硬質(zhì)合金的燒結(jié)PPT優(yōu)秀課件

1、 硬質(zhì)合金屬于典型的多元系液相燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程中，既有物理變 化，又發(fā)生化學(xué)變化。 燒結(jié)過(guò)程的最重要變化是： 燒結(jié)體致密化； 粘結(jié)相成分變化； 碳化物晶粒長(zhǎng)大； 合金組織結(jié)構(gòu)形成。 定義：燒結(jié)溫度高于燒結(jié)體系低熔組分的熔點(diǎn)或共晶溫度的多元系定義：燒結(jié)溫度高于燒結(jié)體系低熔組分的熔點(diǎn)或共晶溫度的多元系 燒結(jié)過(guò)程；或燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)液相的粉末燒結(jié)過(guò)程統(tǒng)稱為液相燒結(jié)。燒結(jié)過(guò)程；或燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)液相的粉末燒結(jié)過(guò)程統(tǒng)稱為液相燒結(jié)。 液相燒結(jié) 潤(rùn)濕角的影響因素 燒結(jié)溫度升高，降低。主要是降低了SL。 潤(rùn)濕是一動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，燒結(jié)時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，降低； 添加劑：導(dǎo)致降低： 添加劑能促進(jìn)固相與液相間的物理溶解和輕微的化

2、學(xué)反應(yīng)； TiC-Ni,添加Mo。 固相顆粒的表面狀態(tài)。固相顆粒的粗糙度增加，提高固 -氣界面能。液固潤(rùn)濕過(guò)程易于進(jìn)行； 燒結(jié)氣氛：液相或固相氧化膜的形成導(dǎo)致潤(rùn)濕性下降。 溶解-再析出階段 固相在液相中具有一定溶解度的體系； 化學(xué)位差異，化學(xué)位高的部位將發(fā)生優(yōu)先溶解并在附近的液相中 形成濃度梯度； 發(fā)生固相原子等在液相中的擴(kuò)散和宏觀的馬孿哥尼流動(dòng)（溶質(zhì)濃 度變化導(dǎo)致液體表面張力梯度，產(chǎn)生液相流動(dòng)），在化學(xué)位低的 部位析出。 化學(xué)位高的區(qū)域 顆粒突起或尖角處，細(xì)顆粒； 發(fā)生細(xì)顆粒和顆粒尖角處的優(yōu)先溶解。 化學(xué)位較低的部位 顆粒的凹陷處和大顆粒表面； 溶解在液相中固相組分的原子在這些部位析出。 燒

3、結(jié)的微觀過(guò)程 沿顆粒晶界優(yōu)先形成液相：晶界出現(xiàn)溶質(zhì)原子的偏聚； 原始顆粒間液相流動(dòng)與顆粒重排，晶粒間分裂解體； 液相再分布和顆粒重排列； 致密化。 WC-Co為典型的液相燒結(jié)： Co對(duì)WC完全潤(rùn)濕； 燒結(jié)溫度（13801490oC）高于WC和Co共晶溫度，保溫階段始終存在液相； WC在Co中部分溶解，Co相在WC中不溶解。 WC-Co偽二元相圖 硬質(zhì)合金燒結(jié)的幾個(gè)階段 脫除成形劑及預(yù)燒階段（800）：成形劑的脫除（揮發(fā)、裂解）； 粉末表面氧化物還原 ；粘結(jié)金屬粉末開始回復(fù)和再結(jié)晶，顆粒開始表面擴(kuò) 敢，壓塊強(qiáng)度有所提高。 固相燒結(jié)階段（800共晶溫度）：共晶溫度是指緩慢升溫時(shí)出現(xiàn)共 晶液相的溫度

4、。WC-Co合金在平衡燒結(jié)時(shí)的共晶溫度為1340。此時(shí)，擴(kuò) 散速度增加，顆粒塑性流動(dòng)加強(qiáng)，燒結(jié)體出現(xiàn)明顯收縮。 液相燒結(jié)階段（共晶溫度燒結(jié)溫度）：出現(xiàn)液相后，燒結(jié)體收縮很 快完成，碳化物晶粒長(zhǎng)大并形成骨架及合金的基本組織結(jié)構(gòu)。 冷卻階段（燒結(jié)溫度室溫）：合金的組織和黏結(jié)相成分隨冷卻條件 的不同而產(chǎn)生某些變化。冷卻后，得到最終組織結(jié)構(gòu)的合金。 當(dāng)混合料純度極高且達(dá)到理想的均勻程度且燒結(jié)時(shí)升溫極其緩慢，則認(rèn)為燒 結(jié)體處于平衡燒結(jié)狀態(tài)。 升溫過(guò)程：成分為III的燒結(jié)體在1340時(shí)，固溶體成分達(dá)到a點(diǎn)，燒結(jié)體 內(nèi)開始出現(xiàn)共晶成分液相。同時(shí)，WC不斷向固溶體中溶解。在共晶溫度下保 持足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，所有

5、固溶體的成分都達(dá)到a點(diǎn)并轉(zhuǎn)變成d點(diǎn)成分的液相。 冷卻過(guò)程：從1400降溫，液相中析出的WC量逐慚降低，其成分沿cd線方 向變化。共晶溫度時(shí)便發(fā)生共晶反應(yīng)，由成分為d的液相中同時(shí)析出點(diǎn)成分的固 溶體和WC二次晶體。在共晶反應(yīng)完畢后，液相消失。固相轉(zhuǎn)變階段，隨溫度的 降低，從固溶體中析出多余的WC三次晶體。 合金的組織：未溶WC原始+WC初晶+WC共晶+WC三次，合金相組成是WC+相。相是 W和C在鈷中的固溶體。 WC-Co合金的平衡燒結(jié)過(guò)程 不平衡燒結(jié)：混合料很難達(dá)到理想的均勻程度，燒結(jié)結(jié)過(guò)程的升溫 速度較快。 不平衡燒結(jié)升溫過(guò)程有如下特點(diǎn)： 由于熱滯后現(xiàn)象，在共晶溫度以上才會(huì)出現(xiàn)液相。 在燒結(jié)

6、體內(nèi)各小區(qū)域里出現(xiàn)液相的時(shí)間是不同的。 未經(jīng)足夠長(zhǎng)的保溫時(shí)間，燒結(jié)體各部位液相的成分是不同的。 冷卻過(guò)程：由于燒結(jié)體內(nèi)有大量的原始未溶WC可作為結(jié)晶中心，因而合金 的組織與平衡狀態(tài)緩冷時(shí)差別不大。 合金凝固組織：由于擴(kuò)散過(guò)程較為困難，如果合金快冷，則固溶體中的 WC含量可能處于過(guò)飽和狀態(tài)。此時(shí)，合金的組織可能是WC原始+WC初晶+WC共 晶+，合金的相組成仍然是WC+。 WC+Co合金的不平衡燒結(jié)過(guò)程 實(shí)際的燒結(jié)過(guò)程 WC+Co+C混合料的燒結(jié)特點(diǎn)： 在12801300時(shí)可出現(xiàn)WC+C三元共晶溶體，1320時(shí)還出現(xiàn)Co-C二元共 晶溶體。與WC+Co系比較，此混合料出現(xiàn)液相的溫度要低一些，當(dāng)鈷

7、量相同時(shí)，液 相數(shù)量也要多一些。 當(dāng)系統(tǒng)中游離碳含量足夠高時(shí)，在冷卻過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)三元共晶WC+C，使 最終合金中出現(xiàn)石墨。然而，在碳量過(guò)剩不多時(shí)，合金仍然是WC+兩相結(jié)構(gòu)。 WC+Co+W2C混合料的燒結(jié)特點(diǎn)： 當(dāng)混合料缺碳時(shí)，低溫下先形成相。（ 相是三元化合物，Co（18.0 21.0%），C（1.41.5%）。 由于WC+三元共晶溫度較高(1370)，在平衡條件下，燒結(jié)體出現(xiàn)液相的溫度 較高。在不平衡條件下，則可能出現(xiàn)WC+二元共晶液相。 相當(dāng)一部分鈷形成相，從而使燒結(jié)體內(nèi)液相的數(shù)量相對(duì)減少。當(dāng)W2C含量較高時(shí)， 可能得到WC+三相組織的合金。 WC+Co+W2C+C混合料的燒結(jié)特點(diǎn)：

8、生產(chǎn)中常見的混合料組成， 尤其是在采用人造橡膠作成形劑時(shí)。 燒結(jié)過(guò)程伴隨著一些固相化學(xué)反應(yīng)而使過(guò)程復(fù)雜化。 在低溫時(shí)先形成相。 當(dāng)碳量足夠時(shí)， 相會(huì)因滲碳而消失。W2C亦可補(bǔ)充碳化化成WC。生 成的+C三元共晶(12501270)也可能消失。 獲得的合金為WC+兩相組織。 當(dāng)碳量過(guò)剩時(shí)，可看成是WC+Co+C的燒結(jié)。而當(dāng)缺碳時(shí)，則可看成是 WC+Co+的燒結(jié)。 實(shí)際的燒結(jié)過(guò)程 硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝 升溫速度：升溫速度：1200以前應(yīng)緩慢升溫；丁鈉橡膠在300 左右開始裂化， 要在600保溫半小時(shí)才能裂化完全，石蠟要到400以上才能完全汽化。 燒結(jié)溫度：燒結(jié)溫度：燒結(jié)溫度主要取決燒結(jié)時(shí)鈷含量。鈷相越

9、多，燒結(jié)溫度越低， 一般YG合金的燒結(jié)溫度在13801490的范圍內(nèi)，TY合金的燒結(jié)溫度比YG 合金高一些，而真空燒結(jié)又比氫氣燒結(jié)低50100。此外，加入TaC，NbC 可允許燒結(jié)溫度有較大波動(dòng)。 保溫時(shí)間：保溫時(shí)間：保溫時(shí)間主要由合金牌號(hào)、燒結(jié)溫度決定。過(guò)低的溫度下的過(guò) 長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)會(huì)使碳化鎢晶粒變粗，合金強(qiáng)度下降，還會(huì)降低設(shè)備的生產(chǎn)能力。 過(guò)高溫度下過(guò)短時(shí)間的燒結(jié)，則時(shí)間的稍有波動(dòng)就會(huì)嚴(yán)重影響合金質(zhì)量。 燒結(jié)保護(hù)氣氛：燒結(jié)保護(hù)氣氛：促進(jìn)粉末表面氧化膜還原，加速燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行；將燒結(jié) 時(shí)放出的氣體和各種揮發(fā)物及時(shí)帶走而不致污染制品；防止個(gè)別組分（如碳 等）被燒損。保護(hù)氣氛主要為氫氣，還包括分解

10、氨、氨氣和真空等。氫氣，還包括分解氨、氨氣和真空等。 保護(hù)產(chǎn)品不與石墨舟直接接觸。以減少石墨的滲碳影響減少石墨的滲碳影響； 保護(hù)產(chǎn)品不受高溫氫氣的直接沖刷，以減少高溫氫氣對(duì)制品的脫減少高溫氫氣對(duì)制品的脫 碳作用碳作用； 保護(hù)產(chǎn)品不受溫度波動(dòng)的影響(如進(jìn)出舟時(shí))，使加熱比較均勻加熱比較均勻； 固定產(chǎn)品及保護(hù)壓坯不被碰壞； 保護(hù)底層產(chǎn)品在出現(xiàn)液相對(duì)不致受上層產(chǎn)品的重量而變形變形； 低溫下作為碳?xì)浠衔餁怏w分解的接觸劑而吸收碳，接觸劑而吸收碳，保護(hù)產(chǎn)品不 過(guò)分增碳；高溫時(shí)，碳又與氫氣及水蒸汽作用保護(hù)產(chǎn)品不過(guò)分脫碳。不過(guò)分脫碳。 燒結(jié)時(shí)填料的作用 硬質(zhì)合金的致密化過(guò)程 第一階段：隨著溫度的升高，顆粒表

11、面原子開始進(jìn)行表面擴(kuò)散。溫度的進(jìn)一步升高， 發(fā)生體積擴(kuò)散。燒結(jié)體發(fā)生少量收縮，強(qiáng)度提高。 第二階段：燒結(jié)體顯著收縮。燒結(jié)溫度接近系統(tǒng)的共晶點(diǎn)，塑性流動(dòng)發(fā)生。顆粒由于 移動(dòng)而靠攏。燒結(jié)體產(chǎn)生急劇收縮。此階段無(wú)液相，燒結(jié)體所達(dá)到的致密化程度有限。 第三階段：液相出現(xiàn)。伴隨著碳化物顆粒重排，碳化物的溶解-析出。表面張力的作用 導(dǎo)致孔隙的尺寸和數(shù)量逐漸減少。顆粒間接觸點(diǎn)優(yōu)先溶解。 WC-10.5%Co； WC- 6%Co 硬質(zhì)合金致密化的影響因素 液-固相間的潤(rùn)濕角，液體的毛細(xì)管力隨其對(duì)碳化物顆粒的潤(rùn)濕角 減小而提高。 液相數(shù)量不超過(guò)50%時(shí)，毛細(xì)管力隨液相數(shù)量的增加而提高。相 比較，碳化物顆粒的流動(dòng)

12、阻力隨其增加而降低。 影響液相出現(xiàn)的溫度和數(shù)量的燒結(jié)體含碳量。含碳量較高的燒結(jié) 體，液相出現(xiàn)的溫度較低。 原始碳化物顆粒越細(xì)，則顆粒的中心距越短，燒結(jié)體內(nèi)孔隙尺寸 越小，液體的毛細(xì)管力越大。同時(shí)，顆粒小則表面積越大，固相擴(kuò) 散速度與液相出現(xiàn)后的溶解-析出速度也越快。 黏接金屬與碳化物混合的均勻程度。 燒結(jié)時(shí)間：燒結(jié)體的致密程度隨燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，但其致 密化速度卻隨燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。 碳化物晶粒長(zhǎng)大 經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，碳化物平均晶粒尺寸出現(xiàn)的長(zhǎng)大現(xiàn)象。 晶粒長(zhǎng)大由固相的擴(kuò)散作用及液相的溶解作用共同引起。 在燒結(jié)前期，隨溫度提高，時(shí)間延長(zhǎng)，WC顆粒接觸面不斷擴(kuò)大。（聚集再結(jié)晶） 液相燒結(jié)階段，

13、部分活性大的WC顆粒或大顆粒WC的菱角部分先溶解，后不斷從液 相中析出并沉積在周圍的晶粒上。（溶解-析出或重結(jié)晶） 組織結(jié)構(gòu)的形成 WC-Co硬質(zhì)合金由WC相和黏結(jié)相（相）組成； WC-TiC-Co硬質(zhì)合金由WC相、WC-TiC固溶體相和黏接相組成。 WC相、WC-TiC相屬于硬質(zhì)相，貢獻(xiàn)耐磨性，黏接相貢獻(xiàn)韌性。 黏接相與冷卻速度及含碳量有關(guān)。 例如，加大冷卻速度，如采用急速氣冷或油淬，則可抑制WC從Co 中析出，黏接相中保留較高的WC含量而強(qiáng)化黏接相。 硬質(zhì)合金的燒結(jié)條件 合金合金 牌號(hào)牌號(hào) 燒結(jié)條件燒結(jié)條件 氫氣通入量氫氣通入量 (立升立升/時(shí)時(shí))裝舟量裝舟量 (公斤公斤) 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫

14、度() 推舟速度推舟速度 (毫米毫米/分分) 低溫帶低溫帶高溫帶高溫帶 YG357420145014906.415002000 YG4C5742014801490415002000 YG6，YG879420143014406.415002000 YG6X79420138013906.415002000 YG11，YG15911420140014406.415002000 YT5740050015001530488001200 YT14，YT15740050015301560487001000 YT3074005001480152048600800 燒結(jié)設(shè)備 真空燒結(jié)工藝的特點(diǎn) 真空燒結(jié)指的是在

15、一定的真空度下(10-110-2毫米汞柱)進(jìn)行的燒結(jié)，它與氫、 氮等保護(hù)氣氛下的燒結(jié)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 可以顯著提高爐氣的純度：可以顯著提高爐氣的純度： 氫氣燒結(jié)時(shí)，因此要求氫氣的露點(diǎn)在-40以 下。而真空度10-1Hgmm，爐氣的純度就相當(dāng)于-40露點(diǎn)的氫氣。 改善粘結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相的潤(rùn)濕性：改善粘結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相的潤(rùn)濕性：真空時(shí)的負(fù)壓可改善粘結(jié)相對(duì)硬質(zhì)相(特 別是TiC硬質(zhì)相)的潤(rùn)濕性，使燒結(jié)體能更迅速地收縮，并改善粘結(jié)相分布的 均勻性。 可降低燒結(jié)溫度：可降低燒結(jié)溫度：由于真空時(shí)粉末表面的氧化物可在較低的溫度下被還原， 液相也可在較低的溫度下出現(xiàn)，燒結(jié)時(shí)間也可縮短。 可避免填料對(duì)制品的污染：可

16、避免填料對(duì)制品的污染：氫氣燒結(jié)時(shí)，制品表面會(huì)吸收一些氫化鋁填料， 含TiC的合金與氧化鋁的反應(yīng)尤為嚴(yán)重。 使刀片易于焊接：使刀片易于焊接：氫氣燒結(jié)的刀片由于表面經(jīng)常滲碳和吸收氧化鋁，使刀 片與焊藥間的濕潤(rùn)不良。 典型的真空燒結(jié)工藝 真空燒結(jié)的4個(gè)階段： l成形劑脫除階段 l預(yù)燒結(jié)階段 l高溫?zé)Y(jié)階段 l冷卻階段 真空燒結(jié)的工藝過(guò)程為：脫蠟（膠）、預(yù)燒燒結(jié)冷卻出爐 脫蠟（膠）脫蠟（膠）一般在350400下進(jìn)行34小時(shí)，它即可在真空下進(jìn) 行，也可在氫氣中進(jìn)行。 預(yù)燒預(yù)燒一般在700左右進(jìn)行1小時(shí)。 燒結(jié)燒結(jié)一般在13501460下進(jìn)行，整個(gè)燒結(jié)過(guò)程為35小時(shí)，在最 高溫度一般保溫0.51小時(shí)。 冷

17、卻階段冷卻階段 脫蠟（膠）預(yù)燒常與燒結(jié)分開在另一個(gè)爐內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行，但也可合并 在一個(gè)爐室中進(jìn)行。 真空燒結(jié)工藝 真空燒結(jié)與氫氣燒結(jié)TiC基合金成分和性能 牌號(hào)牌號(hào) 燒結(jié)工藝燒結(jié)工藝 密度密度 g/cm3 硬度硬度 HRA 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 Kg/mm2 氧氧 % 游離碳游離碳 % 總碳總碳 % 鎳鎳 % 鉬鉬 % 制品外觀制品外觀 YN05 1530 氫氣氫氣 5.9092.6800.170.03314.326.8013.45 黑色黑色 無(wú)光澤無(wú)光澤 1380 真空真空 5.9693.61100.100.01014.806.7613.45 銀白金銀白金 屬光澤屬光澤 YN10 1530 氫氣氫氣

18、 6.3091.6950.180.01813.0211.739.86 黑色黑色 無(wú)光澤無(wú)光澤 1380 真空真空 6.3892.51250.100.01013.6111.699.69 銀白金屬銀白金屬 光澤光澤 此外，真空燒結(jié)合金的孔隙很低，且孔隙尺寸細(xì)小，晶粒組織也比氫氣燒結(jié)的要小此外，真空燒結(jié)合金的孔隙很低，且孔隙尺寸細(xì)小，晶粒組織也比氫氣燒結(jié)的要小。 真空與氫氣燒結(jié)條件下微量TaC的WC-10%合金性能 燒結(jié)氣氛燒結(jié)氣氛 燒結(jié)溫度燒結(jié)溫度 磁矯頑力磁矯頑力 奧斯特奧斯特 硬度硬度 HRA 密度密度 g/cm3 抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度 kg/mm2 沖擊韌性沖擊韌性 kg/m 真空真空 氫氣氫氣 141010 1430 87 82 87.487.6 87.087.4 14.51 14.46 272 264 0.64 0.62 采用低壓燒結(jié)：真空燒結(jié)時(shí)鈷的揮發(fā)損失比較嚴(yán)重，高真空下燒結(jié) 甚至可高達(dá)4%，這不利于控制合金的成分與性能。然而高真空燒結(jié)又有利 于氧化物的還原和氣體及雜質(zhì)的排除。為了解決這一矛盾，可以采用低壓燒 結(jié)法，其具體方法為： 在10501200范圍內(nèi)使用高真空，當(dāng)反應(yīng)完全和氣體裝除以后在