烧结工艺对硬质合金性能的影响

烧结工艺对硬质合金性能的影响

【摘要】采用高能球磨机制备超细WC-Co复合粉，通过控制不同的球磨时间获得粉体，分别用放电等离子烧结和真空烧结工艺来制取硬质合金。利用分析天平、扫描电镜等设备，系统的进行烧结方法对硬质合金的硬度、密度、抗弯强度等性能以及显微组织结构影响的研究。实验结果表明：放电等离子烧结跟真空烧结相对比，可以有效地减少合金孔隙，使硬质合金的组织结构更加致密，从而也能够提高硬质合金的各项物理机械性能指标，球磨50h，在1200℃，可以获得密度为14.32g/cm3，洛氏硬度HRA90.4，抗弯强度为2100MPa的综合性能较为优越的硬质合金。

【关键词】烧结工艺，硬质合金，性能

【Abstract】窗体顶端

【Abstract】High energy ball mill for Ultrafine WC-Co composite powder, the powder obtained by controlling the milling time is not, respectively, with spark plasma sintering and vacuum sintering process for the preparation of cemented carbide. Utilization of balance, scanning electron microscopy and other equipment, to study the system performance and the impact of sintering of cemented carbide microstructure hardness, density, flexural strength right. The results show that: the discharge plasma sintering compared with vacuum sintering, can effectively reduce the porosity alloy, carbide organizational structure is more dense, so it is possible to improve the quality of the physical and mechanical performance of the alloy, milling 50h, at 1200℃can obtain a density of 14.32g/cm3, Rockwell hardness HRA90.4, 2100MPa flexural strength of overall performance is more superior carbide.

【Key word】Sintering Process，Cemented carbide，Performance

第一章绪论

1.1硬质合金及发展、研究现状

1.1.1硬质合金

硬质合金是指利用高硬度、高弹性模量以及难熔金属碳化物（例如TiC、WC等)做为基体，再使用渡族金属(通常是Fe、Ni、Co等)做为粘结剂，采用粉末冶金的方法而制备成的多相复合材料。该复合材料具备各种优点，如有较高的硬度、良好的耐磨性，热稳定性好等，因此，在现今的工具材料中，耐高温材料、以及耐磨材料跟耐腐蚀材料获得的普遍应用，被誉为“工业的牙齿”。而当中的超细WC-Co硬质合金，拥有的晶粒度更为细小，跟具有相同成分的普通硬质合金相比，其洛氏硬度HRA要高出1.5~2MPa，在室温下，抗弯强度更是高出700-1500MPa。高温硬度比普通合金同样要好出许多，从而能够在难加工材料乃至高科技领域中大放光芒，获得广泛利用。

高硬度硬质合金（HRA 86 ~ 93），强度高，耐磨性和韧性好，耐高温，耐腐蚀等优良的物理和化学性质，它不仅可用于各种五金工具，刀具材料，精密轴承，耐磨零件和缸套，也广泛用于采矿和机械破碎工具地质钻探作业，包括锤，钎片，刮刀，刀，钻头，球齿板，眼镜，李宁板和板锤，因此，它是矿山隧道工程，世界石油勘探，地质勘探和煤矿挖中起着至关重要的材料之一。

然而，硬质合金也有一些缺点，如在硬质合金的长过程中的应用，比较大的脆性，难以形成复杂形状的一整套工具，通常由硬质合金与不同形状的叶片，通过采用焊接和粘接等方法来安装在刀体或者工具上使用。其中的截齿是直接对岩石进行切割的零部件。在切割岩石，常伴随有脱落，刀头磨损，牙齿断裂，断裂失效形等一系列损伤，情况尤为严重，其原因除了对钻井环境相当恶劣外，更为重要的是因为硬质合金的耐磨性和冲击韧性无法很好的满足服役要求。于是开发出具有高韧性兼具高硬度的新型硬质合金是首当其冲。

1.1.2 WC-Co硬质合金的发展

传统方法制备粉末的基本步骤为：首先把钨粉跟炭黑一起均匀混合，并在温度为1400～1600 ℃下进行碳化，制得所需的WC粉。之后跟钴粉混合、研磨而制备而成。这种方式存在缺点，它是WC-Co粉末获得小于一微米的尺寸很难，典型的粒径一般在1-10微米，而且有较大脆性。最近几年，伴随着对超细甚至是纳米级合金的研究不断深入，越来越多的超细硬质合金制备工艺被开发出了，生产出硬质合金超微结构材料。第一种是化学沉淀法：让钴盐和钨盐能在液相情况下共沉淀，之后采用渗碳技术，使得沉淀物能够在低温的条件下彻底分解，从而制备得到分散性好且活性高的钨钴化合物的前驱体，最后利用固定床或流化床把它还原碳化成超细的WC-Co复合粉末。第二种是直接还原碳化

法：将原料直接还原碳化钨或钨的化合物，碳黑和一氧化碳或天然气作为还原剂和炭化料的还原，还原和碳化，让还原跟碳化同时进行。这种制备方法是目前使用最广泛的。第三种，.机械合金化制备合金粉末配比会在长时间的搅拌，高能球磨粉末在高速运行，通过反复的冲水箱，承受力，剪切作用，经过挤压和各种，摩擦力，冷焊和反复研磨过程中，使得超细颗粒分散，把固态合金化。还有一种方法，喷雾转化法或者叫喷雾干燥法：该种方法是现今世界上在对超细的WC-Co复合粉末制备领域使用得非常广泛成熟的制备方法之一，在工业化上批量生产该超WC-Co 粉末的主要方法就是利用这种方法。该技术采用热化学合成原理，利用水溶性前驱体热化学合成超细WC-Co 复合粉末。该方法是在上世纪90 年代早期由美国新泽西州的Rutgers University 跟Nanodyne 公司共同开发完成的。此工艺的工艺路线包括：

1)前驱体化合物水溶液的制备跟混合，起到固定初始溶液成份的作用，一般情况下会采用偏钨酸铵，化学式为[(NH4)6(H2W12O40)4H2O]，还有CoCl2、

Co(NO3)2或者Co(CH3COO)2做为前驱体化合物的水溶液；

2)使用喷雾干燥机将起始溶液制备出非晶态前驱体粉。

3)采用H2还原、CO-CO2为碳源在流化床中将前驱体粉末转化为超细WC-Co 粉末。

1.1.3 WC-Co硬质合金的国内外研究现状

至今为止，硬质合金这一行业领域，在国内对原材料，超细WC晶粒硬质合金有限抑制剂，工艺过程和机制的制备取得了突破性进展，具备“双高”特性的超细晶粒硬质合金的质量愈来愈稳定，其制造费用也得到了有效把控，已在愈来愈多的应用领域代替常规硬质合金。

11）在超细碳化钨粉的研究：硬质合金超细领域国际上已取得很大进展，其发展吸引了人们的注意，超细WC粉末有着许多的制取方法，包括直接碳化法、气相沉积法、有机盐热分解碳化法、氢气还原WOX 碳化法、流化床还原碳化法、等离子电弧法、熔盐法和机械球磨法等，目前应用于工业化规模生产的主要是前三种方法。可是在那些从事超细硬质合金生产领域的工业技术人才而言，关注的不仅仅是超细WC粉末的制取方法，还包括了超细硬质合金各种性能受超细WC粉末的质量影响和WC 粉体的生产费用。

2)超细Co粉末：在研究超细硬质合金所受到的影响方面，钴粉当中的氧含量以及颗粒度，张卫兵对其做了实验研究，研究结果指明了合金的性能受Co粉粒度影响很小，指出其粒度不大于1.3μm便可。Korad Friedrichs 博士在其论文中指出，钴粉种类对超细硬质合金性能存在重要影响。