硬质合金制备过程中的基本原理
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在 实 际 生 产 中 一 般 将 烧 结 过 程 划 分 为 3个 阶 段 ： 低 温 预 烧 结 ， α≤ 0.25 ； 中 温 烧 结 ，α≤ 0.4 ~ 0.55 ； 高 温 烧 结 α≤ 0.5 ~0.85 。 随 阶 段 的进行，温度逐级升高。
三 个 阶 段 烧 结 过 程 主 要 发 生 的 变 化 包 括 有 ：组 元 金 属 的 回 复 ， 吸 附 气 体 与 水 分 的 挥 发 ，成 形 剂 、 润 滑 剂 的 分 解 以 及 排 除 等 ， 这 一 阶 段 属 于 烧 结 准 备 阶 段 ， 为 进 一 步 的 烧 结 净 化 环境 ； 第 二 阶段中随温度的升高，合金物质颗粒之间开始形成烧结颈，并 相 互 结 合 ， 颗 粒 表面 氧 化 物 发 生 还 原 反 应 从 而 继 续 参 与 烧 结 ， 颗 粒 间 的 结 合 封 闭 了 互 相 之 间 的 空 隙 ； 第 三 阶段 中 温 度 更 高 ， 颗粒间的烧结颈进一步长大，更多的颗粒得到合并，烧结体会 得 到 进 一 步的 收 缩 、 球 化 。
Cu-Sn硬质合金制备过程中的基 本原理、工艺特点及应用
目 录
问题分析：液相烧结原理 烧结过程中
1 的相变 设计/开发解决方案：硬质合金烧结工艺 2
3 环境和可持续发展：烧结气氛 工程与社会：硬质合金的应用 4
1
问题分析
液相烧结原理 烧结过程中的相变
1.1 液相烧结原理
烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的一系列复杂 的现象或过程。
而铜镍均是面心立方结构，两者点阵结构、原子半 径、电子结构均相似，能无限固溶。
2
设计/开发解决方案
硬质合金烧结工艺
2. 1 烧结工艺分析
以 应 用 最 多 最 早 的 锡 青 铜 Cu-Sn合 金 为 例 ， 常用 的 成 分 是 90 % C u ， 10 % S n ， 有 时 会 添加 总 量 ≤ 3 % 的 石 墨 。 铜 - 锡 二 元相图见图1，铜与锡能相互溶解，形成一系列的中间相和 固 溶 体 。 锡 在 232 ℃ 熔 化 ， 由 于 毛 细 管 作 用 力 ， 液 相 锡 被 吸 入 铜 颗 粒 之 间 和 孔 隙 中 ， 与 此同 时 铜 锡 之 间 将 发 生 相 互 溶 解 和 反 应 ，形 成 铜 锡 合 金 ，并 作 为 粘 结 介 质 存 在 于 铜 颗 粒 之 间 。由 于 铜 中 含 有 氢 ， 因 此 在 铜 向 锡 中 溶 解 时 会 有 相 当 量 的 氢 溶 解 于 液 相 中 ， 液 相 凝 固 后 会 在合 金 中 留 下 很 多 气 孔 ， 导 致 烧 结 零 件 的 膨 胀 。 同 时 ， 由 于 锡 熔 化 并 溶 解 于 铜 ， 在 原 先锡 粉颗 粒 的 地 方 就 变 成 了 孔 隙 ， 也 会 导 致 烧 结 零 件 的 膨 胀 。
（1）切削工具：硬质合金可用作各种各样的 切削工具。我国切削工具的硬质合金用量约占 整个硬质合金产量的三分之一，其中用于焊接 刀具的占78%左右，用于可转位刀具的占22% 左右。
4.1 硬质合金的应用
（2）地质矿山工具：地质矿山工具同 样是硬质合金的一大用途。我国地矿 用硬质合金约占硬质合金生产总量的 25%，主要用于冲击凿岩用钎头，地 质勘探用钻头、矿山油田用潜孔钻、 牙轮钻以及截煤机截齿、建材工业冲 击钻等。
（4）结构零件：硬质合金用来作结构 零件的制品很多，如旋转密封环、压缩 机活塞、车床夹头、磨床心轴、轴承轴 颈等。 （5）耐磨零件：用硬质合金制成的耐 磨零件有喷嘴、导轨、柱塞、球、轮胎 、防滑钉、铲雪机板等举不胜举。
Thyoaunk
End
3. 2 真空烧结的优点
由于真空环境下压坯孔隙内气体量的降低，气体产物更 易排出孔隙以及溶于金属中气体的脱除，使物料的致密 性更高；
真空烧结能够使材料的耐磨性及强度更高；真空烧结对 降低产品成本也有显著效果。
4
工程与社会
硬质合金的应用
4.1 硬质合金的应用
硬质合金具有一系列优良性能，用途十分广泛，随着时间推移用 途还在不断扩大，主要用途分述如下：
2. 1 烧结工艺分析
铜基粉末冶金零件烧结温度很敏感，烧结温度应控 制 在 ±3 ℃ 左 右 。 烧 结 时 间 一 般 为1 5 ~ 3 0 m i n 。
铜基粉末冶金零件烧结气氛可选用分解氨，为了确 保 铜 基 粉 末 冶 金 零 件 的 烧 结 质 量 ，压 制 时 可 以 采 用 控 制 量 在 0. 2 % 以 下 的 润 滑 剂 （ 硬 脂 酸 锌 ） 。 由 于 烧 结 时 铜 对 油 污 气 氛 很 敏感 ， 铜 基 零 件 烧 结 前 应 尽 量 避 免 与油接触，防止因为烧结气氛中油性的挥发物存在， 导 致产 品 收 缩 受 阻 ， 影 响 烧 结 质 量 。
4.1 硬质合金的应用
（3）模具：用作各类模具的硬质合金约占 硬质合金生产总量的8%，有拉丝模、冷镦 模、冷挤压模、热挤压模、热锻模、成形冲 模以及拉拔管芯棒，如长芯棒、球状蕊棒、 浮动蕊棒等，近十几年轧制线材用各类硬质 合金轧辊用量增速很快，我国轧辊用硬质合 金已占硬质合金生产总量的3%。
4.1 硬质合金的应用
1.2 两球烧结模型
假设两个球形颗粒互相接触， 如左图7-8a所示。粉末压制时， 每一个颗粒之间有许多这样的接 触点。当烧结发生后，颗粒间相 互接触的烧结颈长大，接触点处 都会形成晶界，代替粉末颗粒固气界面。长时间的烧结会导致两 个颗粒合并成一个单一的球形颗 粒，其最终直径为原始颗粒的 1.26倍，如图7-8d所示。
1.3 烧结过程中的相变(Cu-Sn合金)wenku.baidu.com
图1 铜-锡二元相图
1.3 Cu-Sn合金烧结过程中的相变
如图1， 当 锡 在 232 ℃ 溶 化 后 ， 铜 快 速 地 熔 入 液 相 锡 中 ， 发 生 一 系 列 共 晶 和 包 晶 反 应 ， 便 形 成了 高 熔 点 的 β化 合 物 （ Cu3Sn ） ， 液 相 消 失 。 此 后 一 直 到 798 ℃ 烧 结 体 保 持 在 固 相 状 态 下 。当 烧 结 温 度 升 高 到 798 ℃ 时 ， β 相 发 生 反 应 ， 形 成 锡 在 铜 中 的 面 心 立 方 α 固 溶 体 和 液 相 ， 此后 烧 结 一 直 在 有 液 相 存 在 的 状 态 下 进 行 。 冷 却 后 的 组 织 为 α固 溶 体 相 和 铜 锡 化 合 物 ε相 的 两相 组 织 。 这 对 Cu-Ni -Sn 合 金 烧 结过程中相的变化分析有一定的指导。
2.2 铜基零件
铜基粉末冶金零件在工业上的应用仅次于铁基粉末冶金 零 件 ， 位 居 粉 末 冶 金 产 品 的 第二位 。 铜 基 粉 末 冶 金 零 件 的 最 终 性 能 ， 主 要 取 决 于 烧 结 工 艺。
3
环境和可持续发展
烧结气氛
3.1 烧结气氛对环境的影响
铜基粉末冶金零件烧结气氛可选用分解氨， 为 了 确 保 铜 基 粉 末 冶 金 零 件 的 烧 结 质 量 ，压 制 时 可 以 采 用 控 制 量 在 0. 2 % 以 下 的 润 滑 剂 （硬脂酸锌）。由于烧结时铜对油污气氛很 敏感 ， 铜 基 零 件 烧 结 前 应 尽 量 避 免 与 油 接 触 ， 防止因为烧结气氛中油性的挥发物存在，导 致产 品 收 缩 受 阻 ， 影 响 烧 结 质 量 。
为保护环境，促进可持续发展，应采用真空烧结的技术。
3. 2 真空烧结
图2 真空烧结仪器设备
3. 2 真空烧结的优点
真空烧结能够减少气氛中的有害成分（水、氧、氮及其 他的杂质等）对物料的污染，避免出现脱碳、渗碳、还 原、氧化和渗氮等一系列反应。
真空烧结能够使物料在出现液相之前使颗粒氧化膜完全 排除，从而改善了液相同碳化物相的湿润性，改善了合 金组织结构，提高了合金性能；
三 个 阶 段 烧 结 过 程 主 要 发 生 的 变 化 包 括 有 ：组 元 金 属 的 回 复 ， 吸 附 气 体 与 水 分 的 挥 发 ，成 形 剂 、 润 滑 剂 的 分 解 以 及 排 除 等 ， 这 一 阶 段 属 于 烧 结 准 备 阶 段 ， 为 进 一 步 的 烧 结 净 化 环境 ； 第 二 阶段中随温度的升高，合金物质颗粒之间开始形成烧结颈，并 相 互 结 合 ， 颗 粒 表面 氧 化 物 发 生 还 原 反 应 从 而 继 续 参 与 烧 结 ， 颗 粒 间 的 结 合 封 闭 了 互 相 之 间 的 空 隙 ； 第 三 阶段 中 温 度 更 高 ， 颗粒间的烧结颈进一步长大，更多的颗粒得到合并，烧结体会 得 到 进 一 步的 收 缩 、 球 化 。
Cu-Sn硬质合金制备过程中的基 本原理、工艺特点及应用
目 录
问题分析：液相烧结原理 烧结过程中
1 的相变 设计/开发解决方案：硬质合金烧结工艺 2
3 环境和可持续发展：烧结气氛 工程与社会：硬质合金的应用 4
1
问题分析
液相烧结原理 烧结过程中的相变
1.1 液相烧结原理
烧结是粉末或粉末压坯，在适当的温度和气氛条件下加热所发生的一系列复杂 的现象或过程。
而铜镍均是面心立方结构，两者点阵结构、原子半 径、电子结构均相似，能无限固溶。
2
设计/开发解决方案
硬质合金烧结工艺
2. 1 烧结工艺分析
以 应 用 最 多 最 早 的 锡 青 铜 Cu-Sn合 金 为 例 ， 常用 的 成 分 是 90 % C u ， 10 % S n ， 有 时 会 添加 总 量 ≤ 3 % 的 石 墨 。 铜 - 锡 二 元相图见图1，铜与锡能相互溶解，形成一系列的中间相和 固 溶 体 。 锡 在 232 ℃ 熔 化 ， 由 于 毛 细 管 作 用 力 ， 液 相 锡 被 吸 入 铜 颗 粒 之 间 和 孔 隙 中 ， 与 此同 时 铜 锡 之 间 将 发 生 相 互 溶 解 和 反 应 ，形 成 铜 锡 合 金 ，并 作 为 粘 结 介 质 存 在 于 铜 颗 粒 之 间 。由 于 铜 中 含 有 氢 ， 因 此 在 铜 向 锡 中 溶 解 时 会 有 相 当 量 的 氢 溶 解 于 液 相 中 ， 液 相 凝 固 后 会 在合 金 中 留 下 很 多 气 孔 ， 导 致 烧 结 零 件 的 膨 胀 。 同 时 ， 由 于 锡 熔 化 并 溶 解 于 铜 ， 在 原 先锡 粉颗 粒 的 地 方 就 变 成 了 孔 隙 ， 也 会 导 致 烧 结 零 件 的 膨 胀 。
（1）切削工具：硬质合金可用作各种各样的 切削工具。我国切削工具的硬质合金用量约占 整个硬质合金产量的三分之一，其中用于焊接 刀具的占78%左右，用于可转位刀具的占22% 左右。
4.1 硬质合金的应用
（2）地质矿山工具：地质矿山工具同 样是硬质合金的一大用途。我国地矿 用硬质合金约占硬质合金生产总量的 25%，主要用于冲击凿岩用钎头，地 质勘探用钻头、矿山油田用潜孔钻、 牙轮钻以及截煤机截齿、建材工业冲 击钻等。
（4）结构零件：硬质合金用来作结构 零件的制品很多，如旋转密封环、压缩 机活塞、车床夹头、磨床心轴、轴承轴 颈等。 （5）耐磨零件：用硬质合金制成的耐 磨零件有喷嘴、导轨、柱塞、球、轮胎 、防滑钉、铲雪机板等举不胜举。
Thyoaunk
End
3. 2 真空烧结的优点
由于真空环境下压坯孔隙内气体量的降低，气体产物更 易排出孔隙以及溶于金属中气体的脱除，使物料的致密 性更高；
真空烧结能够使材料的耐磨性及强度更高；真空烧结对 降低产品成本也有显著效果。
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工程与社会
硬质合金的应用
4.1 硬质合金的应用
硬质合金具有一系列优良性能，用途十分广泛，随着时间推移用 途还在不断扩大，主要用途分述如下：
2. 1 烧结工艺分析
铜基粉末冶金零件烧结温度很敏感，烧结温度应控 制 在 ±3 ℃ 左 右 。 烧 结 时 间 一 般 为1 5 ~ 3 0 m i n 。
铜基粉末冶金零件烧结气氛可选用分解氨，为了确 保 铜 基 粉 末 冶 金 零 件 的 烧 结 质 量 ，压 制 时 可 以 采 用 控 制 量 在 0. 2 % 以 下 的 润 滑 剂 （ 硬 脂 酸 锌 ） 。 由 于 烧 结 时 铜 对 油 污 气 氛 很 敏感 ， 铜 基 零 件 烧 结 前 应 尽 量 避 免 与油接触，防止因为烧结气氛中油性的挥发物存在， 导 致产 品 收 缩 受 阻 ， 影 响 烧 结 质 量 。
4.1 硬质合金的应用
（3）模具：用作各类模具的硬质合金约占 硬质合金生产总量的8%，有拉丝模、冷镦 模、冷挤压模、热挤压模、热锻模、成形冲 模以及拉拔管芯棒，如长芯棒、球状蕊棒、 浮动蕊棒等，近十几年轧制线材用各类硬质 合金轧辊用量增速很快，我国轧辊用硬质合 金已占硬质合金生产总量的3%。
4.1 硬质合金的应用
1.2 两球烧结模型
假设两个球形颗粒互相接触， 如左图7-8a所示。粉末压制时， 每一个颗粒之间有许多这样的接 触点。当烧结发生后，颗粒间相 互接触的烧结颈长大，接触点处 都会形成晶界，代替粉末颗粒固气界面。长时间的烧结会导致两 个颗粒合并成一个单一的球形颗 粒，其最终直径为原始颗粒的 1.26倍，如图7-8d所示。
1.3 烧结过程中的相变(Cu-Sn合金)wenku.baidu.com
图1 铜-锡二元相图
1.3 Cu-Sn合金烧结过程中的相变
如图1， 当 锡 在 232 ℃ 溶 化 后 ， 铜 快 速 地 熔 入 液 相 锡 中 ， 发 生 一 系 列 共 晶 和 包 晶 反 应 ， 便 形 成了 高 熔 点 的 β化 合 物 （ Cu3Sn ） ， 液 相 消 失 。 此 后 一 直 到 798 ℃ 烧 结 体 保 持 在 固 相 状 态 下 。当 烧 结 温 度 升 高 到 798 ℃ 时 ， β 相 发 生 反 应 ， 形 成 锡 在 铜 中 的 面 心 立 方 α 固 溶 体 和 液 相 ， 此后 烧 结 一 直 在 有 液 相 存 在 的 状 态 下 进 行 。 冷 却 后 的 组 织 为 α固 溶 体 相 和 铜 锡 化 合 物 ε相 的 两相 组 织 。 这 对 Cu-Ni -Sn 合 金 烧 结过程中相的变化分析有一定的指导。
2.2 铜基零件
铜基粉末冶金零件在工业上的应用仅次于铁基粉末冶金 零 件 ， 位 居 粉 末 冶 金 产 品 的 第二位 。 铜 基 粉 末 冶 金 零 件 的 最 终 性 能 ， 主 要 取 决 于 烧 结 工 艺。
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环境和可持续发展
烧结气氛
3.1 烧结气氛对环境的影响
铜基粉末冶金零件烧结气氛可选用分解氨， 为 了 确 保 铜 基 粉 末 冶 金 零 件 的 烧 结 质 量 ，压 制 时 可 以 采 用 控 制 量 在 0. 2 % 以 下 的 润 滑 剂 （硬脂酸锌）。由于烧结时铜对油污气氛很 敏感 ， 铜 基 零 件 烧 结 前 应 尽 量 避 免 与 油 接 触 ， 防止因为烧结气氛中油性的挥发物存在，导 致产 品 收 缩 受 阻 ， 影 响 烧 结 质 量 。
为保护环境，促进可持续发展，应采用真空烧结的技术。
3. 2 真空烧结
图2 真空烧结仪器设备
3. 2 真空烧结的优点
真空烧结能够减少气氛中的有害成分（水、氧、氮及其 他的杂质等）对物料的污染，避免出现脱碳、渗碳、还 原、氧化和渗氮等一系列反应。
真空烧结能够使物料在出现液相之前使颗粒氧化膜完全 排除，从而改善了液相同碳化物相的湿润性，改善了合 金组织结构，提高了合金性能；