CN110343993A - 一种硬质合金表面处理方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于硬质合金材料技术领域，尤其涉及一种硬质合金表面处理方法及应用。本发明提供了一种硬质合金表面处理方法，该硬质合金表面处理方法中，对硬质合金进行表面渗碳处理或表面渗氮处理，得到的硬质合金具有表面贫Co层，能够有效抑制硬质合金中的Co向涂层扩散，涂层与硬质合金的热膨胀匹配性得到改善，提高了涂层高温下的机械性能，涂层的使役性能显著提高，延长了AlTiN涂层的使用寿命，产品在高温下机械性能高、耐磨性好、切削性能优异。

Description

一种硬质合金表面处理方法及应用
技术领域
本发明属于硬质合金材料技术领域，尤其涉及一种硬质合金表面处理方法及应用。
背景技术
硬质合金由于其高硬度和高耐磨性，被广泛应用于制造业中作为切削工具材料。AlTiN涂层由于具有硬度高、膜-基结合强度高、摩擦系数小、氧化温度达800℃以上等特点，是当今的主流刀具涂层，尤其适用于切削高温合金钢、不锈钢、钛合金、镍基合金等材料。然而在高温下硬质合金中作为粘结相的Co向涂层扩散比较严重，涂层机械性能明显下降，涂层刀具的使用寿命显著降低。另外，Co的热膨胀系数较大(约为WC的3.2倍)，受热膨胀后产生内应力易使涂层开裂失效(唐伟忠等，一种在硬质合金工具上制备金刚石涂层的方法，CN1632165A，2004-12-28)。
为了抑制硬质合金中的Co向涂层扩散，研究思路主要分两种，一种是使用化学脱钴法、等离子体刻蚀法等对基体表面进行预处理，降低基体表面的Co含量，改善涂层初期的生长方式，氮化物涂层(CrN、TiN等)在Co表面重新形核生长，在WC和立方碳化物上为外延生长。另一种是添加过渡层(于盛旺等，一种硬质合金工具金刚石过渡层的制备方法，CN102268653A，2011-06-24)，在基体与涂层之间预镀Ti、Cr等金属中间层，增大结合力，减小涂层与基体的内应力，同时阻碍Co向涂层的扩散。
虽然在表面贫Co的硬质合金上制备AlTiN涂层，可以在一定程度上提高AlTiN涂层的使役性能，但是去除硬质合金表层钴的方法都有一定的局限性。化学脱钴法(MichaelG.Peters et al,Cemented Tungsten Carbide Substrates having adherent DiamondFilms Coating Thereon,US5567526A,1991-4-26)虽然可以去除硬质合金表层的Co，但也会造成表层结构疏松，在其表层制备涂层会引起涂层开裂失效；等离子体刻蚀法虽然能够达到硬质合金表层去Co的目的，但是成本昂贵而且不适于处理复杂形状的基体。在硬质合金上预镀中间层可以获得表面不含钴的新表面层，虽然可以在一定程度上延缓Co的扩散，但是中间层的厚度有限，长期在高温条件下服役硬质合金中的Co仍会向涂层扩散，造成涂层失效。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种硬质合金表面处理方法及应用，用于解决现有技术抑制硬质合金中的Co向涂层扩散会造成表层结构疏松、成本昂贵、会造成涂层失效的问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种硬质合金表面处理方法，包括以下步骤：
对硬质合金进行表面渗碳处理或表面渗氮处理，再在所述硬质合金的表面依次沉积CrN过渡层和AlTiN表面功能层，得到产品；
其中，经表面渗碳处理或表面渗氮处理得到的硬质合金包括芯部和表面贫Co层，所述表面贫Co层中Co的质量分数为芯部Co的质量分数的25％～66.6％，优选为33.3％～50％；
所述CrN过渡层沉积于所述硬质合金的表面，所述AlTiN表面功能层沉积于所述CrN过渡层的表面。
请参阅图1，为本发明提供的一种硬质合金表面处理方法得到的产品结构示意图，本发明硬质合金表面处理方法得到的产品包括硬质合金1、CrN过渡层3和AlTiN表面功能层4，硬质合金1包括芯部和表面贫Co层2，CrN过渡层3沉积于硬质合金1的表面，AlTiN表面功能层4沉积于CrN过渡层3的表面。
本发明中，对硬质合金进行表面渗碳处理或表面渗氮处理，经表面渗碳处理或表面渗氮处理得到的硬质合金具有外硬内韧的材料结构，硬质合金具有表面贫Co层，能够有效抑制硬质合金中的Co向涂层扩散，涂层与硬质合金的热膨胀匹配性得到改善，提高了涂层高温下的机械性能，涂层的使役性能显著提高，延长了AlTiN涂层的使用寿命，得到的产品在高温下机械性能高、耐磨性好、切削性能优异。
优选的，所述表面贫Co层的厚度为0.01mm～1mm，更优选为1mm、0.8mm或0.4mm；
所述CrN过渡层的厚度为0.5μm～2μm，更优选为1.0μm、1.2μm或1.4μm；
所述AlTiN表面功能层的厚度为2μm～8μm，更优选为2.5μm、3.0μm或3.5μm。
优选的，所述CrN过渡层中Cr的原子百分比为35at％～70at％，N的原子百分比为30at％～65at％，更优选的，Cr:55at％，N:45at％或Cr:58at％，N:42at％或Cr:57at％，N:43at％；
所述AlTiN表面功能层中Al的原子百分比为20at％～45at％，Ti的原子百分比为15at％～40at％，N的原子百分比为30at％～65at％，更优选为35at％～60at％，进一步优选的，Al:30at％，Ti:28at％，N:42at％或Al:32at％，Ti:24at％，N:44at％或Al:25at％，Ti:32at％，N:43at％。
优选的，所述硬质合金为WC-Co硬质合金、WC-Ti-Co硬质合金或WC-Ti-Ta-Co硬质合金。
优选的，所述表面渗碳处理的条件具体为：
将所述硬质合金置于氢气气氛炉中，加热至800℃～900℃预烧结0.5h，再加热至1300℃～1320℃保温0.5h～1.5h进行渗碳处理，渗碳碳源为乙炔，所述氢气与所述乙炔通入的流量比为100:2～100:10；
所述表面渗氮处理的条件具体为：
将所述硬质合金置于真空烧结炉中，所述真空烧结炉抽真空至10Pa以下，加热至350℃～380℃保温1.5h～3h，再通入氮气，加热至1440℃～1450℃保温1.2～1.8h进行渗氮处理。表面渗氮处理中通入的氮气为高纯氮气，氮气纯度大于等于99.99％。
本发明中，硬质合金为WC-Co硬质合金，优选进行表面渗碳处理，WC-Co硬质合金为均质硬质合金，Co的质量分数优选为5％～15％。
硬质合金为WC-Ti-Co硬质合金或WC-Ti-Ta-Co硬质合金，优选进行表面渗氮处理，WC-Ti-Co硬质合金或WC-Ti-Ta-Co硬质合金为均质合金。其中，WC-Ti-Ta-Co硬质合金中，Co的质量分数为6％～12％，Ti的质量分数为2％～5％，Ta的质量分数为0～2％。
优选的，沉积CrN过渡层的条件具体为：
以金属Cr为靶材，真空室温度为300～450℃，通入氮气的流速为200sccm～450sccm，真空室腔压为0.6Pa～3.0Pa，基体负偏压为-70～-180V，电弧电源输出电流为70A～120A，沉积时间为10min～50min。
优选的，沉积AlTiN表面功能层的条件具体为：
以AlTi为靶材，真空室温度为300～450℃，通入氮气的流速为250sccm～500sccm，真空室腔压为1.0Pa～3.0Pa，基体负偏压为-100～-180V，电弧电源输出电流为80A～150A，沉积时间为40min～120min。
优选的，表面渗碳处理或表面渗氮处理之后，沉积CrN过渡层之前，还包括：辉光清洗；
所述辉光清洗具体包括：将真空室升温至300～450℃，对所述真空室抽真空至2.0*10-3～8.0*10-3Pa，向所述真空室通入150sccm～450sccm的氩气调节工作偏压至-600～-1100V，对所述硬质合金表面进行辉光清洗20min～50min。
表面渗碳处理或表面渗氮处理之后，辉光清洗之前，优选还包括：对硬质合金进行表面清洗，具体包括：对硬质合金抛光至镜面，再分别用丙酮和酒精超声波清洗15min～30min后，干燥，放入真空室。
优选的，沉积AlTiN表面功能层之后，得到产品之前，还包括：
向真空室通入氮气进行冷却。真空室冷却至室温，得到产品。
本发明硬质合金表面处理方法只需对硬质合金进行表面渗碳或表面渗氮强化处理，能够去除硬质合金表层中的Co，无需附加处理工艺，操作较为简便，并应用电弧离子镀技术，选择合适的沉积参数，即可得到高温下机械性能更加优异的AlTiN涂层。
本发明还提供了上述技术方案所述硬质合金表面处理方法得到的产品在切削工具中的应用。
综上所述，本发明提供了一种硬质合金表面处理方法，包括以下步骤：对硬质合金进行表面渗碳处理或表面渗氮处理，再在所述硬质合金的表面依次沉积CrN过渡层和AlTiN表面功能层，得到产品；其中，经表面渗碳处理或表面渗氮处理得到的硬质合金包括芯部和表面贫Co层，所述表面贫Co层中Co的质量分数为芯部Co的质量分数的25％～66.6％；所述CrN过渡层沉积于所述硬质合金的表面，所述AlTiN表面功能层沉积于所述CrN过渡层的表面。本发明硬质合金表面处理方法中，对硬质合金进行表面渗碳处理或表面渗氮处理，得到的硬质合金具有表面贫Co层，能够有效抑制硬质合金中的Co向涂层扩散，涂层与硬质合金的热膨胀匹配性得到改善，提高了涂层高温下的机械性能，涂层的使役性能显著提高，延长了AlTiN涂层的使用寿命，产品在高温下机械性能高、耐磨性好、切削性能优异，能够解决现有技术抑制硬质合金中的Co向涂层扩散会造成表层结构疏松、成本昂贵、会造成涂层失效的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提供的一种硬质合金表面处理方法得到的产品结构示意图；
图2为本发明实施例1硬质合金从表面至芯部的Co的质量分数分布图；
图3为本发明实施例1产品在800℃退火2h后的界面元素分布图；
图4为本发明对比例1产品在800℃退火2h后的界面元素分布图；
图5为本发明实施例1和对比例1产品在800℃退火2h的硬度和弹性模量变化图(H指硬度，E指弹性模量变化图)；
图6为本发明实施例3产品和对比例2产品制成的刀具在Vc＝250m/min，ap＝0.5mm，f＝0.1mm/r的切削条件下切削SKD11模具钢的切削寿命曲线图；
图示说明：1.硬质合金；2.表面贫Co层；3.CrN过渡层；4.AlTiN表面功能层。
具体实施方式
本发明提供了一种硬质合金表面处理方法及应用，用于解决现有技术抑制硬质合金中的Co向涂层扩散会造成表层结构疏松、成本昂贵、会造成涂层失效的问题。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例进行硬质合金的表面处理，包括以下步骤：
1)对WC-8％Co硬质合金进行表面预处理：对WC-8％Co硬质合金进行表面渗碳处理，具体为：以WC-8％Co硬质合金为试样，将样品置于氢气气氛炉中，加热至800℃预烧结0.5h，然后加热至1320℃保温1h进行渗碳处理，乙炔作为渗碳碳源，氢气和乙炔通入流量比为100:3。
2)对表面渗碳处理得到的硬质合金进行表面清洗：对表面渗碳处理得到的硬质合金进行抛光，待抛光至镜面，先用丙酮超声波清洗硬质合金15min，再用酒精超声波清洗硬质合金15min，然后将硬质合金风干放入真空室。
3)对硬质合金进行辉光清洗：将真空室升温至350℃，对真空室抽真空至5.0*10- 3Pa，向真空室通入300sccm的氩气，调节工作偏压至-1000V，对硬质合金表面进行辉光清洗30min。
4)沉积CrN过渡层：调整真空室温度至350℃，向真空室通入300sccm的氮气，调节真空室的腔压至1.2Pa，将基体负偏压调至-100V，点燃Cr靶，电弧电源输出电流为80A，沉积时间为20min。
5)沉积AlTiN表面功能层：调整真空室温度至350℃，向真空室通入300sccm的氮气，调节真空室的腔压至3.0Pa，将基体负偏压调至-120V，点燃AlTi靶，电弧电源输出电流为80A，沉积时间为60min。
6)冷却：向真空室通入氮气进行冷却至室温，得到产品。
本发明实施例中，对步骤2)抛光之后的硬质合金进行Co分布的检测，结果如图2所示，为本发明实施例1硬质合金从表面至芯部的Co的质量分数分布图，结果表明硬质合金表面Co的含量为3.6wt％，表面贫Co层的厚度为1mm。
本发明实施例中，经测试得到，产品的CrN过渡层和AlTiN表面功能层的厚度分别为1.0μm和2.5μm。CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:55at％，N:45at％。AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量为：Al:30at％，Ti:28at％，N:42at％。
实施例2
本实施例进行硬质合金的表面处理，包括以下步骤：
1)对WC-6％Co硬质合金进行表面预处理：对WC-6％Co硬质合金进行表面渗碳处理，具体为：以WC-6％Co硬质合金为试样，将样品置于氢气气氛炉中，加热至850℃预烧结0.5h，然后加热至1310℃保温0.8h进行渗碳处理，乙炔作为渗碳碳源，氢气和乙炔通入流量比为100:2。
2)对表面渗碳处理得到的硬质合金进行表面清洗：对表面渗碳处理得到的硬质合金进行抛光，待抛光至镜面，先用丙酮超声波清洗硬质合金20min，再用酒精超声波清洗硬质合金20min，然后将硬质合金风干放入真空室。
3)对硬质合金进行辉光清洗：将真空室升温至400℃，对真空室抽真空至3.0*10- 3Pa，向真空室通入250sccm的氩气，调节工作偏压至-800V，对硬质合金表面进行辉光清洗25min。
4)沉积CrN过渡层：调整真空室温度至400℃，向真空室通入350sccm的氮气，调节真空室的腔压至2.0Pa，将基体负偏压调至-110V，点燃Cr靶，电弧电源输出电流为100A，沉积时间为25min。
5)沉积AlTiN表面功能层：调整真空室温度至400℃，向真空室通入350sccm的氮气，调节真空室的腔压至3.0Pa，将基体负偏压调至-150V，点燃AlTi靶，电弧电源输出电流为80A，沉积时间为80min。
6)冷却：向真空室通入氮气进行冷却至室温，得到产品。
本发明实施例中，对步骤2)抛光之后的硬质合金进行Co分布的检测，硬质合金表面Co的含量为3.1wt％，表面贫Co层的厚度为0.8mm。
本发明实施例中，经测试得到，产品的CrN过渡层和AlTiN表面功能层的厚度分别为1.2μm和3.0μm。CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:58at％，N:42at％。AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量为：Al:32at％，Ti:24at％，N:44at％。
实施例3
本实施例进行硬质合金的表面处理，包括以下步骤：
1)对YT-15硬质合金进行表面预处理：对YT-15硬质合金进行表面渗氮处理，具体为：以YT-15硬质合金为试样，将样品置于真空烧结炉中，真空烧结炉抽真空至10Pa以下，加热至350℃保温2h，然后通入氮气，加热至1450℃保温1.5h。
2)对表面渗氮处理得到的硬质合金进行表面清洗：对表面渗氮处理得到的硬质合金进行抛光，待抛光至镜面，先用丙酮超声波清洗硬质合金25min，再用酒精超声波清洗硬质合金25min，然后将硬质合金风干放入真空室。
3)对硬质合金进行辉光清洗：将真空室升温至400℃，对真空室抽真空至4.0*10- 3Pa，向真空室通入280sccm的氩气，调节工作偏压至-900V，对硬质合金表面进行辉光清洗30min。
4)沉积CrN过渡层：调整真空室温度至400℃，向真空室通入280sccm的氮气，调节真空室的腔压至2.5Pa，将基体负偏压调至-120V，点燃Cr靶，电弧电源输出电流为90A，沉积时间为30min。
5)沉积AlTiN表面功能层：调整真空室温度至400℃，向真空室通入280sccm的氮气，调节真空室的腔压至3.0Pa，将基体负偏压调至-150V，点燃AlTi靶，电弧电源输出电流为90A，沉积时间为90min。
6)冷却：向真空室通入氮气进行冷却至室温，得到产品。
本发明实施例中，对步骤2)抛光之后的硬质合金进行Co分布的检测，硬质合金表面Co的含量为3.5wt％，表面贫Co层的厚度为0.4mm。
本发明实施例中，经测试得到，产品的CrN过渡层和AlTiN表面功能层的厚度分别为1.4μm和3.5μm。CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr:57at％，N:43at％。AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量为：Al:25at％，Ti:32at％，N:43at％。
对比例1
本对比例进行硬质合金的表面处理，同实施例1，但不进行步骤1)，得到产品。
对比例2
本对比例进行硬质合金的表面处理，同实施例3，但不进行步骤1)，得到产品。
实施例4
本实施例将实施例1和对比例1产品在800℃退火2h，再进行界面元素分布检测，结果请参阅图3和图4，分别为本发明实施例1和对比例1产品在800℃退火2h后的界面元素分布图。结果表明对比例1产品中涂层与硬质合金界面处的Co含量明显较高，且已经扩散至CrN过渡层；而实施例1产品中涂层与硬质合金界面处的Co含量较低，且Co未向涂层扩散。
请参阅图5，为本发明实施例1和对比例1产品在800℃退火2h的硬度和弹性模量变化图。结果表明，800℃退火前和800℃退火2h后，本发明实施例1产品的硬度和弹性模量均高于对比例产品。
实施例5
本实施例将实施例3产品和对比例2产品制成的刀具在Vc＝250m/min，ap＝0.5mm，f＝0.1mm/r的切削条件下切削SKD11模具钢，请参阅图6，为本发明实施例3产品和对比例2产品制成的刀具在Vc＝250m/min，ap＝0.5mm，f＝0.1mm/r的切削条件下切削SKD11模具钢的切削寿命曲线图。结果表明实施例3产品制成的刀具的使用寿命相比对比例2产品制成的刀具提高了一倍左右。
以上结果表明，本发明表面处理方法得到的产品包括硬质合金、CrN过渡层和AlTiN表面功能层，硬质合金具有表面贫Co层，能够有效抑制硬质合金中的Co向涂层扩散，涂层与硬质合金的热膨胀匹配性得到改善，提高了涂层高温下的机械性能，涂层的使役性能显著提高，延长了AlTiN涂层的使用寿命，产品在高温下机械性能高、耐磨性好、切削性能优异。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硬质合金表面处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
对硬质合金进行表面渗碳处理或表面渗氮处理，再在所述硬质合金的表面依次沉积CrN过渡层和AlTiN表面功能层，得到产品；
其中，经表面渗碳处理或表面渗氮处理得到的硬质合金包括芯部和表面贫Co层，所述表面贫Co层中Co的质量分数为芯部Co的质量分数的25％～66.6％；
所述CrN过渡层沉积于所述硬质合金的表面，所述AlTiN表面功能层沉积于所述CrN过渡层的表面。
2.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，所述表面贫Co层的厚度为0.01mm～1mm；
所述CrN过渡层的厚度为0.5μm～2μm；
所述AlTiN表面功能层的厚度为2μm～8μm。
3.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，所述CrN过渡层中Cr的原子百分比为35at％～70at％，N的原子百分比为30at％～65at％；
所述AlTiN表面功能层中Al的原子百分比为20at％～45at％，Ti的原子百分比为15at％～40at％，N的原子百分比为30at％～65at％。
4.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，所述硬质合金为WC-Co硬质合金、WC-Ti-Co硬质合金或WC-Ti-Ta-Co硬质合金。
5.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，所述表面渗碳处理的条件具体为：
将所述硬质合金置于氢气气氛炉中，加热至800℃～900℃预烧结0.5h，再加热至1300℃～1320℃保温0.5h～1.5h进行渗碳处理，所述渗碳的碳源为乙炔，所述氢气与所述乙炔通入的流量比为100:2～100:10；
所述表面渗氮处理的条件具体为：
将所述硬质合金置于真空烧结炉中，所述真空烧结炉抽真空至10Pa以下，加热至350℃～380℃保温1.5h～3h，再通入氮气，加热至1440℃～1450℃保温1.2～1.8h进行渗氮处理。
6.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，沉积CrN过渡层的条件具体为：
以金属Cr为靶材，真空室温度为300～450℃，通入氮气的流速为200sccm～450sccm，真空室腔压为0.6Pa～3.0Pa，基体负偏压为-70～-180V，电弧电源输出电流为70A～120A，沉积时间为10min～50min。
7.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，沉积AlTiN表面功能层的条件具体为：
以AlTi为靶材，真空室温度为300～450℃，通入氮气的流速为250sccm～500sccm，真空室腔压为1.0Pa～3.0Pa，基体负偏压为-100～-180V，电弧电源输出电流为80A～150A，沉积时间为40min～120min。
8.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，表面渗碳处理或表面渗氮处理之后，沉积CrN过渡层之前，还包括：辉光清洗；
所述辉光清洗具体包括：将真空室升温至300～450℃，对所述真空室抽真空至2.0*10-3～8.0*10-3Pa，向所述真空室通入150sccm～450sccm的氩气调节工作偏压至-600～-1100V，对所述硬质合金表面进行辉光清洗20min～50min。
9.根据权利要求1所述的硬质合金表面处理方法，其特征在于，沉积AlTiN表面功能层之后，得到产品之前，还包括：
向真空室通入氮气进行冷却。
10.权利要求1至9任意一项所述硬质合金表面处理方法得到的产品在切削工具中的应用。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113634747A (zh) * 2021-08-13 2021-11-12 四川铭泰顺硬质合金有限公司 一种硬质合金刀具烧结装置
CN114001142A (zh) * 2021-10-26 2022-02-01 东风商用车有限公司 一种具有低传动噪声的高负载齿轮及其制备方法
CN114438440A (zh) * 2020-10-16 2022-05-06 中国石油化工股份有限公司 一种复合涂层、其制备方法及应用

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1204724A (zh) * 1997-06-10 1999-01-13 日野自动车工业株式会社 活塞环
CN102134660A (zh) * 2011-03-04 2011-07-27 重庆文理学院 表面富立方相的功能梯度硬质合金及制备方法
CN104060143A (zh) * 2014-04-25 2014-09-24 厦门钨业股份有限公司 一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法
CN105252239A (zh) * 2015-10-16 2016-01-20 东华大学 一种梯度硬质合金刀具制备方法
CN105624618A (zh) * 2016-02-11 2016-06-01 广东工业大学 TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法
CN206435581U (zh) * 2016-11-17 2017-08-25 广州今泰科技股份有限公司 一种铝合金挤压型材模具
CN108070817A (zh) * 2016-11-17 2018-05-25 广州今泰科技股份有限公司 一种金属模具钢表面复合双重处理方法
CN108130533A (zh) * 2017-12-21 2018-06-08 安徽工业大学 一种具有高抗磨耐蚀硬密封球阀及制备方法
CN108149183A (zh) * 2017-12-26 2018-06-12 中石化石油机械股份有限公司 一种表层硬度梯度分布的硬质合金及其制备方法
CN109014779A (zh) * 2018-08-01 2018-12-18 黄河科技学院 一种复合涂层盘形滚刀刀圈制作工艺

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1204724A (zh) * 1997-06-10 1999-01-13 日野自动车工业株式会社 活塞环
CN102134660A (zh) * 2011-03-04 2011-07-27 重庆文理学院 表面富立方相的功能梯度硬质合金及制备方法
CN104060143A (zh) * 2014-04-25 2014-09-24 厦门钨业股份有限公司 一种低压渗氮法制备富氮功能梯度金属陶瓷的方法
CN105252239A (zh) * 2015-10-16 2016-01-20 东华大学 一种梯度硬质合金刀具制备方法
CN105624618A (zh) * 2016-02-11 2016-06-01 广东工业大学 TiAlSiZrN基复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法
CN206435581U (zh) * 2016-11-17 2017-08-25 广州今泰科技股份有限公司 一种铝合金挤压型材模具
CN108070817A (zh) * 2016-11-17 2018-05-25 广州今泰科技股份有限公司 一种金属模具钢表面复合双重处理方法
CN108130533A (zh) * 2017-12-21 2018-06-08 安徽工业大学 一种具有高抗磨耐蚀硬密封球阀及制备方法
CN108149183A (zh) * 2017-12-26 2018-06-12 中石化石油机械股份有限公司 一种表层硬度梯度分布的硬质合金及其制备方法
CN109014779A (zh) * 2018-08-01 2018-12-18 黄河科技学院 一种复合涂层盘形滚刀刀圈制作工艺

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
丁健俊: "无η相梯度硬质合金制备工艺优化及性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114438440A (zh) * 2020-10-16 2022-05-06 中国石油化工股份有限公司 一种复合涂层、其制备方法及应用
CN113634747A (zh) * 2021-08-13 2021-11-12 四川铭泰顺硬质合金有限公司 一种硬质合金刀具烧结装置
CN114001142A (zh) * 2021-10-26 2022-02-01 东风商用车有限公司 一种具有低传动噪声的高负载齿轮及其制备方法
CN114001142B (zh) * 2021-10-26 2024-01-02 东风商用车有限公司 一种具有低传动噪声的高负载齿轮及其制备方法

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