一种脉冲激光去钴熔凝强化硬质合金的工艺方法 【技术领域】
本发明涉及硬质合金刀具的激光表面处理技术，属于激光加工技术领域。
背景技术
硬质合金属超硬材料，广泛应用于机械加工、采煤、矿山、木材加工、钢铁、冶金等行业。硬质合金一般是以WC、TiC、TaC、NbC等作基体材料，以钴或镍为粘结材料制成的，具有高硬度、高强度、耐磨损以及较好的疲劳强度和抗高温氧化腐蚀性能。碳化钨硬质合金具有良好的热传导性能、高温硬度、耐热疲劳性能、耐磨性能等，且价格相对较低，因此以碳化钨为主的硬质合金获得了广泛应用。国内外生产的硬质合金料多为WC-Co/WC-Co-Ni-Cr系硬质合金，其中作为粘结剂的Co或者Co-Ni-Cr含量范围为10％～30％，其生产工艺根据烧结类型分为冷压-烧结、热压及热等静压等。常规的粉末冶金方式制造的硬质合金具有一定的孔隙率，并且碳化钨含量越高，其硬度越高，但韧性以及抗弯强度会出现降低趋势。因此在实际生产中出现了一些在保证硬质合金韧性基础上的表面强化工艺，如化学气相沉积超硬涂层(类金刚石膜、金刚石膜等)、多弧离子镀方式形成的物理气相沉积超硬涂层(TiN、TiAlN、(TiAlZr)N等)。由于以上涂层比较薄，一般不超过10um，并且涂层与硬质合金基体之间的结合强度较低，因此不能够大幅度提高硬质合金的使用寿命。本发明提供一种激光去钴熔凝强化硬质合金的工艺方法，是在原硬质合金表面进行脉冲激光辐照，在作用层(厚度20-60um)内产生钴的蒸发相对提高了WC、TiC等基体材料的含量，同时WC、TiC等基体材料与粘结剂金属实现熔凝强化，改善了强化相与粘结金属的冶金状态及结合状态，将明显提高硬质合金材料的使用性能。
【发明内容】
为了提高硬质合金材料的耐磨性以及使用寿命，在常规表面技术基础上提高处理层的厚度以及结合力，提供一种脉冲激光去钴熔凝强化硬质合金的工艺方法，其特征在于：在硬质合金外表面施加一定波长范围的脉冲激光进行辐照处理，硬质合金中的钴元素熔融且部分蒸发，在刀具表面形成一定厚度的快速凝固熔凝层，获得一种激光选择性去钴且熔凝强化的硬质合金。
一种脉冲激光去钴熔凝强化硬质合金的工艺方法，其特征在于：对硬质合金(钴含量质量百分比10-30％)的外表面进行激光去钴熔凝处理，所用脉冲激光的波长为248nm-1060nm，功率密度在1.0×106～9.9×107W/cm2范围，脉宽10皮秒(ps)-90纳秒(ns)，脉冲个数为10-500个，脉冲频率1-20Hz。
该发明的处理效果在于：激光熔凝层的厚度为20-60um，熔凝层中钴含量为3-9％，Co、Ni、Cr等粘结剂与基体材料为快速凝固组织，该硬质合金可以是刀具或锯片，用于金属、木材等材料的加工。
【附图说明】
图1硬质合金激光熔凝层表面形貌
图2硬质合金激光熔凝层截面形貌
图3硬质合金激光熔凝处理前的EDS能谱分析结果
图4硬质合金激光熔凝处理后的EDS能谱分析结果
【具体实施方式】
实施例1
(1)待处理材料硬质合金的牌号为S4X7，为钨钴钛类硬质合金，该硬质合金典型用途为车刀和切割金属用锯片，材料的尺寸长×宽×高为10×7×4mm，在激光辐照之前用酒精进行表面清洗，去除表面的杂物和油污；
(2)脉冲激光采用248nm的准分子激光器，脉宽25ns，调整激光束光路，激光束相对工件垂直入射，即入射角为0°；
(3)采用整形均化技术获得激光束尺寸为7×5mm，利用此尺寸的激光束进行刀尖区域的激光辐照，激光的功率密度为9.9×107W/cm2，激光处理的脉冲个数为500个，激光脉冲频率为20Hz，在刀片表面获得7×5mm的激光熔凝区；
(4)将激光处理后产品进行质量检验，在显微镜下进行观察，图1是激光熔凝处理表面的形貌，可以看到硬质合金激光熔凝层的形貌，图2是激光熔凝层截面形貌，并对硬质合金在激光熔凝前后的钴含量进行EDS能谱分析，图3、图4分别为激光熔凝处理前后的能谱图，激光熔凝处理前钴元素质量百分比为17.77％、钨元素80.49％、钛元素1.74％，处理后钴元素质量百分比为6.62％、钨元素91.72％、钛元素1.65％，激光选择性去钴的效果非常明显，激光熔凝层的厚度为60um；
(5)实际使用效果表明，激光熔凝处理的材料硬度相应提高，其使用寿命为原产品的2.5倍。
实施例2
(1)待处理材料硬质合金的牌号为Kcr06，为钨钴类硬质合金，该硬质合金典型用途为车刀或锯片，材料的尺寸为10.5×3.4×3.0mm，在激光辐照之前用酒精进行表面清洗，去除表面的杂物和油污；
(2)脉冲激光采用1060nm的YAG固体激光器，脉宽90ns，调整激光束光路，激光束相对工件的入射角为45°；
(3)采用激光束对刀尖部位3.4×4.0mm的区域进行选区激光扫描，激光的功率密度为1.0×106W/cm2，激光处理的脉冲个数为10个，激光脉冲频率为10Hz；
(4)将激光处理后产品进行质量检验，对硬质合金在激光熔凝前后的钴含量进行EDS能谱分析，激光熔凝处理前的成分中钴元素质量百分比15％，激光熔凝处理后钴元素质量百分比减少到9％，激光选择性去钴的效果比较明显，激光熔凝层的厚度为20um；
(5)实际使用效果表明，激光熔凝处理的材料，材料使用寿命明显为原产品的1.2倍。
实施例3
(1)待处理材料硬质合金的牌号为Jcs03D，为钴铬镍钨类硬质合金，该硬质合金典型用途为车刀和锯片，材料地典型尺寸长×宽×高为10.5×3.4×3.0mm，在激光辐照之前用酒精进行表面清洗，去除表面的杂物和油污；
(2)脉冲激光采用波长为532nm的皮秒激光器，脉宽15ps，调整激光束光路，激光束相对工件的入射角为20°；
(3)采用激光束对刀尖部位3.4×4.0mm的区域进行选区激光扫描，功率密度为2.5×107W/cm2，激光处理的脉冲个数为300个，激光脉冲频率为1KHz，在刀片表面获得3.4×4.0mm的激光熔凝区；
(4)将激光处理后产品进行质量检验，对硬质合金在激光熔凝前后的钴含量进行EDS能谱分析，激光熔凝处理前的成分中钴元素质量百分比为14％，激光熔凝处理后钴含量元素质量百分比为6％，激光选择性去钴的效果也比较明显，激光熔凝层的厚度为40um。
(5)实际使用效果表明，激光熔凝处理的材料，其使用寿命为原产品的2倍。