硬质合金烧-结工艺课件.ppt
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- 硬质合金 工艺 课件
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1、硬质合金烧硬质合金烧 结工艺结工艺主讲人:程秀兰主讲人:程秀兰1 1 烧结过程的基本理论烧结过程的基本理论2 2 烧结工艺烧结工艺3 3热等静压处理与热等静压处理与压力烧结压力烧结4.4.烧结废品的处理烧结废品的处理硬质合金烧硬质合金烧 结工艺结工艺1 1烧结过程的基本理论烧结过程的基本理论v1.11.1烧结过程四阶段及相应的组织转变烧结过程四阶段及相应的组织转变v1.21.2烧结体的致密化烧结体的致密化v1.3 1.3 WCWC晶粒长大及其控制晶粒长大及其控制v1.41.4烧结过程的碳反应及碳量控制烧结过程的碳反应及碳量控制v 烧结的目的是使多孔的粉未烧结的目的是使多孔的粉未压坯变为具有一定
2、结构和性压坯变为具有一定结构和性能的合金。能的合金。v 烧结主要是物理过程,烧结烧结主要是物理过程,烧结体致密化,碳化物晶粒长大,体致密化,碳化物晶粒长大,粘结相成分的变化以及合金粘结相成分的变化以及合金结构的形成等。结构的形成等。图1W-C-CO系状态图在凝固温度下的等温切面1.1 1.1 烧结过程四阶段及相应的组织转变烧结过程四阶段及相应的组织转变1.1.1.1.1.1.脱蜡预烧阶段(脱蜡预烧阶段(800800)1)成形剂的脱除成形剂的脱除 2)粉末表面氧化物还原粉末表面氧化物还原 3)粉末颗粒相互之间的状态发生变化粉末颗粒相互之间的状态发生变化1.1.2.1.1.2.固相烧结阶段(固相烧
3、结阶段(800800共晶温度)共晶温度)共晶温度是指缓慢升温时,烧结体中开始出现共晶液相的温度,对共晶温度是指缓慢升温时,烧结体中开始出现共晶液相的温度,对于于WC-CO合金,在平衡烧结时的共晶温度为合金,在平衡烧结时的共晶温度为1340。1.1.3.1.1.3.液相烧结阶段(共晶温度液相烧结阶段(共晶温度 烧结温度)烧结温度)1)WC-CO合金的平衡烧结过程图2WC-CO伪二元状态图2 2)WC-CWC-COO合金的不平衡烧结过程合金的不平衡烧结过程n首先,在不平衡烧结过程中,当压块升温达到共晶温度之前,固溶体的成分不首先,在不平衡烧结过程中,当压块升温达到共晶温度之前,固溶体的成分不符合符
4、合a”a线,而是滞后于线,而是滞后于a”a线的变化。同时,烧结体在共晶温度下并不保温。线的变化。同时,烧结体在共晶温度下并不保温。n不平衡烧结过程有如下特点:不平衡烧结过程有如下特点:n 由于热滞后现象,只有在共晶温度以上才会出现液相。由于热滞后现象,只有在共晶温度以上才会出现液相。n 在烧结体内各小区域里出现液相的时间是不同的。在烧结体内各小区域里出现液相的时间是不同的。n未经足够长的保温时间,烧结体各部位液相的成分是不同的。未经足够长的保温时间,烧结体各部位液相的成分是不同的。n其次,烧结体的原始组成其次,烧结体的原始组成 并不理想。并不理想。n介质的影响。介质的影响。n烧结体凝固之前的相
5、组成,决定于其最终含碳量:碳量不足,则为烧结体凝固之前的相组成,决定于其最终含碳量:碳量不足,则为WC+液液相;碳量过剩,则为相;碳量过剩,则为WC+C+液相;碳适量,则为液相;碳适量,则为WC+液相。液相。n1.1.4.1.1.4.冷却阶段(烧结温度冷却阶段(烧结温度 室温)室温)n冷却速度只影响冷却速度只影响 相成分,不影响组织,最终组织为相成分,不影响组织,最终组织为 WC+。n WC-TiC-CO合金的烧结合金的烧结:与与WC CO合金的烧结基本类似合金的烧结基本类似。其主要区别表现其主要区别表现在液相的成分,出现液相的温度和所得在液相的成分,出现液相的温度和所得合金组织的不同。合金组
6、织的不同。图3 YG15合金烧结时试样长度为50.5毫米的收缩过程1舟皿上层试样 2舟皿下层试样n1.21.2烧结体的致密化烧结体的致密化n1.2.1.1.2.1.致密化机理:致密化机理是流动过程致密化机理:致密化机理是流动过程 。n1)固相烧结时的扩散与塑性流动固相烧结时的扩散与塑性流动n2)液相烧结时的重排、溶解)液相烧结时的重排、溶解析出与界面结构的形成析出与界面结构的形成n重排:重排:n必要前提:必要前提:n 溶解溶解-析出析出n界面结构的形成界面结构的形成图图4 液相烧结阶段的致密化过程液相烧结阶段的致密化过程a)a)液液-固相间的润湿角固相间的润湿角 b)b)液相的数量液相的数量c
7、)c)烧结体的含碳量烧结体的含碳量 d)d)原始碳化物颗粒的大小原始碳化物颗粒的大小 e)e)粘结金属与碳化物混合的均粘结金属与碳化物混合的均匀程度匀程度 f)f)烧结时间烧结时间 g)g)烧结过程的活化烧结过程的活化 1.2.2.1.2.2.影响致密化过程的因素影响致密化过程的因素1.3.1.WCCO合金合金 1)碳化钨晶粒长大的动力碳化钨晶粒长大的动力液相重结晶是液相重结晶是WC不断的溶解析出过程。不断的溶解析出过程。长大的动力是不同长大的动力是不同WC晶粒表面能和晶格能的差异。晶粒表面能和晶格能的差异。1.3 WC晶粒长大及其控制晶粒长大及其控制2 2)影响碳化钨晶粒长大的因素影响碳化钨
8、晶粒长大的因素1.液相数量液相数量影响液相数量的主要因素是:影响液相数量的主要因素是:a.烧结温度烧结温度 影响液相数量的主要因素是:影响液相数量的主要因素是:a.a.烧结温度烧结温度b.含钴量含钴量c.含碳量含碳量混合料的状态混合料的状态na.原始粉末的粒度nb.粒度分布均匀性nc.磨碎程度重结晶阻力(添加剂的加入)重结晶阻力(添加剂的加入)n添加碳化物的作用:添加碳化物的作用:a.阻止阻止WC晶粒长大;晶粒长大;b.降低对烧结温度的敏感性;降低对烧结温度的敏感性;c.降低降低WC晶粒长大倾向对碳的敏感性;晶粒长大倾向对碳的敏感性;d.降低降低WC晶粒长大倾向对湿磨时间的敏感性。晶粒长大倾向
9、对湿磨时间的敏感性。(2)WCTiCCO合金合金1)TiC-WC两相合金两相合金固溶体的晶粒长大具有如下特点:固溶体的晶粒长大具有如下特点:与碳化钨不同,长大的结果没有那样明显的不均一性。与碳化钨不同,长大的结果没有那样明显的不均一性。对工业合金而言,固溶体的晶粒长大与烧结体的液相数量无关。对工业合金而言,固溶体的晶粒长大与烧结体的液相数量无关。这种合金的固溶体晶粒长大主要决定于烧结温度和烧结时间。这种合金的固溶体晶粒长大主要决定于烧结温度和烧结时间。合金的晶粒大小与碳化钛在混合料中存在的形式有关。合金的晶粒大小与碳化钛在混合料中存在的形式有关。1.3.2 TiC-WCWC三相合金三相合金vW
10、C与固溶体相互制约,阻碍晶粒长大;与固溶体相互制约,阻碍晶粒长大;vWC与固溶体相对数量及原始粒度;与固溶体相对数量及原始粒度;vWC与固溶体混合不均匀,会大大的增强晶粒长与固溶体混合不均匀,会大大的增强晶粒长大趋势。大趋势。v影响最大的是固溶体成分。影响最大的是固溶体成分。1.3.3.硬质合金的粒度控制硬质合金的粒度控制v粒度控制必须从还原抓起、还原、碳化、湿磨、烧粒度控制必须从还原抓起、还原、碳化、湿磨、烧结四大工序一起考虑,才能获得所需的合金晶粒度和结四大工序一起考虑,才能获得所需的合金晶粒度和性能。性能。1)WC粒度对合金性能的影响粒度对合金性能的影响对硬度的影响对硬度的影响 对抗弯强
11、度的影响对抗弯强度的影响对断裂韧性的影响对断裂韧性的影响3)烧结过程粒度控制烧结过程粒度控制 烧结温度烧结温度 烧结时间烧结时间 混合料的粒度混合料的粒度 钴含量钴含量碳含量碳含量2)湿磨过程的粒度控制)湿磨过程的粒度控制 v 晶粒抑制剂晶粒抑制剂va、抑制机理概述抑制机理概述v关于抑制机理,主要有两种理论:关于抑制机理,主要有两种理论:v溶解理论;溶解理论;v吸附理论。吸附理论。vb、抑制剂的种类与抑制效果抑制剂的种类与抑制效果v抑制晶粒长大的效果,大体上按抑制晶粒长大的效果,大体上按VC Mo2C Cr3C2NbCTaCTiCZrCHfC排列。排列。可见可见VC的抑制效果最好。的抑制效果最
12、好。nc c、影响抑制效果的因素影响抑制效果的因素n在在WC/CWC/CO O界面上的晶粒长大抑制剂的界面上的晶粒长大抑制剂的“早期早期”有效性就能决定抑制长大的程度。有效性就能决定抑制长大的程度。可见,如何使微量抑制剂在合金中均匀地分布就成了问题的关键。可见,如何使微量抑制剂在合金中均匀地分布就成了问题的关键。n就几何参数的影响而言,所有相(就几何参数的影响而言,所有相(WCWC、C CO O和抑制剂碳化物)在粉末压块中的分布和抑制剂碳化物)在粉末压块中的分布状况决定着后续烧结时的初始几何位置。抑制剂碳化物是以细散碳化物颗粒形式状况决定着后续烧结时的初始几何位置。抑制剂碳化物是以细散碳化物颗
13、粒形式存在于存在于WCWC、C CO O粉末基体中。在后续烧结过程中,决定抑制剂利用率的参数如下粉末基体中。在后续烧结过程中,决定抑制剂利用率的参数如下(见图(见图5-525-52)。)。n(a a)减小减小WCWC粒度可使粒度可使WC/CWC/CO O界面的面积增大。这就意味着增大的界面的面积增大。这就意味着增大的WCWC晶体表面应当晶体表面应当获得大量的抑制剂(图获得大量的抑制剂(图5-525-52a a)。)。但如此增大的抑制剂供给量不可能超过一定的但如此增大的抑制剂供给量不可能超过一定的限度,因为它取决于抑制剂在粘结相中的饱和浓度。限度,因为它取决于抑制剂在粘结相中的饱和浓度。n(b
14、b)较低的粘结剂含量可使在给定温度下溶解、迁移、亦即可利用的抑制剂总较低的粘结剂含量可使在给定温度下溶解、迁移、亦即可利用的抑制剂总量减少(图量减少(图5-525-52b b)。)。n(c c)粉末压块中粘结剂分布不均匀会使烧结过程中抑制剂的利用率产生局部差粉末压块中粘结剂分布不均匀会使烧结过程中抑制剂的利用率产生局部差别,因此,其有效数量也随着粘结相的分布状况而变化(图别,因此,其有效数量也随着粘结相的分布状况而变化(图5-525-52b b)。)。n(d d)粉末压块中抑制剂粒度分布不均匀或其粒度增大会使其均匀分布所必需的粉末压块中抑制剂粒度分布不均匀或其粒度增大会使其均匀分布所必需的抑制
15、剂的平均扩散程增大。(图抑制剂的平均扩散程增大。(图5-525-52c c)(一)(一)烧结各阶段分析烧结各阶段分析一)室温一)室温500:二)二)500600三)三)6001000四)四)1000烧结温度烧结温度5.1.6结过程的碳反应及碳量控制结过程的碳反应及碳量控制(一)(一)烧结过程的化学反应烧结过程的化学反应1.4.1.4.烧结过程的碳反应及碳量控制烧结过程的碳反应及碳量控制n硬质合金生产过程中精确的碳量控制是十分困难、十分复杂的。概括起来,硬质合金生产过程中精确的碳量控制是十分困难、十分复杂的。概括起来,对采用真空烧结工艺来说,就是控制生产过程的氧碳平衡。对采用氢气烧结对采用真空烧
16、结工艺来说,就是控制生产过程的氧碳平衡。对采用氢气烧结工艺来说,就是控制生产过程中的氧碳氢平衡。最终使产品获得所需要的理工艺来说,就是控制生产过程中的氧碳氢平衡。最终使产品获得所需要的理想的合金组织和最佳使用性能。想的合金组织和最佳使用性能。n1.4.2.11.4.2.1WC-CWC-CO O合金的相成分及相区大小合金的相成分及相区大小nYGYG合金的相成份有三种情况:合金的相成份有三种情况:WC+WC+、WCWC、WCWC+C+C。合金二相区碳量下限合金二相区碳量下限=6.128%0.0737CO(重量重量)%1.4.2.2.1.4.2.2.硬质合金中碳量允许波动范围硬质合金中碳量允许波动范
17、围WC-CO合金二相区的宽度,随合金中加入其它碳化物而发生变化。合金二相区的宽度,随合金中加入其它碳化物而发生变化。一)碳量变化对合金性能的影响一)碳量变化对合金性能的影响 对合金强度的影响对合金强度的影响 对合金硬度的影响对合金硬度的影响 对合金密度的影响对合金密度的影响图图5-67 WC11%CO合金密度与合金密度与WC总碳的关系总碳的关系(真空烧结)(二相区宽度测量偏大)(真空烧结)(二相区宽度测量偏大)对抗腐蚀的影响对抗腐蚀的影响 对对相晶格常数的影响相晶格常数的影响对磁饱和的影响对磁饱和的影响 C=0.01%,引起引起Ms值变化量值变化量Ms=22高斯左右高斯左右 配料计算:配料计算
18、:碳平衡碳平衡 脱蜡、预烧阶段的碳量控制脱蜡、预烧阶段的碳量控制a、真空脱蜡预烧时脱碳不可避免真空脱蜡预烧时脱碳不可避免b、采用采用H2和真空脱蜡、预烧相结合,可减少碳损失和真空脱蜡、预烧相结合,可减少碳损失c、预烧后制品在空气中的氧化预烧后制品在空气中的氧化1.4.2.4.如何进行碳量控制如何进行碳量控制 烧结阶段的碳量控制烧结阶段的碳量控制a、氢气烧结的碳量控制氢气烧结的碳量控制H2烧结中的碳量控制烧结中的碳量控制实质上是控制炉内的碳气氛。实质上是控制炉内的碳气氛。(a)、)、脱碳反应脱碳反应(b)、)、渗碳反应渗碳反应 n如图如图5-745-74所示,压制品中的橡胶,在所示,压制品中的橡
19、胶,在300300开始裂化,析出碳氢化合物(以开始裂化,析出碳氢化合物(以CHCH4 4为为代表),代表),600600裂化完毕裂化完毕。CHCH4 4在在400500400500开始,在钴或开始,在钴或ALAL2 2O O3 3的催化下分解(与的催化下分解(与炉内炉内H H2 2浓度有关),生成浓度有关),生成H H2 2和和C C(CHCH4 4=2H=2H2 2+C+C)。)。n在正常情况下,一部分在正常情况下,一部分CHCH4 4被被H H2 2带走,一部分被分解,将碳留于制品内,当温度升带走,一部分被分解,将碳留于制品内,当温度升至至11001100以上时,留在制品内的碳与碳不饱和以
20、上时,留在制品内的碳与碳不饱和WCWC(总碳为总碳为5.935.930.03%0.03%)中的)中的W W和和W W 2 2 C C反应反应 ,生成,生成WCWC(W+C=WCW+C=WC;W W2 2C+C=2WCC+C=2WC)。)。如果此碳刚好合适,合金就形成如果此碳刚好合适,合金就形成WC+WC+二相结构。如果二相结构。如果“此碳此碳”不足,合金则形成不足,合金则形成WC+WC+三相结构,如果三相结构,如果“此此碳碳”有余,合金则形成有余,合金则形成WC+CWC+C三相结构。三相结构。b、真空烧结的碳量控制真空烧结的碳量控制(a)脱氧(脱碳)反应:脱氧(脱碳)反应:MeO+C=Me+C
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