硬质合金复合成型方法。

背景技术

[0002]通常，硬质合金具有耐磨、耐热、耐腐蚀、硬度高、强度和韧性较好等优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性使得硬质合金材料已不仅仅应用在刀具、工具上，而是扩展到更多现代高科技领域，如石油化工、海洋工程、航空工程、高速轨道交通工程等工业的关键零部件应用。这些关键零部件往往形状、型腔复杂，内部结构为多孔和多流道组合，而硬质合金因其固有高硬度特性而带来成型和加工困难，怎样解决这类复杂型腔异形零部件的整体硬质合金近净成形，这是整个硬质合金行业重点研究和亟待解决的问题。

[0003]现有硬质合金常规成型方法主要包括模压成型、等静压、温压、粉浇注、MIN粉末注射成型等，各种成型方法有自身的特点，也有其局限性，根据现有这些成型方法也难以解决复杂型腔异形零部件的近净成形问题。

[0004]因此，针对以上不足，本发明提供了一种硬质合金复合成型方法。

发明内容

[0005](一)要解决的技术问题

[0006]本发明的目的是提供一种硬质合金复合成型方法以解决形状型腔复杂、内部多孔和多流道组合的零部件难以近净成型的问题。

[0007] (二)技术方案

[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硬质合金复合成型方法，其包括以下步骤:

[0009] S1、混合料的制备:将粘结剂、成型剂、颗粒大小不同的硬质合金原料颗粒混合形成混合料；

[0010] S2、组合模具设计:根据产品收缩系数，运用模具设计工具进行组合模具设计，该组合模具包括下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具；

[0011] S3、一次挤压成型:将混合料注入下部流道模具和内凹腔模具的模腔中，对混合料由下至上进行感应加热后挤压以形成底部流道和凹形腔；

[0012] S4、二次挤压成型:对下部流道模具和内凹腔模具冷却解压后，装入型腔消失模具及上部包覆模具，在型腔消失模具及上部包覆模具形成的模腔中注入混合料形成模体，对模体由下至上进行二次感应加热后挤压，然后降温脱模形成坯体；

[0013] S5、真空烧结成型:将步骤S4中的坯体放入真空压力烧结炉中，通入保护性气氛后加压烧结，然后保温冷却出炉。

[0014]其中，步骤SI中，所述硬质合金原料颗粒在混合料中的体积份数为82〜88份，所述粘结剂在混合料中的体积份数为8〜10份;所述成型剂在混合料中的体积份数为4〜8份。

[0015]其中，步骤SI中，所述硬质合金原料颗粒为碳化钨硬质合金颗粒，其包括粗颗粒、中颗粒和细颗粒，所述粗颗粒、中颗粒和细颗粒在硬质合金原料颗粒中的体积份数分别为5〜15份、60〜80份和15〜25份;所述粘结剂为钴。

[0016]其中，所述成型剂包括高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸，所述高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸在混合料中的体积份数分别为I〜1.4份、1.5〜2份、1.2〜1.8份、0.6〜I份和0.05〜0.1份。

[0017] 其中，还包括步骤SI和S2之间的步骤S6，

[0018] S6、混合料的熔炼碾压和破碎:将混合料加热成粘稠状后碾压，然后破碎。

[0019] 其中，还包括步骤S4和S5之间的步骤S7，

[0020] S7、成型剂脱除:将步骤S4中获取的坯体进行脱胶脱脂处理。

[0021] 其中，所述步骤S7包括步骤S71和S72，

[0022] S71、低温脱胶:将所述坯体放入汽油中浸泡一定时间；

[0023] S72、高温脱脂:将步骤S71中汽油浸泡过的坯体放入真空脱脂炉中加热以使型腔消失模熔化和使成型剂脱除。

[0024] 其中，步骤S71中将所述坯体放入70〜90°C中的汽油中浸泡25〜30小时。

[0025]其中，步骤S72中真空脱脂炉首先加热至400°C以上保温，以使型腔消失模具消失，然后继续加热至800°C以上保温，最后降温，以达到坯体内剩余的成型剂全部脱除。

[0026]其中，步骤S4中的坯体在真空压力烧结炉中被加热至1380°C〜1420°C，所述保护性气氛为氢气。

[0027](三)有益效果

[0028]本发明的上述技术方案具有如下优点:本发明提供的硬质合金复合成型方法中，通过混合料各成分的混合，可提高加工成品的结合强度、抗弯强度和保证产品成型温度点，通过设计出适用于一次挤压成型和二次挤压成型所需要的特殊的下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具，同时结合对混合料由下至上进行感应加热和挤压，从而综合了模压、温压和感应加热的优点，使形状型腔复杂、内部多孔和多流道组合的零部件可以一次性整体近净成型，后续加工余量小，加工成本低，特别是采用型腔消失模具极大地便利了复杂型腔的成型。

附图说明

[0029]图1是采用本发明实施例硬质合金复合成型方法获得的产品在100倍显微镜下的金相图；

[0030]图2是采用本发明实施例硬质合金复合成型方法获得的产品在1500倍显微镜下的金相图。

具体实施方式

[0031]下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0032] 实施例1

[0033]本发明提供的硬质合金复合成型方法包括以下步骤:

[0034] S1、混合料的制备:将粘结剂、成型剂、颗粒大小不同的硬质合金原料颗粒混合形成混合料；

[0035] S2、组合模具设计:根据产品收缩系数，运用模具设计工具进行组合模具设计，该组合模具包括下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具；

[0036] S3、一次挤压成型:将混合料注入下部流道模具和内凹腔模具的模腔中，对混合料由下至上进行感应加热后挤压以形成底部流道和凹形腔；

[0037] S4、二次挤压成型:对下部流道模具和内凹腔模具冷却解压后，装入型腔消失模具及上部包覆模具，在型腔消失模具及上部包覆模具形成的模腔中注入混合料形成模体，对模体由下至上进行二次感应加热后挤压，然后降温脱模形成坯体；

[0038] S5、真空烧结成型:将步骤S4中形成的坯体放入真空压力烧结炉中，通入保护性气氛后加压烧结，然后保温冷却出炉。

[0039]上述实施例1中，混合料采用大小不同的硬质合金原料颗粒混配可提高加工成品的结合强度，采用粘结剂可提高加工产品的抗弯强度，采用成型剂以保证产品成型温度点；设计出适用于一次挤压成型和二次挤压成型所需要的特殊的下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具，同时结合对混合料由下至上进行感应加热和挤压，从而综合了模压、温压和感应加热的优点，使形状型腔复杂、内部多孔和多流道组合的零部件可以一次性整体近净成型。

[0040]具体地，步骤SI中，所述硬质合金原料颗粒在混合料中的体积份数为82〜88份，所述粘结剂在混合料中的体积份数为8〜10份;所述成型剂在混合料中的体积份数为4〜8份。优选地，所述硬质合金原料颗粒、粘结剂和成型剂在混合料中的体积份数分别是82份、10份和8份，或者三者在混合料中的体积份数分别是88份、8份和4份，当然三者在混合料中的体积份数也可分别优选为85份、9份和6份。

[0041]具体地，所述硬质合金原料颗粒为碳化钨硬质合金颗粒，该硬质合金原料颗粒包括粗颗粒、中颗粒和细颗粒，所述粗颗粒、中颗粒和细颗粒在硬质合金原料颗粒中的体积份数分别为5〜15份、60〜80份和15〜25份，这样粗细晶粒混配不但提高了硬质合金零件的结合强度，同时也提高了混合料注入的流动性和填充的着实密度;优选地，所述粗颗粒、中颗粒和细颗粒在硬质合金原料颗粒中的体积份数可分别为5份、80份和25份，或者三者在硬质合金原料颗粒中的体积份数分别是15份、60份和15份，当然三者在硬质合金原料颗粒中的体积份数也可分别优选为1份、70份和20份。

[0042]具体地，粘结剂为钴，保证成型后产品的磁力和抗弯强度;成型剂包括高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇高温蜡和酸，所述高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸在混合料中的体积份数分别为I〜1.4份、1.5〜2份、1.2〜1.8份、0.6〜I份和0.05〜0.1份，以保证成型温度点、成型剂与原料能均匀混合而不渗透，成型剂易于脱出；优选地，所述高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸在混合料中的体积份数可分别为I份、2份、1.8份、I份和0.1份，或者所述高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸在混合料中的体积份数可分别为1.4份、1.5份、1.2份、0.6份和0.05份，当然所述高密度聚乙烯、低温蜡、聚乙二醇、高温蜡和酸在混合料中的体积份数可分别优选为1.2份、1.7份、1.6份、0.8份和0.08份。

[0043]当然，上述成型剂中还可加入其它常规类型的成型剂;采用的硬质合金除了碳化钨之外，也可以采用其他的硬质合金，粘结剂也不限于钴；另外，需要说明的是上述混合料中各组分的体积份数优选为体积百分比。

[0044] 实施例2

[0045]优选地，本发明上述实施例1中还可包括步骤SI和S2之间的步骤S6，混合料的熔炼碾压和破碎:将混合料加热成粘稠状后碾压，然后破碎，具体地，将混合料经分段加热，加热温度120°C〜160°C，混合料经加热后成为粘稠状，对粘稠状混合料进行碾压使其厚度达到0.15〜0.2_，反复2〜4次，再经过破碎。这样可消除原料在混合时成型剂膨化带来的气泡，提高了混合料的着实密度，保证混合料后续注入更均匀，填充更密实紧致。

[0046]具体地，上述实施例1中，步骤S2中，运用立体三维软件进行组合模具设计，通过模似分析和有限元分析，找出最佳分型面和浇注口的设计方案以及最佳合模定位方案，根据混合料配比设计模具的最佳容积比(产品的收缩系数)为1: 1.19，也就是说模具的容积为烧结收缩后的最终产品体积的1.19倍，二次复合挤压中的模腔采用了进口的高强度型腔消失模具，以满足二次复合挤压包覆型腔的需求。

[0047]具体地，上述实施例1中，步骤S3中，干燥的混合料通过均勾分配的饶注口填入模腔，模具整体经过感应加热升温至150〜170°C，混合料中的成型剂呈熔融状，可增加了混合料的填实密度，配以15Pa压力，实现底部流道及凹型腔的成型。其中，感应加热采用由下至上的方式，可方便排出混合料中的气孔，使最终的产品更加致密。

[0048] 具体地，上述实施例1中，步骤S4中，经过一次挤压成型，模具温度冷却到80〜100°c后解压，装入型腔消失模具及上部包覆模具，再次注入混合料后，模体经过二次感应升温150〜170°C，配以20Pa的成型压力，第二次挤压成型上部包覆盖及型腔，二次复合挤压完成需对模体进行冷却降温脱模形成坯体，这个过程中内腔需要高强度型腔消失模具支撑，已完成复杂内腔的成型;其中，感应加热也采用由下至上的方式，方便排出混合料中的气孔。

[0049] 实施例3

[0050]优选地，本发明上述实施例1或实施例2中还包括步骤S4和S5之间的步骤S7，

[0051] S7、成型剂脱除:将步骤S4中获取的坯体进行脱胶脱脂处理，以脱除坯体中的成型剂以及使坯体中的型腔消失模具。

[0052] 具体地，所述步骤S7包括步骤S71和S72，

[0053] S71、低温脱胶:采取70〜90°C的汽油浸泡坯体，浸泡时间28小时，当然浸泡时间可以在25小时到30小时之间，这种低温浸泡法能脱除成型剂总量的2%〜2.5%;

[0054] S72、高温脱脂:将经过汽油浸泡过的坯体放入真空脱脂炉中，升温第一区间至400°C以上，保温15分钟，此时内腔消失模熔化，继续升温至800°C，保温10分钟降温出炉，产品形体内的剩余成型剂全部脱除。

[0055]优选地，步骤S5中，坯体在真空压力烧结炉中被加热到1380°C〜1420°C，所述保护性气氛优选为氢气，当然也可选用其他的保护性气氛。

[0056]通过对上述实施例获得的产品进行检测，可获得以下检测结果:产品密度(g/cm3)14.51、硬度(!《^)89.1、横向断裂强度0/1111112)2890、矫顽磁力(1^/111)12.1、钴磁(0)111%)9.51，通过这些检测结果可知，获得的产品具有优良的指标。如图1和图2所示，在100倍显微镜下观察产品的孔隙度为A02、B00，1500倍显微镜下产品平均晶粒度为2.0，可以发现产品密度均匀、表面光洁、组织致密，无孔隙、气泡和裂纹等缺陷。

[0057]综上所述，本发明提供的硬质合金复合成型方法中，通过混合料各成分的混合，可提高加工成品的结合强度、抗弯强度和保证产品成型温度点，通过设计出适用于一次挤压成型和二次挤压成型所需要的特殊的下部流道模具、内凹腔模具、型腔消失模具及上部包覆模具，同时结合对混合料由下至上进行感应加热和挤压，从而综合了模压、温压和感应加热的优点，使形状型腔复杂、内部多孔和多流道组合的零部件可以一次性整体近净成型，后续加工余量小，加工成本低，特别是采用型腔消失模具极大地便利了复杂型腔的成型;通过混合料的熔炼碾压和破碎消除了原料在混合时成型剂膨化带来的气泡，提高了混合料的着实密度，同时结合对坯体进行脱胶脱脂处理和在真空保护性气氛下烧结，可使烧结成型的零件密度均匀、表面光洁、组织致密，没有出现孔隙、气泡和裂纹，产品质量高。

[0058]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。