SHS制备钢结硬质合金
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［’ , P］ 。目前， 日本、 美国等先后开发了多种 首选材料 如 ()+$ , ()*， ()+$材料， ()+$ , ()-， ()+$ , ()* , !)*
等二元、 三元复合硬质相， 这些硬质材料在金属工具 方面应用广泛， 近年来已成研究热点， 尤其作为钢结
［Q , R］ 硬质合金的硬质相受到广泛关注 。
本实验研究的 !" # $， !" # %& 和 !" # %’ $ 三个反应 体系的绝热温度及最大稀释剂含量。原料中加入了 少量 -.、 （质量分数 : 57; ） ， 为了简化 &" 或 $, 元素 计算， 均以 *+ 来表示。 反应式如下： 假定最大铁含量是 <=.>， !" # $ 系 !" ? $ ? @*+ A !"$ ? @*+ !" # %& 系 9!" ? B%& ? <*+ A B!"& ? !"%B ? <*+ !" # %’ $ 系 9!" ? %’ $ ? <*+ A !"$ ? B!"%B ? <*+ 现将以上三个 ()( 反应体系容许加入的 *+ 含 量的计算结果列于表 5。
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自蔓延高温合成 （ (+>H # I,.J/K/L"3K )"K2 # !+=M 制 备 以 钢 为 粘 结 相， J+,/LN,+ (O3L2+P"P ） !"$、 !"%B # !"%B # !"& 为硬质相的原料粉末。加入 -.、 $,、 !"$、
［Q6］ 。 &" 等合金元素以改善钢对硬质相的润湿性 传统钢结合金的制取方法均是将原生 !"$ 等粉
F 前言
钢结合金综合了钢与硬质合金各自的特点， 构 成了自己独特的性能， 成为一种介于钢和硬质合金 之间的工程材料， 从而填补了它们之间的空白， 得到 了越来越广泛的应用， 也得到深入研究。 钢结合金发展的最突出的表现是硬质相的多元
［#］ 化和生产手段的多样化 。钢结合金的硬质相已由
相， 如 ()+$ 、 ()-、 ()*- 等及它们的复合硬质相具有 一系列优点， 赋予合金更为优异的使用性能， 特别是 具有高硬度、 高熔点、 高杨氏模量， 相当好的高 ()+$ ， 温强度， 好的化学稳定性， 是耐磨零件， 切削工具的
最初 的 单 一 ()* 相 发 展 到 现 在 的 M*、 M* , ()*、 ()-、 ()*-、 ()* , N>$ O’ 、 ()+$ 、 ()+$ , ()-、 ()+$ , ()*、 并在实际应用中获得了 =8$ ./+$ 等多种新型硬质相， 良好的效果。另外， 钢结合金的生产有常规粉末冶 金方 法、 浸 渍 法、 热 压 法， 目前又使用了热等静压 （"I:） 、 烧结等静压 （ !)75/4 , "I:） 及自蔓延离心 （ !"! 法。 , 离心） 钢结合金开始主要是 ()* 和 M* 两大系列。但 ［$］ !郭志猛 近年来， 据国外对钢结合金的研究表明 ： 新型硬质
粉末冶金技术
B775 年第 5G 卷
第B期
先需要对三种放热反应体系 （ !" # $， !" # %&， !" # %’ 进行热力学计算， 以确定反应是否能够进行 ()(， $） 在认为体系中元素 *+、 所允许 $,、 -. 不参与反应时， 加入的最大含量。从而确定 ()( 反应体系中各相 的成分。 为了判断所设计的反应体系能否自我维持反 应， 需首先对反应体系的放热情况进行分析， 得到其 绝热温度值 !/0。根据 -+,12/3.4 等人的经验判据， ()( 反应自我持续完成的最低绝热温度为 56778。
图5
!"$ 颗粒尺寸与 R*+的变化曲线
末与钢粉混合、 压形、 烧结。其中， !"$ 颗粒与 *+ 的 润湿性不良一直是影响钢结合金组织性能的关键。 即使在加入少量合金元素后， 也未能完全改善其润 工艺， 通过 湿性。本文采用自蔓延高温合成 （ ()(） 硬质相从 !" 与 $、 %&、 %’ $ 反应生成相应的硬质相， 液相中析出， 形成 *+ 包覆硬质相颗粒的理想组织， — B 万方数据 —
粉末冶金技术
$%%# 年第 #R 卷
Βιβλιοθήκη Baidu
第$期
!"! 制备钢结硬质合金
郭志猛!#） 杨蔓#） 蔡静$） 王海英#）
（科技大学粉末室， 北京 #） （钢铁研究总院， 北京 $） #%%%&’） #%%%&#）
摘要：
采用自蔓延高温合成技术， 结合粉末冶金烧结工艺制备了 ()*、 ()+$ , ()-、 ()+$ , ()* 基钢结硬质合
% 相对密度 ( $ 硬度 )*+ ,! - # ./ - ! &" % ,# - " 0. - . &’ ,1 - 2 0. - 1
!//2 年第 2, 卷
第!期
参考文献
2 ! 李沐山 - 国外钢结硬质合金新进展 - 硬质合金， （!） ： 2,,"， 22 2/# 8 22" :7;<=> :?*@A+:+- :5BCD;7BDE D;F GE5BH=7BDE I=<J5=H75K <L I=5KK>=5E5KK 37;H5=5F 67’ 8 67&! 3MKH5N - O<>=DE <L HC5 %5=DN7B 3<B75HM <L ODJD; ， （.） ： 2,,#， 2/9 .." 8 .", 9 %- &- 47;BC， %- 3- A>KH D;F Q- R- %ED=S- 3B75;B5 <L )D=F P- O- 65;;5=M， :DH5=7DEK， 5F7H5F TM *- U- P7KVD;DFCDN， W- O- *<VBE7LL5 D;F O- Q>=ED;F 2,.9： .,2 " X- 3- 37YE， U- +- 3BCV5HZ- %<;H7;><>K 6>=;7;Y V7HC 67&! %5=N5HK： I=5E7N7[ ;D=M %>HH7;Y 65KHK- @;H - O- *5L=DBH<=M :5HDEK \ )D=F :DH5=7DEK- ，2,,9 8 2!： ,# 8 ,, 2,,"， # 6>LL5， 3- ， W>K<7K， O- ， 4D;H<ZZ7， Q \ &D=T75=， Q- W5;K7L7BDH7<;， :7B=<KH=>[ H>=5 D;F :5BCD;7BDE I=<J5=H7K <L 67&! 8 &" % &DK5F %<NJ<K7H5K- @;H - O- *5[ L5= :5HDEK \ )D=F :DH5= - ， 2,,1， 2"： 9/# 8 92/ 1 0 . @ - \ U;Y， G- G]DE>DH7<; <L T7;F5= JCDK5K L<= CD=FN5HDE KMKH5NK 3N7F， TDK5F <; 67&! - @;H - O- *5L= - :5HDEK \ )D=F :DH5= - ， 2,..， .： 29# 8 29. X- 3- \ 3BCV5HZ， U- +- 67&! 8 TDK5F B5N5;5F T<=7F5K： D ;5V Y5;5=D[ 37YE， H7<; <L CD=F 8 N5HDEK- I<V5= :5H - @;- 2,,2， !9： !!2 8 !!" O>;YE7;Y， 6C- ， ?T5=DBS5=， *- ， 6C>NNE5=， 4- ， 37YE， X- 3- \ 3BCV5HZ， U2,,2， +- I=5KK>=5E5KKK7;H5=7;Y <L 67&! 8 45 NDH5=7DEK- I<VF5= :DH - @;H - ， !9： !,1 8 9// , 2/ X- 3- \ O>;YE7;Y， 6C- GLL5BHK <L BD=T<; D;F <^MY5; KJ5B75K <; HC5 K7;[ 37YE， H5=7;Y <L 67&! 8 45 B5=N5HK- O- )D=F :DH5= - ， 2,,!， 9： 9, 8 #2 A>=7F7HKSM， &- 67&! 8 TDK5F B5=N5HK- @;H - O- *5L= :5HDEK \ )D=F :DH5= - ， 2,,/， 2/： 9! 8 9# -
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将 ()( 制备的原料粉末经冷压后的压坯在钼 丝炉中， 以 )B 为保护气氛， 在 59775D77S 烧结。由 表 B 可知， !" ? $ ? <*+、 9!" ? B%& ? <*+、 9!" ? %’ $ ? 三种系列烧结材料在 气氛中烧结， 烧结密 <*+ )B
粉末冶金技术 表! 烧结材料的性能 （铁加入量均为 "#$ ）
本文所研究和设计的钢基复合材料是采用反应 合成工艺制备出以钢为粘结相， ()*、 ()+$ , ()*、 ()+$ , ()- 为硬质相的复合材料。
G
!"! 体系的热力学分析
万方数据
采用 自 蔓 燃 高 温 合 成 （ !"!） 法 分 别 制 取 ()*、 首 ()+$ , ()-、 ()+$ , ()* 为硬质相的钢基原料粉末， — # —
表5 （*+） 量 ()( 体系的 !/0和最大稀释剂
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反应体系 !" # $ !" # %& !" # %’ $
!/0 C 8 9B57 B6D7 9D57
! 实验方法
［9］ 根据与本实验相关物质的热力学数据 ， 计算
从而达到改善组织性能的目的。 制取 将 ()( 制备的原料粉末经冷压、 )B 烧结， 钢基复合材料。
"
结果和讨论
呈灰色， 材质脆， 圆 ()( 合成的产物为多孔体， 柱状压坯经反应后有不同程度的扭曲变形和分层， 较易破碎。 上述体 ()( 产物的 @ 射线衍射分析结果表明， 系经 ()( 后的产物分别为： !"$， !"%B 、 !"&， !"%B 、 !"$。 由图 5 可知， 随着 *+ 含量的增加， !"$ 颗粒尺寸 逐渐减小。当 ! !"$ 颗粒大约为 B797 =， *+ A D; 时， " 而! 时， 仅为 ， 这是由于 发生后， 5B = ()( *+ A D7; " 钛铁熔化形成液相， 通过扩散进入到液相后与 $ !" 反应生成 !"$。 当铁的加入量少时， !" 的浓度高， !"$ 易于析出 长大， 形成较粗大的 !"$ 颗粒； 而当铁的加入量多 时， 因而形 !" 的浓度低， !"$ 的析出长大相对较难， 成细小的 !"$ 颗粒。 另一方面， 当铁的加入量少时， 燃烧温度高， 液 相存留时间长， 使得扩散进行得完全， 有利于 !"$ 颗 粒的长大。因此， !"$ 颗粒大小与原始钛粉粒度无 关。
等二元、 三元复合硬质相， 这些硬质材料在金属工具 方面应用广泛， 近年来已成研究热点， 尤其作为钢结
［Q , R］ 硬质合金的硬质相受到广泛关注 。
本实验研究的 !" # $， !" # %& 和 !" # %’ $ 三个反应 体系的绝热温度及最大稀释剂含量。原料中加入了 少量 -.、 （质量分数 : 57; ） ， 为了简化 &" 或 $, 元素 计算， 均以 *+ 来表示。 反应式如下： 假定最大铁含量是 <=.>， !" # $ 系 !" ? $ ? @*+ A !"$ ? @*+ !" # %& 系 9!" ? B%& ? <*+ A B!"& ? !"%B ? <*+ !" # %’ $ 系 9!" ? %’ $ ? <*+ A !"$ ? B!"%B ? <*+ 现将以上三个 ()( 反应体系容许加入的 *+ 含 量的计算结果列于表 5。
度都达到了 ,/$ 以上， 而在传统工艺中， 在 )! 烧结 气氛下是难以烧结的， 说明用 3)3 制备的原料粉末 的烧结性有很大改善。
自蔓延高温合成 （ (+>H # I,.J/K/L"3K )"K2 # !+=M 制 备 以 钢 为 粘 结 相， J+,/LN,+ (O3L2+P"P ） !"$、 !"%B # !"%B # !"& 为硬质相的原料粉末。加入 -.、 $,、 !"$、
［Q6］ 。 &" 等合金元素以改善钢对硬质相的润湿性 传统钢结合金的制取方法均是将原生 !"$ 等粉
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钢结合金综合了钢与硬质合金各自的特点， 构 成了自己独特的性能， 成为一种介于钢和硬质合金 之间的工程材料， 从而填补了它们之间的空白， 得到 了越来越广泛的应用， 也得到深入研究。 钢结合金发展的最突出的表现是硬质相的多元
［#］ 化和生产手段的多样化 。钢结合金的硬质相已由
相， 如 ()+$ 、 ()-、 ()*- 等及它们的复合硬质相具有 一系列优点， 赋予合金更为优异的使用性能， 特别是 具有高硬度、 高熔点、 高杨氏模量， 相当好的高 ()+$ ， 温强度， 好的化学稳定性， 是耐磨零件， 切削工具的
最初 的 单 一 ()* 相 发 展 到 现 在 的 M*、 M* , ()*、 ()-、 ()*-、 ()* , N>$ O’ 、 ()+$ 、 ()+$ , ()-、 ()+$ , ()*、 并在实际应用中获得了 =8$ ./+$ 等多种新型硬质相， 良好的效果。另外， 钢结合金的生产有常规粉末冶 金方 法、 浸 渍 法、 热 压 法， 目前又使用了热等静压 （"I:） 、 烧结等静压 （ !)75/4 , "I:） 及自蔓延离心 （ !"! 法。 , 离心） 钢结合金开始主要是 ()* 和 M* 两大系列。但 ［$］ !郭志猛 近年来， 据国外对钢结合金的研究表明 ： 新型硬质
粉末冶金技术
B775 年第 5G 卷
第B期
先需要对三种放热反应体系 （ !" # $， !" # %&， !" # %’ 进行热力学计算， 以确定反应是否能够进行 ()(， $） 在认为体系中元素 *+、 所允许 $,、 -. 不参与反应时， 加入的最大含量。从而确定 ()( 反应体系中各相 的成分。 为了判断所设计的反应体系能否自我维持反 应， 需首先对反应体系的放热情况进行分析， 得到其 绝热温度值 !/0。根据 -+,12/3.4 等人的经验判据， ()( 反应自我持续完成的最低绝热温度为 56778。
图5
!"$ 颗粒尺寸与 R*+的变化曲线
末与钢粉混合、 压形、 烧结。其中， !"$ 颗粒与 *+ 的 润湿性不良一直是影响钢结合金组织性能的关键。 即使在加入少量合金元素后， 也未能完全改善其润 工艺， 通过 湿性。本文采用自蔓延高温合成 （ ()(） 硬质相从 !" 与 $、 %&、 %’ $ 反应生成相应的硬质相， 液相中析出， 形成 *+ 包覆硬质相颗粒的理想组织， — B 万方数据 —
粉末冶金技术
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Βιβλιοθήκη Baidu
第$期
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郭志猛!#） 杨蔓#） 蔡静$） 王海英#）
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第!期
参考文献
2 ! 李沐山 - 国外钢结硬质合金新进展 - 硬质合金， （!） ： 2,,"， 22 2/# 8 22" :7;<=> :?*@A+:+- :5BCD;7BDE D;F GE5BH=7BDE I=<J5=H75K <L I=5KK>=5E5KK 37;H5=5F 67’ 8 67&! 3MKH5N - O<>=DE <L HC5 %5=DN7B 3<B75HM <L ODJD; ， （.） ： 2,,#， 2/9 .." 8 .", 9 %- &- 47;BC， %- 3- A>KH D;F Q- R- %ED=S- 3B75;B5 <L )D=F P- O- 65;;5=M， :DH5=7DEK， 5F7H5F TM *- U- P7KVD;DFCDN， W- O- *<VBE7LL5 D;F O- Q>=ED;F 2,.9： .,2 " X- 3- 37YE， U- +- 3BCV5HZ- %<;H7;><>K 6>=;7;Y V7HC 67&! %5=N5HK： I=5E7N7[ ;D=M %>HH7;Y 65KHK- @;H - O- *5L=DBH<=M :5HDEK \ )D=F :DH5=7DEK- ，2,,9 8 2!： ,# 8 ,, 2,,"， # 6>LL5， 3- ， W>K<7K， O- ， 4D;H<ZZ7， Q \ &D=T75=， Q- W5;K7L7BDH7<;， :7B=<KH=>[ H>=5 D;F :5BCD;7BDE I=<J5=H7K <L 67&! 8 &" % &DK5F %<NJ<K7H5K- @;H - O- *5[ L5= :5HDEK \ )D=F :DH5= - ， 2,,1， 2"： 9/# 8 92/ 1 0 . @ - \ U;Y， G- G]DE>DH7<; <L T7;F5= JCDK5K L<= CD=FN5HDE KMKH5NK 3N7F， TDK5F <; 67&! - @;H - O- *5L= - :5HDEK \ )D=F :DH5= - ， 2,..， .： 29# 8 29. X- 3- \ 3BCV5HZ， U- +- 67&! 8 TDK5F B5N5;5F T<=7F5K： D ;5V Y5;5=D[ 37YE， H7<; <L CD=F 8 N5HDEK- I<V5= :5H - @;- 2,,2， !9： !!2 8 !!" O>;YE7;Y， 6C- ， ?T5=DBS5=， *- ， 6C>NNE5=， 4- ， 37YE， X- 3- \ 3BCV5HZ， U2,,2， +- I=5KK>=5E5KKK7;H5=7;Y <L 67&! 8 45 NDH5=7DEK- I<VF5= :DH - @;H - ， !9： !,1 8 9// , 2/ X- 3- \ O>;YE7;Y， 6C- GLL5BHK <L BD=T<; D;F <^MY5; KJ5B75K <; HC5 K7;[ 37YE， H5=7;Y <L 67&! 8 45 B5=N5HK- O- )D=F :DH5= - ， 2,,!， 9： 9, 8 #2 A>=7F7HKSM， &- 67&! 8 TDK5F B5=N5HK- @;H - O- *5L= :5HDEK \ )D=F :DH5= - ， 2,,/， 2/： 9! 8 9# -
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将 ()( 制备的原料粉末经冷压后的压坯在钼 丝炉中， 以 )B 为保护气氛， 在 59775D77S 烧结。由 表 B 可知， !" ? $ ? <*+、 9!" ? B%& ? <*+、 9!" ? %’ $ ? 三种系列烧结材料在 气氛中烧结， 烧结密 <*+ )B
粉末冶金技术 表! 烧结材料的性能 （铁加入量均为 "#$ ）
本文所研究和设计的钢基复合材料是采用反应 合成工艺制备出以钢为粘结相， ()*、 ()+$ , ()*、 ()+$ , ()- 为硬质相的复合材料。
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!"! 体系的热力学分析
万方数据
采用 自 蔓 燃 高 温 合 成 （ !"!） 法 分 别 制 取 ()*、 首 ()+$ , ()-、 ()+$ , ()* 为硬质相的钢基原料粉末， — # —
表5 （*+） 量 ()( 体系的 !/0和最大稀释剂
反应产物 !"$ !"& !"%B 、 !"$ !"%B 、 最大稀释剂 ! *+ C ; E9 F 6B D9 F 99 EG F 5’
反应体系 !" # $ !" # %& !" # %’ $
!/0 C 8 9B57 B6D7 9D57
! 实验方法
［9］ 根据与本实验相关物质的热力学数据 ， 计算
从而达到改善组织性能的目的。 制取 将 ()( 制备的原料粉末经冷压、 )B 烧结， 钢基复合材料。
"
结果和讨论
呈灰色， 材质脆， 圆 ()( 合成的产物为多孔体， 柱状压坯经反应后有不同程度的扭曲变形和分层， 较易破碎。 上述体 ()( 产物的 @ 射线衍射分析结果表明， 系经 ()( 后的产物分别为： !"$， !"%B 、 !"&， !"%B 、 !"$。 由图 5 可知， 随着 *+ 含量的增加， !"$ 颗粒尺寸 逐渐减小。当 ! !"$ 颗粒大约为 B797 =， *+ A D; 时， " 而! 时， 仅为 ， 这是由于 发生后， 5B = ()( *+ A D7; " 钛铁熔化形成液相， 通过扩散进入到液相后与 $ !" 反应生成 !"$。 当铁的加入量少时， !" 的浓度高， !"$ 易于析出 长大， 形成较粗大的 !"$ 颗粒； 而当铁的加入量多 时， 因而形 !" 的浓度低， !"$ 的析出长大相对较难， 成细小的 !"$ 颗粒。 另一方面， 当铁的加入量少时， 燃烧温度高， 液 相存留时间长， 使得扩散进行得完全， 有利于 !"$ 颗 粒的长大。因此， !"$ 颗粒大小与原始钛粉粒度无 关。