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硬質(zhì)合金燒結工藝
專(zhuān)欄：行業(yè)動(dòng)態(tài)
發(fā)布日期：2015-09-12
閱讀量：6185
作者：佚名
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        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(diǎn)就是，通過(guò)液相燒結可以達到幾乎100%理論密度，燒結后，低的殘余孔隙度是成功應用硬質(zhì)合金于金屬切削、石油開(kāi)采鉆頭或者金屬成形模具等高應力使用工況的關(guān)鍵。此外，必須仔細控制燒結工藝，以獲得希望的顯微組織和化學(xué)成分。
      在很多應用場(chǎng)合，硬質(zhì)合金都是以燒結態(tài)應用的。燒結態(tài)合金表面經(jīng)常承受條件苛刻的摩擦和應力，在大多數的切削金屬應用中，刀頭表面的磨耗深度只要超過(guò)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重要的。
燒結硬質(zhì)合金的兩種基本方法：一種是氫氣燒結——在氫氣中與常壓下通過(guò)相反應動(dòng)學(xué)來(lái)控制零件成分，另一種是真空燒結——采用真空環(huán)境或降低環(huán)境氣體壓強，通過(guò)減緩反應動(dòng)力學(xué)來(lái)控制硬質(zhì)合金成分。真空燒結有著(zhù)更為廣泛的工業(yè)應用。有時(shí)，還采用燒結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(zhù)重要的影響。
       氫氣燒結：氫氣是還原性的氣氛，但當氫氣與燒結爐壁或承載裝置發(fā)生反應時(shí)會(huì )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。在傳統的硬質(zhì)合金燒結中，要將混合料中的碳化物的含碳量調節到理論值，并在整個(gè)氫氣燒結過(guò)程中維持這個(gè)值不變。例如，燒結94WC-6CO硬質(zhì)合金時(shí)，入爐時(shí)，碳含量為5.70~5.80%（質(zhì)量分數），出爐時(shí)，則要維持在5.76±0.4%
        氫氣燒結工藝的氣氛控制能力對于鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，氣氛的氧化勢太高，導致合金的成分變化，通常用真空燒結來(lái)減低這些，合金氧化物的含量，氫氣燒結一般用機械推舟的方式，通過(guò)連續燒結來(lái)完成，可用一個(gè)單獨的預燒爐除去潤滑劑防止揮發(fā)物污染后的高燒結過(guò)程。預燒結還可以調高生胚強度，使能對其進(jìn)行粗切削加工，例如，進(jìn)行車(chē)削和鉆孔，預燒結溫度在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：與氫氣燒結相比，真空燒結主要要幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，首先真空燒結能極好的控制產(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速率，因而在燒結硬質(zhì)合金的工業(yè)生產(chǎn)中，真空燒結占有優(yōu)勢。
氫氣燒結時(shí)，由于氫氣的滲入以及氫與陶瓷爐部件的反應，使得爐內的氣氛氣體的氧化勢增高。真空燒結不存在這些問(wèn)題，爐內氧化勢比氫氣燒結時(shí)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，真空燒結工藝，更為合適。
        其次，真空燒結可靈活的控制燒結制度，特別是加熱升溫階段的升溫速率，以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，例如，當燒結含有碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮的合金時(shí)，必須緩慢的升溫，還要有一個(gè)在中間的溫度保溫的階段才能得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。真空燒結是間歇式操作，可靈活調節所需要的燒結制度，而氫氣燒結大多是連續燒結工藝，很能實(shí)現對各燒結階段的溫度進(jìn)行準確的控制。
       如果能實(shí)現，較慢的升溫速率就有足夠的時(shí)間使碳——氧充分反應：形成的CO氣體也來(lái)的及從連通孔隙逸出，如果升溫速率太快，氣體就會(huì )滯留下來(lái)，形成孔隙。在真空爐中，很容易調節加熱過(guò)程的升溫速率，而對于機械推舟式氫氣燒結爐來(lái)說(shuō)，各燒結區的溫度和達到最高燒結時(shí)的時(shí)間，都受限制很難調整。
                               
   現在工業(yè)真空燒結的操作成本較低，以前的真空燒結設備，是小的感應加熱爐，這種爐子能量消耗大、冷卻時(shí)間長(cháng)，而且在燒結前需要單獨清除潤滑劑，現在應用的真空燒結爐至少在以下幾方面比氫氣燒結成本低：裝爐量大、電阻加熱、用強制氣體冷卻以及可在爐內清除潤滑劑。
       燒結熱等靜壓：燒結熱等靜壓有時(shí)也稱(chēng)之為過(guò)壓燒結和加壓燒結。燒結爐實(shí)際上是一個(gè)可以充壓的真空燒結爐，為了減少或消除殘留空隙在燒結溫度下當零件內形成封閉孔隙后，往爐內充以惰性氣體對其施加等靜壓力，氬氣壓力在1.5~10Mpa，遠低于通常意義的熱等靜壓壓力。一個(gè)具體的燒結過(guò)程，包括潤滑劑清除、氧化物還原和碳化物合金燒結。當碳化物燒結出現閉孔時(shí)，才將爐內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，燒結熱等靜壓壓力大約為0.2Mpa溫度在1420~1460攝氏度范圍內出現閉孔；而對于含有立方碳化鎢的硬質(zhì)合金，在1430~1480攝氏度時(shí)出現閉孔。就作業(yè)成本而言同等生產(chǎn)能力的燒結熱等靜壓設備操作成本比真空燒結爐的操作成本要高的多。
       熱等靜壓是在一個(gè)專(zhuān)門(mén)設計的高壓容器中進(jìn)行的，利用氬氣加壓到100Mpa，溫度和傳統的燒結溫度大體一樣。通常是先燒結，在作等靜壓后續處理，以消除少量用正常燒結工藝消除不了的殘留空隙。當然也可以用熱等靜壓來(lái)固結只預燒過(guò)的壓胚。熱等靜壓機是主要的關(guān)鍵投資，作為燒結的后處理工序，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)合金具有晶粒細小，含量低的特點(diǎn)，因而強度更高但無(wú)論采用燒結熱等靜壓還是后熱等靜壓，只有建立了時(shí)間、溫度和壓力之間的合適關(guān)系，才能得到比氫氣的燒結和真空燒結產(chǎn)品高的強度。

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