硬質(zhì)合金燒-結(jié)工藝課件

1、硬質(zhì)合金燒 結(jié)工藝主講人：程秀蘭1 燒結(jié)過程的基本理論2 燒結(jié)工藝3熱等靜壓處理與壓力燒結(jié)4.燒結(jié)廢品的處理硬質(zhì)合金燒 結(jié)工藝1燒結(jié)過程的基本理論1. 1燒結(jié)過程四階段及相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變1. 2燒結(jié)體的致密化1. 3 WC晶粒長大及其控制1. 4燒結(jié)過程的碳反應(yīng)及碳量控制燒結(jié)的目的是使多孔的粉未壓坯變?yōu)榫哂幸欢ńY(jié)構(gòu)和性能的合金。燒結(jié)主要是物理過程，燒結(jié)體致密化，碳化物晶粒長大，粘結(jié)相成分的變化以及合金結(jié)構(gòu)的形成等。圖1W-C-CO系狀態(tài)圖在凝固溫度下的等溫切面1. 1 燒結(jié)過程四階段及相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變1.1.1. 脫蠟預(yù)燒階段（800）成形劑的脫除 粉末表面氧化物還原 粉末顆粒相互之間的狀態(tài)發(fā)生變

2、化1.1.2. 固相燒結(jié)階段（800共晶溫度）共晶溫度是指緩慢升溫時，燒結(jié)體中開始出現(xiàn)共晶液相的溫度，對于WC-CO合金，在平衡燒結(jié)時的共晶溫度為1340。 1.1.3. 液相燒結(jié)階段（共晶溫度燒結(jié)溫度）1） WC-CO合金的平衡燒結(jié)過程圖2WC-CO偽二元狀態(tài)圖2） WC-CO合金的不平衡燒結(jié)過程首先，在不平衡燒結(jié)過程中，當(dāng)壓塊升溫達到共晶溫度之前，固溶體的成分不符合a”a線，而是滯后于a”a線的變化。同時，燒結(jié)體在共晶溫度下并不保溫。 不平衡燒結(jié)過程有如下特點： 由于熱滯后現(xiàn)象，只有在共晶溫度以上才會出現(xiàn)液相。 在燒結(jié)體內(nèi)各小區(qū)域里出現(xiàn)液相的時間是不同的。未經(jīng)足夠長的保溫時間，燒結(jié)體各部位

3、液相的成分是不同的。 其次，燒結(jié)體的原始組成 并不理想。介質(zhì)的影響。燒結(jié)體凝固之前的相組成，決定于其最終含碳量：碳量不足，則為WC+液相；碳量過剩，則為WC+C+液相；碳適量，則為WC+液相。1.1.4. 冷卻階段（燒結(jié)溫度室溫）冷卻速度只影響 相成分，不影響組織，最終組織為 WC+。 WC-TiC- CO合金的燒結(jié)：與WC CO合金的燒結(jié)基本類似 。其主要區(qū)別表現(xiàn)在液相的成分，出現(xiàn)液相的溫度和所得合金組織的不同。 圖3 YG15合金燒結(jié)時試樣長度為50.5毫米的收縮過程1舟皿上層試樣 2舟皿下層試樣1.2燒結(jié)體的致密化1.2.1.致密化機理：致密化機理是流動過程 。1） 固相燒結(jié)時的擴散與塑

4、性流動2）液相燒結(jié)時的重排、溶解析出與界面結(jié)構(gòu)的形成重排： 必要前提： 溶解-析出界面結(jié)構(gòu)的形成 圖4 液相燒結(jié)階段的致密化過程液-固相間的潤濕角 液相的數(shù)量燒結(jié)體的含碳量 原始碳化物顆粒的大小 粘結(jié)金屬與碳化物混合的均勻程度 燒結(jié)時間 燒結(jié)過程的活化 1.2.2. 影響致密化過程的因素1.3.1. WCCO合金 1） 碳化鎢晶粒長大的動力液相重結(jié)晶是WC不斷的溶解析出過程。長大的動力是不同WC晶粒表面能和晶格能的差異。1. 3 WC晶粒長大及其控制2） 影響碳化鎢晶粒長大的因素1.液相數(shù)量影響液相數(shù)量的主要因素是：a.燒結(jié)溫度 影響液相數(shù)量的主要因素是：a.燒結(jié)溫度b.含鈷量c.含碳量混合料

5、的狀態(tài)a.原始粉末的粒度b.粒度分布均勻性c.磨碎程度重結(jié)晶阻力（添加劑的加入） 添加碳化物的作用：阻止WC晶粒長大；降低對燒結(jié)溫度的敏感性；降低WC晶粒長大傾向?qū)μ嫉拿舾行?；降低WC晶粒長大傾向?qū)衲r間的敏感性。（2）WCTiCCO合金1） TiC-WC兩相合金固溶體的晶粒長大具有如下特點：與碳化鎢不同，長大的結(jié)果沒有那樣明顯的不均一性。對工業(yè)合金而言，固溶體的晶粒長大與燒結(jié)體的液相數(shù)量無關(guān)。這種合金的固溶體晶粒長大主要決定于燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間。合金的晶粒大小與碳化鈦在混合料中存在的形式有關(guān)。1.3.2 TiC-WCWC三相合金WC與固溶體相互制約，阻礙晶粒長大；WC與固溶體相對數(shù)量及原始

6、粒度；WC與固溶體混合不均勻，會大大的增強晶粒長大趨勢。影響最大的是固溶體成分。1.3.3.硬質(zhì)合金的粒度控制粒度控制必須從還原抓起、還原、碳化、濕磨、燒結(jié)四大工序一起考慮，才能獲得所需的合金晶粒度和性能。1） WC粒度對合金性能的影響對硬度的影響 對抗彎強度的影響對斷裂韌性的影響3） 燒結(jié)過程粒度控制 燒結(jié)溫度 燒結(jié)時間 混合料的粒度 鈷含量碳含量2）濕磨過程的粒度控制 晶粒抑制劑a、抑制機理概述關(guān)于抑制機理，主要有兩種理論：溶解理論；吸附理論。b、抑制劑的種類與抑制效果抑制晶粒長大的效果，大體上按VC Mo2C Cr3C2NbCTaCTiCZrCHfC排列?？梢奦C的抑制效果最好。 c、影

7、響抑制效果的因素在WC/CO界面上的晶粒長大抑制劑的“早期”有效性就能決定抑制長大的程度?？梢?，如何使微量抑制劑在合金中均勻地分布就成了問題的關(guān)鍵。就幾何參數(shù)的影響而言，所有相（WC、CO和抑制劑碳化物）在粉末壓塊中的分布狀況決定著后續(xù)燒結(jié)時的初始幾何位置。抑制劑碳化物是以細散碳化物顆粒形式存在于WC、CO粉末基體中。在后續(xù)燒結(jié)過程中，決定抑制劑利用率的參數(shù)如下（見圖5-52）。（a）減小WC粒度可使WC/CO界面的面積增大。這就意味著增大的WC晶體表面應(yīng)當(dāng)獲得大量的抑制劑（圖5-52a）。但如此增大的抑制劑供給量不可能超過一定的限度，因為它取決于抑制劑在粘結(jié)相中的飽和濃度。（b）較低的粘結(jié)劑

8、含量可使在給定溫度下溶解、遷移、亦即可利用的抑制劑總量減少（圖5-52b）。（c）粉末壓塊中粘結(jié)劑分布不均勻會使燒結(jié)過程中抑制劑的利用率產(chǎn)生局部差別，因此，其有效數(shù)量也隨著粘結(jié)相的分布狀況而變化（圖5-52b）。（d）粉末壓塊中抑制劑粒度分布不均勻或其粒度增大會使其均勻分布所必需的抑制劑的平均擴散程增大。（圖5-52c） （一） 燒結(jié)各階段分析一）室溫500：二）500600三）6001000四）1000燒結(jié)溫度5.1.6結(jié)過程的碳反應(yīng)及碳量控制（一） 燒結(jié)過程的化學(xué)反應(yīng)1.4. 燒結(jié)過程的碳反應(yīng)及碳量控制硬質(zhì)合金生產(chǎn)過程中精確的碳量控制是十分困難、十分復(fù)雜的。概括起來，對采用真空燒結(jié)工藝來說

9、，就是控制生產(chǎn)過程的氧碳平衡。對采用氫氣燒結(jié)工藝來說，就是控制生產(chǎn)過程中的氧碳氫平衡。最終使產(chǎn)品獲得所需要的理想的合金組織和最佳使用性能。1.4.2.1WC-CO合金的相成分及相區(qū)大小YG合金的相成份有三種情況：WC +、WC、WC+C。合金二相區(qū)碳量下限=6.128%0.0737CO ( 重量)%1.4.2.2.硬質(zhì)合金中碳量允許波動范圍WC-CO合金二相區(qū)的寬度，隨合金中加入其它碳化物而發(fā)生變化。 一）碳量變化對合金性能的影響 對合金強度的影響 對合金硬度的影響 對合金密度的影響圖5-67 WC11%CO合金密度與WC總碳的關(guān)系（真空燒結(jié)）（二相區(qū)寬度測量偏大） 對抗腐蝕的影響 對相晶格常

10、數(shù)的影響對磁飽和的影響 C=0.01%，引起Ms值變化量Ms=22高斯左右 配料計算： 碳平衡 脫蠟、預(yù)燒階段的碳量控制a、 真空脫蠟預(yù)燒時脫碳不可避免b、 采用H2和真空脫蠟、預(yù)燒相結(jié)合，可減少碳損失c、 預(yù)燒后制品在空氣中的氧化1.4.2.4. 如何進行碳量控制 燒結(jié)階段的碳量控制a、氫氣燒結(jié)的碳量控制H2燒結(jié)中的碳量控制實質(zhì)上是控制爐內(nèi)的碳氣氛。（a）、脫碳反應(yīng)（b）、滲碳反應(yīng) 如圖5-74所示，壓制品中的橡膠，在300開始裂化，析出碳氫化合物（以CH4為代表），600裂化完畢。CH4在400500開始，在鈷或AL2O3的催化下分解（與爐內(nèi)H2濃度有關(guān)），生成H2和C（CH4=2H2+C

11、）。 在正常情況下，一部分CH4被H2帶走，一部分被分解，將碳留于制品內(nèi)，當(dāng)溫度升至1100以上時，留在制品內(nèi)的碳與碳不飽和WC（總碳為5.930.03%）中的W和W 2 C反應(yīng) ，生成WC（W+C=WC；W2C+C=2WC）。如果此碳剛好合適，合金就形成WC+二相結(jié)構(gòu)。如果“此碳”不足，合金則形成WC+三相結(jié)構(gòu)，如果“此碳”有余，合金則形成WC+C三相結(jié)構(gòu)。 b、真空燒結(jié)的碳量控制（a）脫氧（脫碳）反應(yīng)：MeO+C= Me +CO（b）滲碳反應(yīng)（c）控碳小結(jié)石蠟、PEG、真空燒結(jié)，可以使總碳為理論值。氫氣燒結(jié)、橡膠：（1）要控制其增碳量在確定范圍；（2）控制氫與甲烷的比例。圖1-92 爐溫曲

12、線（370，保溫2小時）.2. 燒結(jié)工藝2.1 備料、尺寸的計算與應(yīng)用（1）尺寸：尺寸就是指燒結(jié)中心離表面的最短距離。 實心圓柱體或d1d時（長棒）A=d h 當(dāng)h=d時 （短棒）A=(h+d)/2 當(dāng)hd時（薄片）A=1.5h d方塊：（長l寬b高h） 當(dāng)h最小，l最大 h 且h2t時（管狀）A=1.5t d1 當(dāng)h=t/22t時(短筒)A=(t+h)/2 h 當(dāng)ht/2時（薄園片）A=1.5h圖1燒結(jié)尺寸示意圖（3）裝料（4）燒結(jié)操作（5）卸料 5.3.2 接觸材料的特性與選擇（1）燒結(jié)接觸材料接觸材料 ：將刀片與石墨舟皿隔離。這種材料稱為接觸材料。（2）等離子噴涂a. 目的：防止燒結(jié)產(chǎn)品

13、粘舟。b. 原理圖5-99 控制塊擺放圖影響等離子噴涂的主要因素有等離子氣體、電弧功率（電流、電壓）、噴涂材料（粒度、送粉速度、載氣流量）、噴涂距離、噴涂角度等。等離子氣體應(yīng)滿足下述幾條要求：熱容量高，性能穩(wěn)定，不與噴涂材料發(fā)生有害的反應(yīng)，具有足夠的密度，純度要高（99.9%）。 c. 等離子噴涂設(shè)備2.3.3 燒結(jié)曲線（1）燒結(jié)曲線的定義：將燒結(jié)過程中溫度、時間、爐內(nèi)氣氛及壓力等工藝參數(shù)的設(shè)置、調(diào)控與監(jiān)測編成計算機程序，輸入電腦進行自動控制，并將自動控制的過程在直角坐標的記錄紙中形象地表現(xiàn)出來的曲線，叫做燒結(jié)曲線。(圖5103 所示為典型的燒結(jié)曲線之一)（2）燒結(jié)曲線的分類燒結(jié)曲線劃分的原則

14、是根據(jù)燒結(jié)制品的尺寸大小確定的，不同的尺寸采用不同的脫蠟燒結(jié)制度，即不同的燒結(jié)曲線。2.3.4脫蠟與托瓦克過程（1）脫蠟脫蠟過程中主要作用是排除Peg（潤滑劑）。非常重要的一條是：Peg的排出和燃燒必須要控制在正確的溫度范圍、正確的氣氛、氣壓及合適的排出速度下進行。（2）Torvac(托瓦克)過程使各部位特別是“死角”處燒結(jié)體中殘留的成型劑都能干凈地排掉，以利于碳量控制。利用氫氣的反復(fù)充填、抽出、將碳氈，爐壁上殘留的Peg沖刷干凈。由于溫度為450左右，氣還可將壓塊中存在的和o的氧化物（主要是o的氧化物）進一步還原成金屬。循環(huán)次數(shù)取決于爐料的多少，一般規(guī)定，300公斤時，采用7次循環(huán)，每次循環(huán)

15、一般89分鐘，7個循環(huán)，大約1小時。300公斤，用13個循環(huán)，大約2小時。2.3.5 刀片燒結(jié)（）燒結(jié)第一階段從4501350半小時保溫之后，為燒結(jié)第一個階段。在此階段，發(fā)生下列作用：產(chǎn)品開始收縮；碳化物在固態(tài)粘結(jié)金屬中溶解；溶有碳化物的粘結(jié)劑在1300左右熔化，進而大量溶解碳化物；保溫半小時后，合金進一步收縮，孔隙消失。此時，合金的線收縮率大約達18，體收縮率約50。（）繞結(jié)第二階段第二階段是從1350保溫半小時后開始，到最終溫度（一般為1450）保溫完畢后結(jié)束。a. 燒結(jié)過程的反應(yīng)“偽二元”相圖分析。根據(jù)杠桿原則可以計算出此時合金的相成分：相11.5，相88.5。 b. 碳量控制1350保

16、溫的作用：由圖5106可見，在1350時，相區(qū)尖進的兩相區(qū)內(nèi)，使得本來就很窄的兩相區(qū)在此溫度下變得更窄。 （）冷卻冷卻過程大體分為兩段，從最終燒結(jié)溫度到1300為第一階段，屬自然冷卻。從1300開始通入980毫巴的r氣，開動冷卻風(fēng)機，讓r循環(huán)，對爐料進行強制冷卻，一直冷到100出爐為止，為第二階段。（）氣氛控制：r氣，作用有：是為了保護熱電偶，因為在高溫下，熱電偶陶瓷套管會與爐氣中之起作用，而逐漸被腐蝕，通入氬氣，就可阻止反應(yīng)的進行；防止o的揮發(fā)，保證合金的成分與質(zhì)量。 （1）240爐Torvac、預(yù)燒工藝制度（2）用120間歇式爐進行最終燒結(jié)：2.3.6 頂錘的兩段燒結(jié)工藝曲線有關(guān)情況說明如

17、下：20900：20450，成型劑脫除，氧化物還原。450900，氧化物還原，脫碳反應(yīng)進行。900：脫碳反應(yīng)劇烈進行，因為燒結(jié)體是多孔體，所以燒結(jié)體整體嚴重缺碳。1150（16小時）：弱滲碳反應(yīng)。該過程由于固相燒結(jié)作用，燒結(jié)體相對致密，滲碳作用緩慢進行。后面分三個階段進行燒結(jié)和滲碳，1250，1400和1560。滲碳作用一步步增強。2.3.7 擠壓產(chǎn)品的燒結(jié)2.3.8 大制品燒結(jié)2.4.1定義與目的待涂層合金壓坯（或已燒好的產(chǎn)品）在爐中進行多氣氛燒結(jié)，升溫到1350保溫0.5小時后，通入少量氣體于1450保小時進行高溫滲，而后在濃烈的氣氛中隨爐冷卻的熱處理工藝叫做處理。其目的是為了改善硬質(zhì)合金

18、毛坯的表面狀態(tài)，在涂層時使基體與涂層結(jié)合更牢固，避免相的產(chǎn)生。2.4.2 工藝曲線及處理方法(1) 溫度曲線：示于圖5107中。2.4 處理（） 處理方法燒結(jié)爐內(nèi)利用（）垛的位置裝一個發(fā)生器，發(fā)生器如圖5108所示。5.4.3 熱處理分類（）先燒結(jié)后熱處理；（）燒結(jié)和熱處理同時進行。5.4.4熱處理作用機理熱處理的作用：處理的實質(zhì)是高溫滲碳處理，其作用是使某些待涂層牌號合金一次燒結(jié)后在表面形成的連續(xù)的層向燒結(jié)體內(nèi)部遷移，而成點狀，以便增強涂層和基體之間的結(jié)合強度。原理是：反應(yīng)的結(jié)果，在爐內(nèi)形成一種弱滲碳性氣氛。而鈷有一種“厭碳”特點，即在高溫時向碳含量相對較低的方向遷移。當(dāng)氣氛是滲碳性時，鈷就

19、向燒結(jié)體內(nèi)部遷移，連續(xù)鈷層消失。3 熱等靜壓處理與壓力燒結(jié)1.1熱等靜壓處理1.1.1工藝原理等靜熱壓工藝所用的主體設(shè)備為等靜熱壓機，其工作原理如圖5109所示。5.5.2熱等靜壓工藝等靜熱壓的一般工藝是：將粉末裝在密閉的，與壓制品形狀相同的包套里，再裝入等靜熱壓機的缸體中，在高溫、高壓下，粉末與包套均勻變形、收縮，降溫降壓后，除去包套，就能得到均勻、致密的細晶粒制品。（1） 包套1）包套的作用 包套相當(dāng)于模具，可使制品獲得一定的形狀，便于除去粉末中的氣體，并保證在隨后的工藝中防止加壓氣體的侵入。2）包套的選擇原則 包套材料不應(yīng)與粉末發(fā)生反應(yīng)；必須適應(yīng)工藝所要求的溫度、壓力特性；包套本身氣密性

20、要絕對可靠；此外還應(yīng)易于加工和焊接。3） 包套加工方法 4）填裝粉末 （2）壓力介質(zhì)1）壓力介質(zhì)的作用及其選擇 等靜熱壓是采用氣體作為壓力傳遞介質(zhì)。其作用有二，一是在缸體中傳遞壓力和溫度；二是保護包套或制品不致氧化。因此，要用惰性氣體才能滿足上述要求，通常使用的是氬或氦；而以氬氣更為常用。2）氬氣的基本性質(zhì) 氬在常溫為氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無味、無毒，臨界溫度為122；臨界壓力為48公斤厘米；氬氣密度在、大氣壓下為0.001783克厘米，而在1000公斤厘米壓力下，卻接近于水的密度（克厘米）。在一般等靜熱壓成形條件下（10001500、10001500公斤厘米），氬氣的密度約在0.250.45克厘米范圍內(nèi)，就是說，比在常溫常壓下的密度高140250倍。氬氣熱傳導(dǎo)系隨溫度的上升略有提高。3）對氬氣的要求氬氣