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硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝

專欄：行業(yè)動態(tài)

發(fā)布日期：2015-09-12

閱讀量：6229

作者：佚名

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原文鏈接：displaynews.html?id=2817368636064704

硬質(zhì)合金是由各種碳化物和鐵族元素組成，例如WC-Co、WC-TiC-TaC-NbC-Co或是TiC-Mo?C-Ni。這些材料的典型特點就是，通過液相燒結(jié)可以達(dá)到幾乎100%理論密度，燒結(jié)后，低的殘余孔隙度是成功應(yīng)用硬質(zhì)合金于金屬切削、石油開采鉆頭或者金屬成形模具等高應(yīng)力使用工況的關(guān)鍵。此外，必須仔細(xì)控制燒結(jié)工藝，以獲得希望的顯微組織和化學(xué)成分。

      在很多應(yīng)用場合，硬質(zhì)合金都是以燒結(jié)態(tài)應(yīng)用的。燒結(jié)態(tài)合金表面經(jīng)常承受條件苛刻的摩擦和應(yīng)力，在大多數(shù)的切削金屬應(yīng)用中，刀頭表面的磨耗深度只要超過0.2~0.4mm,工具就被判定報廢，所以，提高硬質(zhì)合金的表面性能是相當(dāng)重要的。
燒結(jié)硬質(zhì)合金的兩種基本方法：一種是氫氣燒結(jié)——在氫氣中與常壓下通過相反應(yīng)動學(xué)來控制零件成分，另一種是真空燒結(jié)——采用真空環(huán)境或降低環(huán)境氣體壓強，通過減緩反應(yīng)動力學(xué)來控制硬質(zhì)合金成分。真空燒結(jié)有著更為廣泛的工業(yè)應(yīng)用。有時，還采用燒結(jié)熱等靜壓和熱等靜壓，這些技術(shù)都對硬質(zhì)合金的生產(chǎn)有著重要的影響。
       氫氣燒結(jié)：氫氣是還原性的氣氛，但當(dāng)氫氣與燒結(jié)爐壁或承載裝置發(fā)生反應(yīng)時會改變其他成分，提供合適的碳化勢以維持與硬質(zhì)合金的熱力學(xué)平衡。在傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金燒結(jié)中，要將混合料中的碳化物的含碳量調(diào)節(jié)到理論值，并在整個氫氣燒結(jié)過程中維持這個值不變。例如，燒結(jié)94WC-6CO硬質(zhì)合金時，入爐時，碳含量為5.70~5.80%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），出爐時，則要維持在5.76±0.4%
        氫氣燒結(jié)工藝的氣氛控制能力對于鎢鈷類硬質(zhì)合金來說是足夠的，但是對于切鋼工具用含碳化鈦碳化鉭或碳化鈮的合金來說，氣氛的氧化勢太高，導(dǎo)致合金的成分變化，通常用真空燒結(jié)來減低這些，合金氧化物的含量，氫氣燒結(jié)一般用機械推舟的方式，通過連續(xù)燒結(jié)來完成，可用一個單獨的預(yù)燒爐除去潤滑劑防止揮發(fā)物污染后的高燒結(jié)過程。預(yù)燒結(jié)還可以調(diào)高生胚強度，使能對其進行粗切削加工，例如，進行車削和鉆孔，預(yù)燒結(jié)溫度在500~800攝氏度間，這主要取決于潤滑劑除去的是否徹底及所需生胚強度。
       真空燒結(jié)：與氫氣燒結(jié)相比，真空燒結(jié)主要要幾個優(yōu)點，首先真空燒結(jié)能極好的控制產(chǎn)品成分，在1.3~133pa壓強下，碳和氧氣在氣氛與合金之間的交換速率非常低。影響成分變化的主要因素是碳化物顆粒中的氧含量，而不是碳與真空中稀薄氣體的反應(yīng)速率，因而在燒結(jié)硬質(zhì)合金的工業(yè)生產(chǎn)中，真空燒結(jié)占有優(yōu)勢。
氫氣燒結(jié)時，由于氫氣的滲入以及氫與陶瓷爐部件的反應(yīng)，使得爐內(nèi)的氣氛氣體的氧化勢增高。真空燒結(jié)不存在這些問題，爐內(nèi)氧化勢比氫氣燒結(jié)時低，因此，含有對氧化很敏感的碳化鈦，碳化鉭和碳化鈮的合金，真空燒結(jié)工藝，更為合適。
        其次，真空燒結(jié)可靈活的控制燒結(jié)制度，特別是加熱升溫階段的升溫速率，以滿足生產(chǎn)的需要，例如，當(dāng)燒結(jié)含有碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮的合金時，必須緩慢的升溫，還要有一個在中間的溫度保溫的階段才能得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。真空燒結(jié)是間歇式操作，可靈活調(diào)節(jié)所需要的燒結(jié)制度，而氫氣燒結(jié)大多是連續(xù)燒結(jié)工藝，很能實現(xiàn)對各燒結(jié)階段的溫度進行準(zhǔn)確的控制。
       如果能實現(xiàn)，較慢的升溫速率就有足夠的時間使碳——氧充分反應(yīng)：形成的CO氣體也來的及從連通孔隙逸出，如果升溫速率太快，氣體就會滯留下來，形成孔隙。在真空爐中，很容易調(diào)節(jié)加熱過程的升溫速率，而對于機械推舟式氫氣燒結(jié)爐來說，各燒結(jié)區(qū)的溫度和達(dá)到最高燒結(jié)時的時間，都受限制很難調(diào)整。

現(xiàn)在工業(yè)真空燒結(jié)的操作成本較低，以前的真空燒結(jié)設(shè)備，是小的感應(yīng)加熱爐，這種爐子能量消耗大、冷卻時間長，而且在燒結(jié)前需要單獨清除潤滑劑，現(xiàn)在應(yīng)用的真空燒結(jié)爐至少在以下幾方面比氫氣燒結(jié)成本低：裝爐量大、電阻加熱、用強制氣體冷卻以及可在爐內(nèi)清除潤滑劑。
燒結(jié)熱等靜壓：燒結(jié)熱等靜壓有時也稱之為過壓燒結(jié)和加壓燒結(jié)。燒結(jié)爐實際上是一個可以充壓的真空燒結(jié)爐，為了減少或消除殘留空隙在燒結(jié)溫度下當(dāng)零件內(nèi)形成封閉孔隙后，往爐內(nèi)充以惰性氣體對其施加等靜壓力，氬氣壓力在1.5~10Mpa，遠(yuǎn)低于通常意義的熱等靜壓壓力。一個具體的燒結(jié)過程，包括潤滑劑清除、氧化物還原和碳化物合金燒結(jié)。當(dāng)碳化物燒結(jié)出現(xiàn)閉孔時，才將爐內(nèi)的低壓熱的靜壓力升到較高的水平。有報道指出對于含Co3%~6%的WC-Co牌號的硬質(zhì)合金，燒結(jié)熱等靜壓壓力大約為0.2Mpa溫度在1420~1460攝氏度范圍內(nèi)出現(xiàn)閉孔；而對于含有立方碳化鎢的硬質(zhì)合金，在1430~1480攝氏度時出現(xiàn)閉孔。就作業(yè)成本而言同等生產(chǎn)能力的燒結(jié)熱等靜壓設(shè)備操作成本比真空燒結(jié)爐的操作成本要高的多。
熱等靜壓是在一個專門設(shè)計的高壓容器中進行的，利用氬氣加壓到100Mpa，溫度和傳統(tǒng)的燒結(jié)溫度大體一樣。通常是先燒結(jié)，在作等靜壓后續(xù)處理，以消除少量用正常燒結(jié)工藝消除不了的殘留空隙。當(dāng)然也可以用熱等靜壓來固結(jié)只預(yù)燒過的壓胚。熱等靜壓機是主要的關(guān)鍵投資，作為燒結(jié)的后處理工序，它增加了作業(yè)成本、能量和氣體的消耗和生產(chǎn)周期。熱等靜壓生產(chǎn)的硬質(zhì)合金具有晶粒細(xì)小，含量低的特點，因而強度更高但無論采用燒結(jié)熱等靜壓還是后熱等靜壓，只有建立了時間、溫度和壓力之間的合適關(guān)系，才能得到比氫氣的燒結(jié)和真空燒結(jié)產(chǎn)品高的強度。

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