真空燒結(jié)-東北大學(xué)

1、1真空燒結(jié)真空燒結(jié)2硬質(zhì)合金的燒結(jié)硬質(zhì)合金的燒結(jié)n燒結(jié)：使多孔的粉末壓坯變成具有一定結(jié)構(gòu)和性能燒結(jié)：使多孔的粉末壓坯變成具有一定結(jié)構(gòu)和性能的合金。的合金。n硬質(zhì)合金的氫氣燒結(jié)硬質(zhì)合金的氫氣燒結(jié)氫氣間隙爐：隨爐子尺寸的增加其結(jié)構(gòu)復(fù)雜；氫氣間隙爐：隨爐子尺寸的增加其結(jié)構(gòu)復(fù)雜；工藝：工藝：1.脫蠟預(yù)燒；脫蠟預(yù)燒；2.燒結(jié)；燒結(jié)；能耗比較氫氣燒結(jié)日益昂貴；能耗比較氫氣燒結(jié)日益昂貴； H2和物料帶入的水分及空氣：進(jìn)出料時(shí)氫氣點(diǎn)火燃燒生成的部分水；和物料帶入的水分及空氣：進(jìn)出料時(shí)氫氣點(diǎn)火燃燒生成的部分水；雜質(zhì)氣體通過(guò)各溫度帶引起合金脫碳、滲碳、滲氮、還原、氧化等反應(yīng)雜質(zhì)氣體通過(guò)各溫度帶引起合金脫碳、滲碳、

2、滲氮、還原、氧化等反應(yīng)3真空燒結(jié)的特點(diǎn)真空燒結(jié)的特點(diǎn)n真空燒結(jié)氣氛真空燒結(jié)氣氛n真空燒結(jié)的致密化真空燒結(jié)的致密化n真空燒結(jié)的效果真空燒結(jié)的效果4真空燒結(jié)氣氛真空燒結(jié)氣氛n真空燒結(jié)氣氛的優(yōu)勢(shì)真空燒結(jié)氣氛的優(yōu)勢(shì)真空爐中的氣氛穩(wěn)定變化不大；真空爐中的氣氛穩(wěn)定變化不大；無(wú)無(wú)H2帶來(lái)的不良反應(yīng)；帶來(lái)的不良反應(yīng)；物料帶入的氣氛和吸附空氣在爐子升溫前的冷抽過(guò)物料帶入的氣氛和吸附空氣在爐子升溫前的冷抽過(guò)程可基本去除；程可基本去除；氧含量減至最低。氧含量減至最低。n真空度的選用原則（真空度的選用原則（1330.13Pa）5真空度的選用原則真空度的選用原則n影響真空度選用的因素：影響真空度選用的因素：原料含氧、碳

3、量原料含氧、碳量真空爐材料真空爐材料真空爐的泄漏率真空爐的泄漏率n真空度選用原則：真空度選用原則：成形劑的徹底排除成形劑的徹底排除氧化物在盡可能低的溫度被碳還原氧化物在盡可能低的溫度被碳還原揮發(fā)去除的所有能揮發(fā)的雜質(zhì)元素?fù)]發(fā)去除的所有能揮發(fā)的雜質(zhì)元素減少有用合金元素的揮發(fā)減少有用合金元素的揮發(fā)控制合金含碳量控制合金含碳量6真空燒結(jié)的致密化真空燒結(jié)的致密化三種不同成分合金燒結(jié)（實(shí)踐）和氫氣燒結(jié)線(xiàn)收縮同溫度和時(shí)間的關(guān)系三種不同成分合金燒結(jié)（實(shí)踐）和氫氣燒結(jié)線(xiàn)收縮同溫度和時(shí)間的關(guān)系線(xiàn)收縮線(xiàn)收縮/L102/L7真空度及溫度對(duì)致密化的影響真空度及溫度對(duì)致密化的影響n(yōu)真空燒結(jié)較好的去除顆粒表真空燒結(jié)較好的

4、去除顆粒表面的氧化膜，改善了碳化物面的氧化膜，改善了碳化物同粘結(jié)相的濕潤(rùn)性同粘結(jié)相的濕潤(rùn)性n促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程、降低燒結(jié)促進(jìn)了燒結(jié)過(guò)程、降低燒結(jié)溫度，加速合金收縮的速度溫度，加速合金收縮的速度。n真空燒結(jié)對(duì)線(xiàn)收縮速度的影真空燒結(jié)對(duì)線(xiàn)收縮速度的影響隨響隨(W,Ti)C在合金中的含量在合金中的含量增加而提高；增加而提高；n活化燒結(jié)活化燒結(jié)n壓坯孔隙內(nèi)氣體量減少，氣壓坯孔隙內(nèi)氣體量減少，氣體產(chǎn)物更易排出，溶于金屬體產(chǎn)物更易排出，溶于金屬的氣體脫除的氣體脫除WC10Co合金在不同溫度合金在不同溫度及壓強(qiáng)下的線(xiàn)收縮及壓強(qiáng)下的線(xiàn)收縮12.716.18真空燒結(jié)的效果真空燒結(jié)的效果n耐磨性及強(qiáng)度顯著提高耐磨性及強(qiáng)

5、度顯著提高n降低生產(chǎn)成本降低生產(chǎn)成本檢驗(yàn)項(xiàng)目檢驗(yàn)項(xiàng)目氫氣燒結(jié)氫氣燒結(jié)真空燒結(jié)真空燒結(jié)硬度硬度HRA91.091.6抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度/MPa12301950抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度/MPa42004470比例極限比例極限/MPa17201760彈性模數(shù)彈性模數(shù)103MPa530570切削試樣：深度切削試樣：深度3.18mm 后面磨損后面磨損速度速度200m/min 2min 月牙洼磨損月牙洼磨損 0.43mm0.71mm0.127mm0.381mmWC-TiC8%TaC11.5%-Co8.5%合金合金氫氣及真空燒結(jié)平均物理力學(xué)性能的比較氫氣及真空燒結(jié)平均物理力學(xué)性能的比較9硬質(zhì)合金真空燒結(jié)淬火硬質(zhì)合金真

6、空燒結(jié)淬火n理論依據(jù)理論依據(jù)n燒結(jié)淬火工藝燒結(jié)淬火工藝燒結(jié)二次加熱淬火燒結(jié)二次加熱淬火燒結(jié)直接淬火燒結(jié)直接淬火n影響燒結(jié)淬火的主要因素影響燒結(jié)淬火的主要因素n真空燒結(jié)淬火對(duì)硬質(zhì)合金性能和結(jié)構(gòu)的影響真空燒結(jié)淬火對(duì)硬質(zhì)合金性能和結(jié)構(gòu)的影響10影響燒結(jié)淬火的主要因素影響燒結(jié)淬火的主要因素n加熱溫度：加熱溫度：8001500；n保溫時(shí)間：保溫時(shí)間：few min2h；n加熱介質(zhì)（氣氛）：鹽浴、氮?dú)狻⒄婵盏?；加熱介質(zhì)（氣氛）：鹽浴、氮?dú)?、真空等；n淬火介質(zhì)：油、水、氣體（氮?dú)?、氬氣、液氮等）；淬火介質(zhì)：油、水、氣體（氮?dú)?、氬氣、液氮等）；n回火：回火：200700、140h，真空爐或氫氣保護(hù)；真空爐或氫

7、氣保護(hù)；n設(shè)備：高溫鹽浴爐、飽和氣氛加熱爐、真空燒結(jié)淬火爐設(shè)備：高溫鹽浴爐、飽和氣氛加熱爐、真空燒結(jié)淬火爐n真空度：真空度：6.60.66Pa11真空燒結(jié)淬火對(duì)性能和結(jié)構(gòu)的影響真空燒結(jié)淬火對(duì)性能和結(jié)構(gòu)的影響n(yōu)不同真空淬火工藝對(duì)合金性能的影響不同真空淬火工藝對(duì)合金性能的影響室溫抗彎強(qiáng)度提高室溫抗彎強(qiáng)度提高530， Co含量越高，效果越明顯；含量越高，效果越明顯；沖擊疲勞韌度提高沖擊疲勞韌度提高100300；硬度提高硬度提高0.21HRA，磁力和密度變化不大。磁力和密度變化不大。不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金，不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金， 淬火溫度至關(guān)重要；淬火溫度至關(guān)重要；其他因素有相同的影響和范圍。其他因素有相同

8、的影響和范圍。n真空淬火合金微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響真空淬火合金微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響n(yōu)真空淬火對(duì)合金硬質(zhì)相的影響真空淬火對(duì)合金硬質(zhì)相的影響12真空燒結(jié)淬火合金微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響真空燒結(jié)淬火合金微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響編號(hào)編號(hào)合金中合金中WC的含的含量量 Co(111)/-Co-Co（10111011）衍射峰高比衍射峰高比相分析相分析燒結(jié)態(tài)燒結(jié)態(tài)直油淬態(tài)直油淬態(tài)燒結(jié)態(tài)燒結(jié)態(tài)直油淬態(tài)直油淬態(tài)123456780258101215185.012.716.817.530.030.4-1.812.515.230.635.348.048.5-Co相相Co相相Co相相Co相相Co相，相，WC微量微量Co相，相，WC少量少量Co相，相，WC

9、Co相，相，WCCo相相Co相相Co相相Co相相Co相相Co相，相，WC微量微量Co相，相，WC少量少量Co相，相，WCCo基合金基合金X射線(xiàn)衍射分析結(jié)果射線(xiàn)衍射分析結(jié)果13真空燒結(jié)淬火合金微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響真空燒結(jié)淬火合金微區(qū)結(jié)構(gòu)的影響n(yōu)Co基合金成分與結(jié)構(gòu)的變化基合金成分與結(jié)構(gòu)的變化l在燒結(jié)態(tài)在燒結(jié)態(tài)Co基合金中，基合金中，WC在在Co相中的飽和溶解度為相中的飽和溶解度為10%左左右，而在淬火態(tài)合金中右，而在淬火態(tài)合金中12%，l Co/-Co比值隨比值隨Co中溶解的中溶解的WC量的增加而增大，直到出量的增加而增大，直到出現(xiàn)現(xiàn)WC相。融入相。融入Co相的相的WC相對(duì)相對(duì) Co向向-Co的晶型轉(zhuǎn)

10、變起的晶型轉(zhuǎn)變起到了抑制作用。到了抑制作用。 nWC-Co合金合金Co相結(jié)構(gòu)的變化相結(jié)構(gòu)的變化l隨著淬火溫度的提高，隨著淬火溫度的提高， Co/-Co比值增大比值增大l Co/-Co比值峰值對(duì)應(yīng)的合金抗彎強(qiáng)度最高值比值峰值對(duì)應(yīng)的合金抗彎強(qiáng)度最高值14真空燒結(jié)真空燒結(jié)Fe-Al基合金基合金例子例子15Fe-Al基金屬間化合物基金屬間化合物n金屬間化合物：金屬間化合物： Ni-Al系，系，Ti-Al系，系，F(xiàn)e-Al系系nFe-Al金屬間化合物的特點(diǎn)：金屬間化合物的特點(diǎn)：l優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度高比強(qiáng)度高高的抗氧化性高的抗氧化性高的耐腐蝕性：高的耐腐蝕性：S化氣氛中優(yōu)于不銹鋼及防腐涂層化氣氛中優(yōu)于不銹

11、鋼及防腐涂層成本低：為不銹鋼的成本低：為不銹鋼的1/3l缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：脆性、斷裂抗力差、脆性、斷裂抗力差、低塑性、成型性差低塑性、成型性差16研究目的研究目的n采用采用Fe、Al 單質(zhì)粉末通過(guò)真空燒結(jié)制取近終單質(zhì)粉末通過(guò)真空燒結(jié)制取近終成形的成形的FeAl 基合金制品基合金制品,n有效解決鐵鋁金屬間化合物加工成形的困難有效解決鐵鋁金屬間化合物加工成形的困難；n獲得均勻細(xì)小的獲得均勻細(xì)小的FeAl 組織晶粒組織晶粒,提高提高FeAl基合基合金材料的性能。金材料的性能。17材料及試驗(yàn)方法材料及試驗(yàn)方法n實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)材料： 99.75%, Fe 粉、粉、 99.85%，Al 粉，粒度均為粉，粒度均為

12、200 目，配比為目，配比為原子比原子比Fe Al=1 1n實(shí)驗(yàn)工藝流程：實(shí)驗(yàn)工藝流程： 球磨球磨壓坯壓坯燒結(jié)燒結(jié)成分、組織及力學(xué)性能分析成分、組織及力學(xué)性能分析18制備方法制備方法n球磨：球磨： QM-1F 型行星球磨機(jī)，室溫型行星球磨機(jī)，室溫, 氬氣保護(hù)氬氣保護(hù),轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速200 r/ min, 分別球磨分別球磨2、4、6、8、10 、12 h, 球磨介質(zhì)：瑪球磨介質(zhì)：瑪瑙球瑙球, 球料比為球料比為10 1(質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)n壓坯：壓坯： 60 t 材料試驗(yàn)機(jī)，壓力為材料試驗(yàn)機(jī)，壓力為1.5 GPa, 將粉末置于冷壓將粉末置于冷壓模中保壓模中保壓10 min, 壓制成壓制成110 m

13、m10 mm 的坯料。的坯料。n燒結(jié)：燒結(jié)： 管式電阻爐進(jìn)行真空燒結(jié)管式電阻爐進(jìn)行真空燒結(jié), 升溫速率升溫速率10/ min, 真空真空度為度為310 - 3 Pa, 200下除氣下除氣10 min，燒結(jié)，燒結(jié)6204 h。19成分、組織及力學(xué)性能分析方法成分、組織及力學(xué)性能分析方法nX 射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn): D/MAX-RC 型衍射儀型衍射儀, Cu 靶靶,K 0.1504 nm, 40 kV,80 mA。n掃描電鏡觀察：掃描電鏡觀察： 日立日立S2570 型，粉末顆粒形貌特征型，粉末顆粒形貌特征n力學(xué)測(cè)試試樣：燒結(jié)態(tài)。力學(xué)測(cè)試試樣：燒結(jié)態(tài)。l硬度測(cè)試：硬度測(cè)試： 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)HX2100

14、0 型顯微硬度計(jì)型顯微硬度計(jì), 8 點(diǎn)的平均值。點(diǎn)的平均值。l橫向斷裂強(qiáng)度：三點(diǎn)彎曲法橫向斷裂強(qiáng)度：三點(diǎn)彎曲法,斷裂韌性：?jiǎn)芜吳锌诜〝嗔秧g性：?jiǎn)芜吳锌诜?SENB), 5 個(gè)試樣的平均值。個(gè)試樣的平均值。 nFe 和和Al 組元的晶粒尺寸和微觀應(yīng)變由衍射峰的半高寬求得組元的晶粒尺寸和微觀應(yīng)變由衍射峰的半高寬求得20球磨粉末分析球磨粉末分析nT T球磨球磨增加增加, Fe 和和Al 的衍射峰變的衍射峰變寬寬, 強(qiáng)度減弱強(qiáng)度減弱, 晶粒尺寸細(xì)化晶粒尺寸細(xì)化, 晶格畸變?cè)黾泳Ц窕冊(cè)黾? ;n球磨球磨4 h, 形成了納米晶復(fù)合粉形成了納米晶復(fù)合粉,球磨球磨8 h , Al 的衍射峰完全消的衍射峰完全

15、消失。失。n在在Al 非晶化后非晶化后, 仍有個(gè)別仍有個(gè)別Fe 晶面的衍射峰晶面的衍射峰, Al 比比Fe 更易更易發(fā)生塑性變形發(fā)生塑性變形, 導(dǎo)致導(dǎo)致Al 晶粒在晶粒在球磨過(guò)程中由于承受較大的球磨過(guò)程中由于承受較大的塑性變形而細(xì)化。塑性變形而細(xì)化。n球磨球磨12 h,只有金屬間化合物只有金屬間化合物FeAl 的衍射峰的衍射峰。21球磨時(shí)間對(duì)球磨時(shí)間對(duì)Fe-Al晶粒尺寸的影響晶粒尺寸的影響22不同球磨時(shí)間獲得的不同球磨時(shí)間獲得的Fe-Al材料形貌材料形貌23燒結(jié)體的力學(xué)性能燒結(jié)體的力學(xué)性能24真空燒結(jié)真空燒結(jié)Fe-Al試樣彎曲斷口分析試樣彎曲斷口分析n經(jīng)經(jīng)6204 h 燒結(jié)試樣的室燒結(jié)試樣的室

16、溫彎曲斷口形貌溫彎曲斷口形貌, n室溫下的彎曲斷裂特征呈典室溫下的彎曲斷裂特征呈典型的韌窩斷口型的韌窩斷口, 呈現(xiàn)高塑性呈現(xiàn)高塑性n塑性的提高塑性的提高由于隨著晶粒尺寸的減小由于隨著晶粒尺寸的減小, 晶界的晶界的密度增高密度增高, 在晶界區(qū)域擴(kuò)散系數(shù)較在晶界區(qū)域擴(kuò)散系數(shù)較大大, 存在著大量的短程快擴(kuò)散路徑存在著大量的短程快擴(kuò)散路徑所致。所致。組織均化。由于在機(jī)械合金化過(guò)組織均化。由于在機(jī)械合金化過(guò)程中程中Al 均勻彌散分布于均勻彌散分布于Fe 中中, 且且隨著球磨的進(jìn)行隨著球磨的進(jìn)行, 形成均勻的固溶形成均勻的固溶體體, 通過(guò)燒結(jié)后得到了力學(xué)性能均通過(guò)燒結(jié)后得到了力學(xué)性能均一的組織一的組織25結(jié)論結(jié)論n高能球磨使高能球磨使FeFe、Al Al 混合粉形成具有層片結(jié)構(gòu)的復(fù)合混合粉形成具有層片結(jié)構(gòu)的復(fù)合粉粉, ,且球磨時(shí)間越長(zhǎng)且球磨時(shí)間越長(zhǎng), ,復(fù)合粉顆粒中的復(fù)合粉顆粒中的FeFe、Al Al 層片越層片越薄越均勻。高能球磨薄越均勻。高能球磨12 h, 12 h, 可以獲得成分單一的金可以獲得成分單一的金屬間化合物屬間化合物FeAlFeAl。n球磨導(dǎo)致層片細(xì)化