硬质合金烧结方法

硬质合金烧结是生产过程中最基本、最关键的工序,也是最后一道工序。烧结方法及装备对产品有着巨大影响。传统的烧结方法有氢气烧结、真空烧结、热等静压、真空后续热等静压、烧结热等静压等,随后又出现了微波烧结,微波烧结成为了硬质合金烧结新进展。现以这几种硬质合金烧结方法做一综合介绍。

硬质合金烧结工艺图片

氢气烧结

将压坯装在石墨舟中,再充填一定含碳量的氧化铝填料或石墨颗粒填料,装入连续推进式的钼丝炉内,在氢气保护下烧结。氢气烧结能提供还原性气氛,需要预烧结来清除压制时添加的成形剂。氢气烧结存在许多不足。钼丝刚玉管炉的优点是结构简单、炉子功率小、炉管寿命长,但是炉温控制不准、炉内气氛变化大、产品易渗碳、脱碳。另外,其烧结过程在正压下进行,产品内部的孔隙不能充分消除,留有残余孔隙,氧化物杂质不能较好地挥发排除。

真空烧结

真空烧结就是在负压的气体介质中烧结压制的过程。真空烧结与氢气烧结相比,可提高炉气纯度,同时负压改善了粘结相对硬质相的润湿性。真空烧结优点:(1)更好地排除烧结体中Si、Mg、Ca等微量氧化物杂质,提高硬质合金纯度;(2)真空下气相的渗碳、脱碳作用减少,保证最终合金的碳含量,控制合金的组织结构;(3)降低烧结温度或保温时间,防止碳化物晶粒不均匀长大;(4)烧结品残留孔隙比氢气烧结少,提高合金密度和机械性能;(5)烧结时产品不用填料隔开,操作简单,产品表面无粘附物和白亮的金属铝沉积物。缺点是产品内部有少量孔隙和缺陷。

热等静压

真空烧结法制备硬质合金,产品内部有残余孔隙,而热等静压正好解决了这一问题。把粉末压坯和装入特制容器内的粉末体(即粉末包套)置入热等静压机高压容器中,施以高温及高压,使粉末被压制烧结成致密的零件或材料,其过程称粉末热等静压烧结工艺。粉末热等静压的工艺原理,是粉末体(粉末压坯或包套内的粉末)在等静压高压容器内经受高温和高压,强化了压制与烧结过程,降低制品烧结温度,改善制品的晶粒结构,消除材料内部颗粒间的缺陷及孔隙,提高材料的致密度及强度。

真空后续热等静压

硬质合金制品经真空(或氢气)烧结后,可以消除压坯中的孔洞,基本完成致密化过程。为进一步提高硬质合金密度和抗弯强度,可进行后续热等静压处理,以消除微孔,并使残留石墨溶解于液相,通过扩散来消除石墨相。真空后续热等静压工艺是产品经传统真空烧结后,进行热等静压,将烧结好的产品或烧结到密度高于92%理论密度的产品,再在压力为80~150MPa、惰性气体为加压介质、温度为1320~1400℃的热等静压机中处理。这类方法生产的产品制品其形状、硬质合金种类不受限制,产品表面光洁度好,可降低或消除孔隙,成分和硬度分布均匀,提高抗弯强度。

这类技术缺陷:(1)虽热等静压温度比真空烧结温度略低,但对产品是再一次烧结,在液相温度或高于液相温度下,碳化钨通过液相重结晶而长大,引起合金内部碳化钨晶粒大小分布不均,粗大的碳化钨晶粒有着断裂源的作用,合金强度降低;(2)烧结时,使用的压力高(100MPa以上),设备设计复杂,费用昂贵,维护难度大,操作复杂;(3)由于压力高,易引起液相Co的运动和迁移,被挤压到合金的空洞或孔隙内,形成“钴池”,引起粘结相在合金内分布不均匀;(4)热等静压时,产品被搁置在石墨板或难熔金属网格上,并与加压气体接触,因而产品表层不可避免会和石墨及惰性气体中的O2、N2、H2O、CO2、CO、CH4等气体作用而发生成分和结构变化。

烧结热等静压

烧结热等静压又称过压烧结或低压热等静压工艺,是在低于常规热等静压的压力(大约6MPa)下对工件同时进行热等静压和烧结的工艺,它将产品的成型剂脱除、烧结和热等静压合并在同一设备中进行,将工件装入真空烧结等静压炉,在较低温度下低压载气(如氢气等)脱蜡后,在1350~1450℃进行真空烧结,接着在同一炉内进行热等静压,采用氩气作为压力介质,压制压力为6MPa左右,保温一定时间进行冷却。

微波烧结

微波烧结是利用在微波电磁场中材料的介质损耗,使整体加热至烧结温度实现致密化的快速烧结。常规烧结依靠发热体通过对流、传导、辐射传热,材料受热从外向内,烧结时间相对较长,晶粒较易长大。微波烧结是依靠材料本身吸收微波能转化为材料内部分子的动能和势能,材料内外同时加热,材料内部热应力可减到最小,在微波电磁能作用下,材料内部分子或离子的动能增加,使烧结活化降低,扩散系数提高,可以进行低温快速烧结,使细粉来不及长大就被烧结。微波烧结是制备细晶材料的有效手段之一。

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