硬质合金烧结方法的新进展
烧结-热等静压法制取wc-co系硬质合金
烧结-热等静压法制取wc-co系硬质合金众所周知,硬质合金制品经真空(或氢气)烧结后,可以消除压制型坯中的孔洞,基本完成了致密化过程。
不过,为了进一步提高硬质合金的密度和抗弯强度,仍需进行后续热等静压处理,以消除微孔,并使残留石墨溶解于液相,通过扩散来消除石墨相。
但是,热等静压处理过程中,如果温度、压力、时间等参数选择不当,会有部分WC晶粒长大,而粗大的WC和微孔一样,往往成为工件破坏的裂纹源。
从80年代开始,烧结-热等静压工艺悄然兴起,在同一台设备里可依次进行脱蜡、预烧、最终烧结和热等静压工序,这样不仅节省了大量的设备投资,而且与传统的真空烧结+后续热等静压工艺相比,硬质合金产品的性能也有所提高<1>。
为了开发及推广这一新工艺,作者进行了WC-Co系列硬质合金的实验,测定了抗弯强度、硬度( HRA)和密度,并做了光学显微镜金相观察及断口SEM观察。
通过对真空烧结、真空烧结后续热等静压及烧结-热等静压这3种状态的WC- Co合金组织和性能的比较,阐述了烧结-热等静压工艺的优越性,并探讨了其提高合金性能的原因。
1实验材料及方法实验所用原料为市售产品,其化学成分(质量分数,下同)见表 1 ,采用不掺胶冷等静压方法成形(压力为2× 1 0 2 MPa)。
真空烧结制度:温度1 360℃,保温40 min;热等静压制度:氩气介质,压力1 0 0 MPa,温度 1 340℃,保温保压 1 .5h;烧结-热等静压制度示于图1。
烧结-热等静压炉为钢铁研究总院自行设计制造的第一台国产SIP30 0 - I型(卧式)烧结-热等静压炉,主要参数为:最高工作温度 1 60 0℃,最高真空度 1 .33Pa,最高工作压力6MPa,工作室有效空间30 0 mm×30 0 mm×1 2 0 0 mm。
工艺流程:装料表1WC- 15 Co混合粉的化学成分/ %Table 1Com positions of WC- 15 Co mixed powder/ %元素C总C游Fe O2 Co WC含量5 .2 0 0 .0 2 2 0 .0 2 40 .3 714 .84余图1烧结-热等静压工艺制度Fig.1Schematic diagram of sinter- HIP process—抽真空—升温—烧结温度保温—充氩气加压—保温保压—降压冷却—出料。
纳米硬质合金烧结技术
骨架形成
毛细管中能使润湿其管壁的液体自然上升的作用力 在液相毛细管力作用下颗粒向最致密方向移动 液 相 烧 结 过 程 2 溶解-析出 在高温下W和C将会向液相中溶解，由于固相颗粒大小以及固相 颗粒平直 度的不同，W和C在液相中的固溶度不同，将会发生溶解和析出的现象 3 骨架形成 固相颗粒烧结形成骨架 4 碳化物物晶粒的长大
上海大学
纳米硬质合金烧结 技术介绍
XXXXXXX3
1
目录
1.纳米硬质合金介绍
2.纳米硬质合金烧结概述
3.传统烧结方法 4.新型烧结方法 5.总结
2
1.纳米硬质合金简介
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶 金工艺制成的一种合金材料。
硬质化合物 硬 质 合 金
• 元素周期表中过渡金属的碳化物（碳化钨、碳化钛、 碳化钽） • 过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物。
• 二阶段烧结法的基本原理是利用晶界扩散与晶界迁移的能量差来抑制最 终烧结阶段晶粒长大，它是控制纳米复合粉烧结时晶粒长大的有效方法
4.新型烧结介绍
4.4 选择性激光烧结（SLS）
是利用激光有选择地逐层烧结粉末，逐层叠加从而预定三维实体零件形 状的一种快速成形制造方法。
4.新型烧结介绍
4.4 选择性激光烧结（SLS）
每种烧结技术都有其局限性，烧结技术也会随着纳米硬质合金技术的发 展而不断发展的。
4.未来计划
谢谢
4.1 微波烧结特点
优点：1.能显著降低烧结温度，最高可达500℃； 2.降低能耗； 3.缩短烧结时问； 4.提高致密度，细化晶粒。 缺点： 1. 但 在 微 波 烧 结 过 程 中 容 易 出 现 热 失 控 效 应 ， 对 烧结体加热不均匀，从而影响产品性能。 2. 另外适合工业生产的大功率微波炉在制造上有很大 困难，微波烧结还不能大规模用于生产。
烧结制备含Ti功能梯度硬质合金的研究进展
Ｌ７ ２ Ｎｏ ４ ．
硬 质 合 金
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ｉ ｚ ｔ ｎ． ｔｍｉａ ｏ ｉ
硬质合金顶锤真空烧结新工艺的探讨
关键谓
真空 烧结
钻磁
硬 质音 叠 锤 酶
—— 一 —１＿
１ 前 言
艺 生 产 的 顶 锤 ． 合 金 的 外 层 与 中 心 部 位 普 其 遍 存 在 着 组成 元 素 含 量 不 均 匀 的 现象 ， 只是 程 度 和 趋 向不 同而 已 。 当前 的 间歇 式 真 空 烧 结 工 艺 多 数 是 将 合 金 压 坯 先 在 钟 罩 式 脱 胶 炉 内加 热 ． 以氢 气 为载 体 进 行 脱 胶 ， 后 再 转 入 尔 真 空 炉 烧 结 。 为顶 锤 属 大 制 品 ， 了将成 型 因 为
度 生 产 的 ， 同一 个 顶 锤 的 不 同 部 位 均 出 现 在
的 。 那 为 什 么 会 出 现 这 种 现象 呢 ？ 合 金 生 产 中 各 种 原 料 都 经 湿 磨 均 匀 混 合 ， 且 在 尔 后 的 掺 胶 混 合 、 碎 、 筛 、 成 而 擦 过 形
了成 份 和 性 能 的 不 均 匀 性 ， 是 程 度 和 趋 向 只
其 结果 列 于表 ２
按 照 ＹＧ８ Ｊ的 技 术 标 准 配 制 混 合 料 ， 经 湿 瞎 干 燥 、 胶 混 合 擦 碎 、 压 成 型 ， 工 业 掺 摸 以
纯氢 气作 载 体在钟 罩式 脱胶炉 内进行 脱 胶 ，
从 室 温 升 至 ３０Ｃ和 ５ ０Ｃ保 温 一 段 时 间 后 ５＇ ５＇ 最 后 升 至 ８ ０Ｃ结 束 ， 后 转 入 真 空 炉 内 烧 ０＂ 然 结 。烧 结 工 艺分 别 按 一 般 制 品 的 真 空 工 艺 进 行 ， 工 艺 是 在烧 结 过 程 中通 入某 种 气 体 ． 新 而
表 ２ 薹 厂 同 一 顶 锤 不 同 部 位 的 性 能 比 较 编 号 磁 力 ，Ａ／ 钴 磁 ， ｋ ｍ 硬度 ， ＨＲＡ 密 度 ｔ ＾ ｜ ｇ ｎ
硬质合金的烧结工艺
硬质合金的烧结工艺 Revised by Chen Zhen in 2021硬质合金烧结工艺硬质合金是由各种碳化物和铁族元素组成，例如WC-Co、WC-TiC-TaC-NbC-Co或是TiC-MoC-Ni。
这些材料的典型特点就是，通过液相烧结可以达到几乎100%理论密度，烧结后，低的残余孔隙度是成功应用硬质合金于金属切削、石油开采钻头或者金属成形模具等高应力使用工况的关键。
此外，必须仔细控制烧结工艺，以获得希望的显微组织和化学成分。
在很多应用场合，硬质合金都是以烧结态应用的。
烧结态合金表面经常承受条件苛刻的摩擦和应力，在大多数的切削金属应用中，刀头表面的磨耗深度只要超过0.2~0.4mm,工具就被判定报废，所以，提高硬质合金的表面性能是相当重要的。
烧结硬质合金的两种基本方法：一种是氢气烧结——在氢气中与常压下通过相反应动学来控制零件成分，另一种是真空烧结——采用真空环境或降低环境气体压强，通过减缓反应动力学来控制硬质合金成分。
真空烧结有着更为广泛的工业应用。
有时，还采用烧结热等静压和热等静压，这些技术都对硬质合金的生产有着重要的影响。
氢气烧结：氢气是还原性的气氛，但当氢气与烧结炉壁或承载装置发生反应时会改变其他成分，提供合适的碳化势以维持与硬质合金的热力学平衡。
在传统的硬质合金烧结中，要将混合料中的碳化物的含碳量调节到理论值，并在整个氢气烧结过程中维持这个值不变。
例如，烧结94WC-6CO硬质合金时，入炉时，碳含量为5.70~5.80%（质量分数），出炉时，则要维持在5.76+0.4%氢气烧结工艺的气氛控制能力对于钨钴类硬质合金来说是足够的，但是对于切钢工具用含碳化钛碳化钽或碳化铌的合金来说，气氛的氧化势太高，导致合金的成分变化，通常用真空烧结来减低这些，合金氧化物的含量，氢气烧结一般用机械推舟的方式，通过连续烧结来完成，可用一个单独的预烧炉除去润滑剂防止挥发物污染后的高烧结过程。
预烧结还可以调高生胚强度，使能对其进行粗切削加工，例如，进行车削和钻孔，预烧结温度在500~800摄氏度间，这主要取决于润滑剂除去的是否彻底及所需生胚强度。
低钴硬质合金烧结渗碳
低钴硬质合金烧结渗碳一、引言低钴硬质合金因其优异的力学性能和耐腐蚀性，广泛应用于石油、化工、矿山和汽车等领域。
在烧结渗碳过程中，通过控制合金的成分和工艺参数，可以提高其硬度和耐磨性。
本文将对低钴硬质合金的烧结渗碳工艺进行详细探讨。
二、低钴硬质合金的成分与特性低钴硬质合金主要由WC、Co、TiC等组成，其中Co是粘结剂，起到连接WC晶粒的作用。
通过调整Co的含量，可以改变合金的韧性。
同时，添加TiC等元素可以提高合金的硬度和耐磨性。
三、烧结渗碳工艺1. 原料准备：选用优质原料，确保杂质含量低，以保证合金的性能。
2. 配料与混合：根据合金成分要求，精确配料，并通过球磨等方式将原料混合均匀。
3. 压制成型：将混合好的原料放入模具中，施加压力使其成型。
4. 烧结：在保护气氛下进行高温烧结，使原料致密化。
控制烧结温度和时间，以保证合金的晶粒尺寸和力学性能。
5. 渗碳：将烧结后的试样放入渗碳介质中，在一定温度下保温一定时间，使试样表面形成一定厚度的碳化物层，从而提高其硬度和耐磨性。
6. 冷却与回火：渗碳后将试样冷却至室温，并进行回火处理，以消除内应力，稳定组织。
7. 后处理：对试样进行研磨、抛光和镀膜等处理，以提高其表面质量和使用寿命。
四、工艺参数优化通过对烧结温度、渗碳温度、保温时间等工艺参数进行优化，可以进一步提高低钴硬质合金的性能。
同时，选择合适的保护气氛和渗碳介质也是关键。
五、结论通过对低钴硬质合金的烧结渗碳工艺进行深入研究，可以发现该工艺对提高合金的硬度和耐磨性具有重要作用。
通过优化工艺参数和选择合适的保护气氛及渗碳介质，可以进一步拓展低钴硬质合金的应用范围和提高其综合性能。
在实际生产中，应严格控制原料质量、配料比例、烧结温度和时间等关键工艺参数，以确保生产出的低钴硬质合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性。
碳纤维增强碳化钨硬质合金的烧结方法和研究进展
碳纤维增强碳化钨硬质合金的烧结方法和研究进展1．引言碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金是以碳化钨粉末为主要原料，Co做粘结剂而制成的一种合金。
因碳化钨-Co硬质合金具有高硬度、高强度和优良的耐磨性及抗氧化性，而被广泛的用于机械加工、采矿钻探、模具和结构耐磨件等领域[1]。
超细碳化钨-钴硬质合金是指合金中碳化钨晶粒平均尺寸为0.1~0.6μm，这使其具有高强度、高硬度和高韧性，有效地解决了传统硬质合金硬度与强度之间的矛盾。
碳化钨晶粒在100nm 以下的纳米硬质合金应当有更优良的性能。
1959年，Shindo A首先发明了用聚丙烯腈（PAN）纤维制造碳纤维。
美国在21世纪革命性的12项材料技术中，则将“新一代碳纤维、纳米碳管”排在第四位[2]。
碳纤维具有高强度、高模量、密度小，比强度高、耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优良性能。
正因如此，将碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合后得到的碳纤维复合材料，同样具有高的比强度、比模量、耐疲劳、耐高温、抗蠕变等特点。
近年来它们被广泛地应用于航空航天、汽车构件、风力发电叶片、油田钻探、体育用品、建筑补强材料等领域[3]。
超细碳化钨-钴硬质合金和碳纤维在某些方面的优异性能和在工业上的广泛应用，使得国内外很多研究学者对这两种材料进行了深入研究。
本文将主要从超细碳化钨-钴硬质合金的烧结手段及其对硬质合金性能的影响、致密化方式和效果，碳纤维增强复合材料的性能等方面对国内外文献进行综述。
2. 烧结方法目前国内外研发了许多制备超细碳化钨粉末的方法，主要有直接碳化法[4]、氢气还原WO X碳化法、流化床还原碳化法、气相沉积法、有机盐热分解碳化法、等离子电弧法、熔盐法和机械球磨法、液相还原法[5]等，目前应用于工业化规模生产的主要是前三种方法。
要使超细碳化钨粉末具备特殊性能，必须经过烧结这一关键步骤，烧结技术的不同将对硬质合金的性能产生重要影响。
而如何有效控制碳化钨晶粒在烧结过程中的长大行为成为制备超细晶和纳米晶硬质合金的关键技术。
WC-10Co硬质合金低压烧结工艺的探索
球磨机雷蒙磨粉机武汉理工大学硕士学位论文图１－１微波烧结ＷＣ．Ｃｏ的ＳＥＭ图图１．２常规烧结ＷＣ．Ｃｏ的ＳＥＭ图ｆ７）放电等离子烧结法放电等离子烧结（ＳｐａｒｋＰｌａｓｍａＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，简称ＳＰＳ）１３５１是一神快速烧结新工艺，它在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，通过瞬时产生的放电等离子使烧结体内部每个颗粒产生均匀的自发热并使颗粒表面活化，由于升温、降温速率快，保温时间短，使烧结过程快速跳过表面扩散阶段，减少了颗粒的生长，同时也缩短了制备周期，节约了能源。
在国外，早在６０年代初，日本就致力于放电烧结技术的研究，硬质合金现已投入批量生产。
在我国，近几年ＳＰＳ也得到了发展，昆明理工大学的彭金辉【３６】等已经采用ＳＰＳ法烧结ＷＣ．６％Ｃｏ的硬质合金，试验结果如表１－２所示。
可以看出，采用ＳＰＳ法只需３。
５ｍｉｎ就可以得到相对密度大于９９％，洛氏硬度高于ＨＲＡ９１的产品。
上海大学的解迎芳等【３７ｌ利用ＳＰＳ烧结技术，成功制备出完整、致密的ＷＣ．８Ｃｏ纳米硬质合金，在烧结温度１１５０。
Ｃ、保温５ｍｉｎ的条件下，就可达完全致密，硬度达９４．２ＨＲＡ，这是传统烧结工艺远远达不到的。
放电等离子烧结实质上是一种新型的热压烧结方法，所得的烧结样品晶粒均匀、密度高、力学性能好，是一项极有使用价值和广阔应用前景的现代烧结新技术。
图３－６添加Ｏ．６ｗｔ％ＶＣ、１３６０。
Ｃ保温３０ｍｉｎ、压强８ＭＰａ时ＷＣ．１０Ｃｏ的ＳＥＭ图３－７添加Ｏ．６ｗｔ％ＣｒａＣ２、１３６０。
Ｃ保温３０ｍｉｎ、压强８ＭＰａ时ＷＣ．１０Ｃｏ的ＳＥＭ从图３．４和图３—５可以看出，在相同合金制备工艺下，随着添加单一Ｃｒ３Ｃ２含量的增加，合金的硬度、呈逐渐上升的趋势。
由图３．５可知，ＶＣ和ｃｆ３Ｃ２添加量相同时，添加ＶＣ的合金比加Ｃｒ３Ｃ２的合余有更高的硬度。
在加ＶＣ的合金中，矫顽磁力要比加Ｃｒ３Ｃ２的合金要高的多。
浅析WC-Co硬质合金研究现状
浅析WC-Co硬质合金研究现状字数：2834来源：中国科技博览2013年31期字体：大中小打印当页正文[摘要]我国一直以来是硬质合金的生产和消费的大国；硬质合金的产量从2003年开始一直稳居世界第一位，我国硬质合金产量达到了整个硬质合金市场产量的20%-30%。
但是现阶段我国并不是硬质合金的生产强国，这主要是由于我国硬质合金产品方面的结构和技术含量以及一些附加值都落后于国外将近10年以上。
这使得我国硬质合金生产主要集中在低档合金产品的生产，而高性能合金的技术和产品很少。
这种情况也为我国发展超细晶硬质合金技术提出了严峻的挑战。
[关键词] WC-Co硬质合金烧结中图分类号：TQ172.6+21.9 文献标识码：TQ 文章编号：1009―914X （2013）31―0607―011 WC-Co硬质合金概述WC-Co硬质合金有着“工业的牙齿”之称，其具有很好的高硬度和抗压强度以及耐磨蚀性和高硬度，在工业上面经常用于高压容器的柱塞和合成金刚石的顶锤和裁纸刀等，在军工、精密仪器和矿山工具、冶金等领域有着非常重要的地位。
航天、军工、精密仪器等行业技术上的迅猛突破，造成WC-Co硬质合金难以跟上这些行业的发展。
因此，能够生产出同时具有高强度和高硬度的纳米复合硬质合金材料的发展变得尤为重要，这样高性能的硬质合金在点阵打印机枕头和微型钻头和难加工材料道具上面有这广发的应用，有着很大的商业利益。
WC晶粒长大直接决定着硬质合金的性能，要想有效的在纳米硬质合金中控制WC晶粒长大，主要关键是对粉末制备额和烧结过程的控制，以及其原始粉末的尺寸。
通常，纳米硬质合金需要的WC粉末明显的要细于常规的WC粉末。
这样，粉末在烧结过程中才能把其能力释放出来，才能使得其快速致密化以及晶粒能够在很短时间内长大。
如何使得晶粒致密化同时防止晶粒过度长大，这需要在烧结过程中增加相应的抑制剂，或者用的烧结方法，比如压力和电磁等方法来控制晶粒长大。
因此，现在关于硬质合金的研究主要在纳米粉末的制备和烧结中如何抑制晶粒长大以及烧结工艺等方面。
世界硬质合金材料技术新进展_余立新
世界硬质合金材料技术新进展余立新＊胡惠勇（苏州江钻新锐硬质合金股份有限公司，中国潜江４３３１２４）摘要对世界硬质合金研究的最新进展作了评述，重点介绍了亚微米和超细晶粒硬质合金、超粗晶粒硬质合金、梯度合金以及硬质合金复合材料的制备方法与应用技术的最新进展。
关键字硬质合金超细晶粒梯度材料复合材料!!!!"!"!!!!"!"综合评述作者简介：余立新，男（１９６６－），博士，苏州江钻新锐硬质合金股份有限公司产品开发所所长，主要从事硬质合金及金属陶瓷复合材料的开发与应用等方面研究工作。
第２３卷第１期２００６年３月Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．１Ｍａｒ．２００６硬质合金ＣＥＭＥＮＴＥＤＣＡＲＢＩＤＥ１前言自２０世纪２０年代德国人ＫａｒｌＳｃｈｒｏｅｔｅｒ发明硬质合金以来，其生产技术、产量和应用范围都得到了极大的发展。
２００４年世界硬质合金的总产量约为３．８万吨［１］；我国的硬质合金产量约为１．５万吨，其中矿用合金生产量约为３３００吨［２］。
尽管硬质合金的生产历史已久，但近年，基于原材料价格上涨、能源越来越紧缺、环境保护意识的增强、硬质合金产品应用领域的拓宽，以及成本降低等多方面因数的促进，硬质合金在近成型技术、涂层技术、工艺稳定性控制技术、硬质合金梯度材料技术、硬质合金非平衡复合材料技术、硬质合金材料成分－结构－性能关系研究等方面都取得了长足的进步［３］。
本文主要讨论亚微米和超细晶粒硬质合金、超粗晶粒硬质合金、梯度合金以及硬质合金－金刚石复合材料技术等方面的进展。
２亚微米和超细晶粒硬质合金［１］按照硬质合金中ＷＣ平均晶粒度的大小，硬质合金可分为：纳米晶粒硬质合金（ＷＣ粒度＜０．２μｍ）；超细晶粒硬质合金（０．２μｍ＜ＷＣ粒度＜０．５μｍ）；亚微米晶粒硬质合金（０．５μｍ＜ＷＣ粒度＜０．８μｍ）；细晶粒硬质合金（０．８μｍ＜ＷＣ粒度＜２．０μｍ）；中晶粒硬质合金（２．０μｍ＜ＷＣ粒度＜５．０μｍ）；粗晶粒硬质合金（５．０μｍ＜ＷＣ粒度＜６．０μｍ）；超粗晶粒硬质合金（ＷＣ粒度＞６．０μｍ）。
硬质合金烧结方法的新进展
硬质合金烧结方法的新进展1前言烧结是硬质合金生产过程的最后一道工序,也是最基本、最关键的一道工序,烧结前工序中的某些缺陷在一定范围内可以通过调整烧结工艺加以纠正,而由烧结造成的废品一般无法通过以后的工序来挽救,因此烧结工艺和装备选择是否恰当,对烧结产品的质量有着决定性的影响。
长久以来,在实际生产中逐渐形成了多种烧结方法,较为传统的包括氢气烧结、真空烧结、热等静压烧结、真空后续热等静压、烧结热等静压等。
80年代纳米结构问世之后,又逐渐形成了新型烧结方法,如微波烧结、放电等离子烧结等。
下面就这几种烧结技术特别是纳米硬质合金烧结技术做一综合介绍。
2氢气烧结将压坯装在石墨舟中,再充填一定含碳量的氧化铝填料或石墨颗粒填料,通常是装入连续推进式的钼丝炉内,在氢气保护下进行烧结,这个过程就是氢气烧结<1 > 。
氢气烧结的特点是:能够提供还原性气氛;需要预烧结来清除压制时添加的成形剂。
氢气烧结虽然曾在较长时期内被广泛采用,甚至目前还有少数厂家采用它,但经过长期实践,人们发现它存在许多不足。
钼丝刚玉管炉的优点是结构简单、炉子功率小、炉管寿命长,但是炉温控制不准、炉内气氛变化大、产品容易渗碳、脱碳。
另外,其烧结过程是在正压下进行的,产品内部的孔隙不能充分得到消除,留有残余孔隙,一些氧化物杂质也不能较好地挥发排除掉<2 > 。
3真空烧结硬质合金的真空烧结始于上世纪三十年代,而到六十年代才获得较大的发展。
所谓真空烧结,就是在负压的气(汽)体介质中烧结压制的过程。
真空烧结与氢气烧结相比,可以提高炉气纯度,同时负压改善了粘结相对硬质相的润湿性。
真空烧结具有如下优点:(1 )能够更好地排除烧结体中Si、Mg、Ca等微量氧化物杂质,从而提高硬质合金的纯度;(2 )真空下气相的渗碳、脱碳作用大大减少,易于保证最终合金的碳含量,控制合金的组织结构;(3)可以降低烧结温度或保温时间,防止碳化物晶粒的不均匀长大;(4)烧结品残留孔隙比氢气烧结少,可提高合金的密度和机械性能;(5 )烧结时产品不用填料隔开和保护,操作简单,而且产品表面无粘附物和白亮的金属铝沉积物。
硬质合金低压烧结工艺的探索
硬质合金低压烧结工艺的探索背景介绍硬质合金是一种具有优异性能的材料，广泛应用于切削工具、磨料工具、钻头等领域。
然而，传统的硬质合金烧结工艺存在一些问题，如高温烧结过程中易产生裂纹、粉末不易压实等。
为了解决这些问题，近年来，低压烧结工艺被引入硬质合金的生产中，取得了良好的效果。
本文将对硬质合金低压烧结工艺进行探索。
低压烧结工艺的原理低压烧结工艺是在传统的高温烧结工艺基础上进行的改进。
该工艺是在相对较低的温度和压力下进行的，能够有效降低硬质合金烧结过程中的应力，减少裂纹的产生。
具体工艺流程如下：1.硬质合金粉末的制备：首先，根据所需的产品要求，将合适的金属粉末混合，并加入适量的粘结剂和稳定剂，经过混合、湿法粉碎、干燥等工序得到合适的硬质合金粉末。
2.模具填充与压实：将制备好的硬质合金粉末填充至模具中，然后施加一定的压力进行初步压实。
这一步骤旨在保证硬质合金粉末的均匀分布和初步的固结。
3.低压烧结过程：将填充好硬质合金粉末的模具放入低压烧结炉中，根据设计要求，控制合适的温度和压力进行烧结过程。
相对于传统高温烧结工艺，低压烧结的温度和压力要求更低，从而减少了产生裂纹的可能性。
4.冷却与脱模：低压烧结过程结束后，将烧结好的硬质合金模具从炉中取出，进行冷却。
待冷却后，使用合适的方法将硬质合金产品从模具中取出，完成脱模操作。
优势与挑战低压烧结工艺相比传统高温烧结工艺具有以下优势：1.减少裂纹的产生：传统高温烧结工艺中，由于温度和压力较高，易导致硬质合金产生内应力，从而产生裂纹。
低压烧结工艺通过降低温度和压力，减小了硬质合金内应力的产生，有效减少了裂纹的发生。
2.增加硬质合金的致密度：低压烧结工艺在初步压实的基础上，通过烧结过程进一步压实硬质合金粉末，提高了硬质合金的致密度，从而提高了其力学性能和耐磨性。
3.环保节能：相对于高温烧结工艺，低压烧结工艺不需要经过高温环境，减少了能源的消耗，同时也减少了对环境的污染。
硬质合金烧结变形及控制方法
硬质合金烧结变形及控制方法摘要：硬质合金烧结变形及其控制方法是硬质合金制造领域的一个重要研究方向。
本文通过对硬质合金材料的组成和制备工艺进行综述，分析了烧结变形的成因和影响因素。
在此基础上，提出了一系列控制方法，包括优化烧结工艺参数、改进烧结模具设计、合理选择烧结添加剂等。
同时，本文通过实际案例分析，验证了这些控制方法的有效性。
研究结果表明，通过合理控制烧结过程中的变形，可以显著提高硬质合金材料的性能和质量，为硬质合金制造提供了理论依据和技术支持。
关键词：硬质合金、烧结变形、控制方法、制备工艺、烧结工艺参数引言：硬质合金是一种重要的工程材料，在机械、航空航天、石油化工等领域具有广泛的应用。
硬质合金的制备过程中，烧结是一个关键的工艺步骤，它决定了硬质合金材料的性能和质量。
然而，烧结过程中常常会出现各种变形问题，如开裂、弯曲等，严重影响了硬质合金的制造效率和质量稳定性。
因此，研究硬质合金烧结变形及其控制方法具有重要的理论意义和实际价值。
一、硬质合金的组成和制备工艺1.1 硬质合金的组成硬质合金通常由两个主要组分组成：金属碳化物和粘结相。
金属碳化物主要是钨碳化物（WC），它具有高硬度、高熔点和良好的耐磨性。
粘结相通常是钴（Co）或镍（Ni），它的作用是将金属碳化物颗粒牢固地粘结在一起，并提供一定的韧性和冲击强度。
此外，硬质合金还可能含有其他元素或添加剂，如钛（Ti）、铌（Nb）、钼（Mo）等，以进一步改善其性能。
1.2 硬质合金的制备工艺硬质合金的制备工艺通常包括粉末混合、成型和烧结三个主要步骤。
首先，将金属碳化物粉末和粘结相粉末按照一定的配比进行混合，通常使用球磨或干法混合的方法，以确保两种粉末均匀混合。
然后，将混合粉末通过成型工艺，如压制、注射成型等，制备成所需的形状，如板材、棒材、刀片等。
最后，成型体经过烧结工艺，即在高温下进行加热处理，以使金属碳化物颗粒结合成整体。
烧结过程中，首先进行预烧结，将成型体加热至金属碳化物颗粒开始颗粒间结合的温度。
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硬质合金烧结方法的新进展
1 前 言烧结是硬质合金生产过程的最后一道工序 ,也是最基本、最关键的一道工序,烧结前工序中的某些缺陷在一定范围内可以通过调整烧结工艺加以纠正 ,而由烧结造成的废品一般无法通过以后的工序来挽救 ,因此烧结工艺和装备选择是否恰当,对烧结产品的质量有着决定性的影响。
长久以来 ,在实际生产中逐渐形成了多种烧结方法 ,较为传统的包括氢气烧结、真空烧结、热等静压烧结、真空后续热等静压、烧结热等静压等。
80年代纳米结构问世之后,又逐渐形成了新型烧结方法,如微波烧结、放电等离子烧结等。
下面就这几种烧结技术特别是纳米硬质合金烧结技术做一综合介绍。
2 氢气烧结将压坯装在石墨舟中 ,再充填一定含碳量的氧化铝填料或石墨颗粒填料,通常是装入连续推进式的钼丝炉内,在氢气保护下进行烧结,这个过程就是氢气烧结<1 > 。
氢气烧结的特点是 :能够提供还原性气氛 ;需要预烧结来清除压制时添加的成形剂。
氢气烧结虽然曾在较长时期内被广泛采用,甚至目前还有少数厂家采用它 ,但经过长期实践 ,人们发现它存在许多不足。
钼丝刚玉管炉的优点是结构简单、炉子功率小、炉管寿命长,但是炉温控制不准、炉内气氛变化大、产品容易渗碳、脱碳。
另外 ,其烧结过程是在正压下进行的 ,产品内部的孔隙不能充分得到消除 ,留有残余孔隙 ,一些氧化物杂质也不能较好地挥发排除掉<2 > 。
3 真空烧结硬质合金的真空烧结始于上世纪三十年代 ,而到六十年代才获得较大的发展。
所谓真空烧结 ,就是在负压的气(汽)体介质中烧结压制的过程。
真空烧结与氢气烧结相比,可以提高炉气纯度,同时负压改善了粘结相对硬质相的润湿性。
真空烧结具有如下优点 :(1 )能够更好地排除烧结体中Si、Mg、Ca等微量氧化物杂质 ,从而提高硬质合金的纯度;(2 )真空下气相的渗碳、脱碳作用大大减少,易于保证最终合金的碳含量,控制合金的组织结构;(3)可以降低烧结温度或保温时间,防止碳化物晶粒的不均匀长大;(4)烧结品残留孔隙比氢气烧结少,可提高合金的密度和机械性能;(5 )烧结时产品不用填料隔开和保护 ,操作简单 ,而且产品表面无粘附物和白亮的金属铝沉积物。
其缺点是 :其产品内部有少量孔隙和缺陷。
4 热等静压法用真空烧结法制备硬质合金 ,产品内部的残余孔隙和缺陷一直是人们关注和深入探索的问题 ,而热等静压正是解决这一问题的有效方法。
把粉末压坯和装入特制容器内的粉末体(即粉末包套)置入热等静压机高压容器中,施以高温和高压,使这些粉末被压制和烧结成致密的零件或材料的过程称为粉末热等静压烧结工艺<3> 。
粉末热等静压的工艺原理是 ,粉末体 (粉末压坯或包套内的粉末 )在等静压高压容器内同时经受高温和高压的联合作用 ,强化了
压制与烧结过程,降低了制品的烧结温度,改善了制品的晶粒结构,消除了材料内部颗粒间的缺陷和孔隙,提高了材料的致密度和强度。
早在1 95 5年,美国巴持尔哥伦布研究所就着手热等静压技术的研究。
肯纳金属公司也于1 967年安装了第一台加热腔体为2 77mm×1 2 70mm、温度可达 1 5 0 0℃、压力可达 1 4 0MPa的热等静压机 ,率先把热等静压技术成功地应用于硬质合金生产。
自此以后,热等静压技术在国外特别是在美国得到了迅速发展。
从热等静压烧结技术问世以来,又先后出现了真空烧结后续热等静压、烧结 -热等静压等技术。
4 1 真空烧结后续热等静压工艺硬质合金制品经真空(或氢气)烧结后,可以消除压坯中的孔洞 ,基本完成致密化过程。
不过 ,为了进一步提高硬质合金的密度和抗弯强度,可进行后续热等静压处理,以消除微孔,并使残留石墨溶解于液相,通过扩散来消除石墨相。
真空烧结后续热等静压工艺就是产品先经传统的真空烧结,然后再进行热等静压。
也即是将烧结好的产品或者是烧结到密度高于 92 %理论密度的产品 ,再在压力为 80～ 1 5 0MPa、惰性气体为加压介质、温度为 1 32 0～ 1 4 0 0℃的热等静压机中处理一定时间<4,5> 。
这种方法生产的产品特点是:制品形状、硬质合金种类不受限制,产品表面光洁度好,可降低或消除孔隙,成分和硬度分布均匀,可以提高抗弯强度。
这种技术也存在缺陷:(1 )尽管热等静压温度比真空烧结温度要略低 ,但对产品来说即是再一次烧结 ,在液相温度或高于液相温度下 ,碳化钨通过液相重结晶而长大 ,引起合金内部碳化钨晶粒大小分布不均匀 ,粗大的碳化钨晶粒起着断裂源的作用 ,使合金强度降低 ;(2 )烧结时 ,使用的压力高 (1 0 0MPa以上 ) ,设备的设计复杂 ,费用昂贵 ,维护难度大 ,操作较复杂 ;(3)由于压力高 ,易引起液相Co的运动和迁移 ,被挤压填充到合金的空洞或孔隙内,形成“钴池” ,引起粘结相在合金内部分布不均匀的现象;(4)热等静压时,产品被搁置在石墨板或难熔金属网格上 ,并与加压气体接触 ,因而产品表层不可避免会和石墨及惰性气体中的O2 、N2 、H2 O、CO2 、CO、CH4等气体作用而发生成分和结构的变化。
4 2 烧结-热等静压法(Sinter HIP)烧结热等静压法又称过压烧结(OverPressureSintering)或低压热等静压工艺,是在低于常规热等静压的压力(大约6MPa)下对工件同时进行热等静压和烧结的工艺,自1 984年德国Degussa公司设计和制造出第一台真空烧结热等静压炉<6>以来,这一工艺已逐渐为世界上很多硬质合金厂家所采用。
它将产品的成型剂脱除、烧结和热等静压合并在同一设备中进行,即将工件装入真空烧结等静压炉 ,在较低温度下低压载气 (如氢气等 )脱蜡后 ,在 1 35 0～1 4 5 0℃进行真空烧结一段时间,接着在同一炉内进行热等静压,采用氩气作为压力介质,压制压力为6MPa左右,再保温一定时间,然后进
行冷却<7> 。
烧结-热等静压与真空烧结及真空烧结后续热等静压相比有很多优点:(1 )由于烧结-热等静压工艺是在真空烧结温度下直接加压保压,所以有利于基体中WC晶粒的粘性流动,有利于孔洞的收缩和消失,既能达到真空烧结后续热等静压工艺能够取得的良好效果,还能克服常规热等静压处理后易于出现的“钴池” ,“粗晶”等组织缺陷。
(2 )与真空烧结相比,碳平衡容易控制,可校正压制品中缺碳或碳过剩的问题,可以减少合金内部孔隙,对其强度、硬度等性能指标有不同程度的提高。
表1为用各种工艺制得的试样性能比较。
(3)所使用的压力为真空烧结后续热等静压的 1 /1 0 0 ,且烧结 -热等静压工艺中的几道工序在同一台炉体中依次进行 ,节省了大量设备投资 ,其加工处理费用比真空烧结后续热等静压工艺低1倍,且产品使用寿命可大幅度提高。
表1 用各种工艺制得的试样性能性 能WC -1 5CoWC -2 0Co真空烧结真空烧结 +热等静压烧结 -热等静压真空烧结真空烧结 +热等静压抗弯强度 /MPa 2 80 0 30 0 0 32 0 0 2 90 0 2 30 0硬度 /HRA 87 2 87 2 87 485 5 85 0密度/g·cm- 3 1 4 0 0 1 4 0 7 1 4 0 7 1 3 5 0 1 3 5 0晶粒度 / μm 2 0 2 2 1 83 0 3 5空隙度 / % 0 1 0 <0 1 <0 1 0 1 <0 15 微波烧结微波烧结是利用在微波电磁场中材料的介质损耗使烧结体整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结新技术<8> 。
常规烧结依靠发热体通过对流、传导、辐射传热,材料受热从外向内,烧结时间相对较长,晶粒较易长大。
微波烧结是依靠材料本身吸收微波能转化为材料内部分子的动能和势能,材料内外同时均匀加热 ,这样材料内部热应力可以减少到最小程度 ,其次在微波电磁能作用下,材料内部分子或离子的动能增加,使烧结活化能降低,扩散系数提高,可以进行低温快速烧结,使细粉来不及长大就已被烧结<9～ 1 1 > 。
图 1为德国的Monika小组通过对WC 6Co硬质合金的微波烧结和传统烧结致密化的比较<1 2 > ,微波烧结的致密化程度明显比传统烧结要快。
从图中可以看出在低于W C Co三元共晶点 1 5 0℃的温度时已明显致密化。
微波烧结和常规烧结WC Co硬质合金的SEM显微结构<1 3> 见图2和图3。
从图中可看出:同一批WC Co硬质合金生坯样品 ,微波烧结的制品比常规烧结制品的平均晶粒度要小 1 /2左右 ,这是因为微波烧结温度低、时间短 ,使晶粒来不及长大就已被烧结 ,同时由于微波的均匀加热特性使WC Co晶粒更加均匀细小,使材料的硬度、抗弯强度和矫顽磁力均获提高。
图1 WC 6Co硬质合金的微波烧结和传统 烧结工艺致密化过程比较图图2 微波烧结硬质合金的SEM图1 30 0℃ ,保温 1 0min 微波烧结无疑是制备细晶材料的有效手段之一,目前存在的主要问题是制备适用于硬质合金生产的大功率微波炉仍有较大的困难,这种烧结工艺还没有大量应用于工业生产。
图3 常规烧
结硬质合金的SEM图1 46 0℃,保温6 0min6 放电等离子烧结法放电等离子烧结 (SparkPlasmaSintering ,简称SPS) <1 4～ 1 6> 是一种快速烧结新工艺 ,它在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结 ,是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程,通过瞬时产生的放电等离子使烧结。