硬质合金制备过程中的基本原理、烧结工艺和具体应用.ppt

硬质合金制备过程中的基本原理 烧结工艺和具体应用 硬质合金 文硬质合金具有 很高的硬度 强 度 耐磨性和耐 腐蚀性 被誉为 工业牙齿 硬度高 热硬性好 耐磨性好 硬度高 熔点高 优点性能 是指由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合 金材料 性质 硬质合金的分类 钨钴类硬质合金 主要成分是碳化钨 WC 和粘结剂钴 Co 钨钛钴类硬质合金 主要成分是碳化钨 碳化钛 TiC 及钴 钨钛钽 铌 类硬质合金 主要成分 是碳化钨 碳化钛 碳化钽 或碳化 铌 及钴 目录 硬质合金制备的基本原理 碳化钨钴硬质合金烧结工艺 硬质合金的应用 液相烧结 定义分类 液相烧结原理 液相烧结原理 l 瞬时液相烧结 在烧结中 初期存在液相 后期液相消失的过程 l 稳定液相烧结 烧结过程中始终存在液相的烧结过程 l 溶浸 采用熔点比压坯或烧结坯组分低的金属或合金 在低熔点组分熔点 或共晶点以上的温度 借熔体的流动性填充其中孔隙空间的烧结方法 l 超固相线液相烧结 液相在粉末颗粒内形成 是一种在微区范围内较普通 液相烧结更为均匀的烧结过程 液相烧结的分类 液相烧结条件 液相必须润湿固相颗粒 润湿性 液相量一般不超过烧结体积的35 液相数量 固相在液相中具有有限的溶解度 溶解度因素 液相烧结原理 润湿性 l 这是液相烧结得以进行的前提 否则产生反烧结现象 l 烧结体系需满足方程 S SL LCOS l 当 0是最理想的液相烧结条件 当 90O 发生反烧结现象 当0 900 为普通的液相烧结情况 l 影响因素 烧结温度 烧结时间 添加剂 固相颗粒的表面状态 烧结气 氛 液相烧结原理 液相烧结原理 l 在一般情况下 液相数量的增加有利于液相均匀地包覆固相颗粒 减小固 相颗粒间的接触机会 为颗粒重排列提供足够的空间和降低重排列阻力 为致密化创造条件 l 过多时无法保证产品形状 过少时烧结体内将残留一部分不被液相填充的 小孔 液相烧结原理 液相数量 液相烧结原理 液相流动与颗粒重排阶段 l 温度高于液相组分的熔点或共晶点 l 液相表面张力的推动使得固相颗粒的相对位置发生变化 l 毛细管力作用使颗粒调整位置 重新分布达到最紧密排布 烧结体密度迅 速增加 l 液相流动与颗粒重排是液相烧结的主导致密化机理 液相烧结过程 l 在固相在液相中具有一定溶解度的LPS体系 由于化学位的差异 化学位 高的部位将发生优先溶解 在化学位低的部位析出 致密化过程明显减慢 化学位高的区域 l 颗粒突出的尖角处和细颗粒 l 即发生细颗粒和颗粒尖角处的优先溶解 l 压坯中颗粒间接触处 应力 化学位较低的部位 l 一般为颗粒的凹陷处和大颗粒表面 l 溶解在液相中固相组分的原子在这些部位析出 液相烧结原理 固相溶解和再析出阶段 结果 l 固相颗粒表面光滑化和球化 l 降低颗粒重排列阻力 l 有利于颗粒间的重排 l 进一步提高致密化效果 液相烧结原理 液相烧结原理 按控制机理不同遵循不同的晶粒长大规律 l扩散控制的无限固溶体的液相烧结 G3 Go3 K1t l界面反应控制的无限固溶体的液相烧结 G2 Go2 K2t 液相烧结原理 晶粒长大 液相烧结原理 颗粒重排机构 l 液相受毛细血管力驱使流动 使颗粒重新排列以获得最紧密的堆积和最小 的孔隙总表面积 l 固 气界面消失 液相包围固相 l 液相黏性流动 作用于气孔上的压力差驱使液相在这些气孔间流动 l 颗粒在大小形状上的差异 使得颗粒能在液相内飘动 颗粒重排得以完成 烧结机构 l小颗粒或表面曲率大的部位溶解较多 在大颗粒表面或具有负表面曲率的 部位析出 l具有表面曲率r的颗粒它的平衡溶解度与平面 r为无穷大 上的平衡浓度只 差遵循公式 L Lr L 2 SL kT 1 r L l L和r成反比 小颗粒先于大颗粒溶解 l溶解 再析出机构使得颗粒外形趋于球形 小颗粒减小或消失 大颗粒逐渐 长大 液相烧结原理 溶解 再析出机构 l当液相不完全浸湿固相或液相数量较少时 骨架烧结机构作用明显 l颗粒互相接触 黏结并形成连续的骨架 结果 大量颗粒直接接触 不被 液相所包裹 l满足 SS 20的条件 l骨架形成后的烧结过程与固相烧结相似 液相烧结原理 骨架烧结机构 液相烧结原理 液相的分布 主要取决于液相数量和二面角的大小 在液相充足且没有气体存在的理想情 况下分为以下三种情况 0 烧结初期液相浸入固相颗粒间隙 引起晶粒粗化 再经过溶解 析出颗粒长大阶段 固相连成大颗粒 被液相分隔成独立的小岛 液相烧结组织特征 0 液相烧结原理 0 120 固相充分长大 使液相被分割成孤立的小块镶嵌在 骨架的间隙内 取决于固相颗粒的结晶学特性和价键形式 例 lFe Cu 金属晶体 接近各向同性 各个方向上的析出时机率几乎相同 趋向于 球形 lWC Co合金 以共价键和离子键结合 有方向性 析出在特定的晶面进行 趋向于多边形 l重合金 以金属键和离子结合 具有一定的方向性 高能晶面优先沉积机 率高 趋向于卵形 液相烧结原理 固相颗粒的形貌 液相烧结原理 粒度 l 细颗粒有利于提高烧结致密化速度 便于获得高的最终烧结密度 颗粒重排阶段 细颗粒可提高毛细管力 溶解 再析出阶段 强化固相颗粒之间和固相 液相间的物质迁移 l 细小晶粒的烧结组织有利于获得性能优异的烧结材料 液相烧结效果的影响因素 l颗粒重排阶段初期 颗粒形状影响毛细管力大小 l形状复杂的固相颗粒降低烧结组织的均匀性 综合力学性能较低 l在溶解 再析出阶段 颗粒形状的影响效果降低 液相烧结原理 颗粒形状 主要是化合物粉末烧结体系 WC Co合金 缺碳 降低烧结致密化效果 导致WC晶粒的不连续长大 增碳 降低共晶点 相对地提高液相数量 有利于烧结致密化 液相烧结原理 粉末的化学计量 降低颗粒重排的液相数量 l 减小固相颗粒之间的液膜厚度 l 增加固相颗粒之间的接触机会 l 增加颗粒重排阻力 液相烧结原理 粉末颗粒内开孔隙 液相烧结原理 除此之外 添加剂的分布均匀性 添加剂的数量 直接影响液相数量 压坯密度 加热与冷却速度 杂质 温度 时间 气氛都将会影响液相烧 结效果 碳化钨钴的相变过程 原料的制备 研磨 混合料的制备 压制成形 硬质合金的烧结 硬质合金烧结工艺硬质合金烧结工艺 碳化钨钴的相变过程 碳化钨硬质合金的相组成 原料的制备 在钨粉的碳化工艺中 可分为通氢气和不通氢气两种情况 C H2 CH4 生产的CH4在高温不稳定 发生分解 此时的炭活性高 沉积在钨粉上 并向钨粉颗粒内部扩散 H2又与炭黑反应生成甲烷 如此往复循环 总反应式为 W C WC WC粉的制备 原料的制备 粘结金属Co的制备 硬质合金用的钴粉的生产中常用氧化钴 混合物 作 原料 用氢还原后得到海绵钴 再经破碎 过筛得到 金属钴粉 采用这种方法生产的钴粉粒度细 纯度高 氧化钴氢还原过程反应式为 Co2O3 3H2 2Co 3H2O Co3O4 4H2 3Co 4H2O 混合料的制备 PS 完成球磨过程的混合料经320目过筛网筛后 一般要沉淀8h 以便酒精充分挥发 然后进 行干燥 将干燥后的混合料用180目网筛进行筛分 其目的是除去浆料干燥时产生的氧化结块料 并使混合料拓散 易于散热 压制成形 模压成形工艺过程 掺胶 筛分 制粒 压制 加工和清理 成形剂的制备 1 溶剂 航空汽油或溶剂汽油 2 浓度 根据橡胶用量及混合料的松比来调整 一般为8 13 3 过程 将橡胶表面清洗干净 将橡胶切成小块 25mmx25mmx25mm 加入汽油 中进行溶解 并在溶解过程中不断搅拌 搅拌时间不低于18h 以便使橡胶汽油溶液 的灰分降低 经过不少于48h的沉淀后方可用320目筛网筛过筛 4 加入量 0 6 1 橡胶用量随混合料松比的降低而增加 生产中一般是每20公斤 混合料加1800毫升橡胶汽油溶液 压制成形 粒料的制备 压团法 将粒料在较低压力 200 230kg cm2 下压成一定大小的团块 然后将 团块打碎用30目的筛子过筛 就得到了料粒 滚动法 使物料在滚筒中滚动而球化制粒 一般YG料要求较细的滚筒或较低的 转速 而YT料则要求较粗的滚筒或较高的转速 喷雾法 将原辅料和粘合剂混合 不断搅拌成含固体量为50 60 的均匀混悬液 再用泵将混悬液通过高压泵嘴或甩盘输入到特殊的雾化器中雾化形成细微液 滴 然后在热空气流中干燥得到近似球形的细小颗粒 压制成形 1 压制 称量一定量粒料 装入压模中 施加一定压力 保载一段时间再脱模 2 压胚的干燥 以橡胶作成形剂时 为了完全排除压胚中残留的汽油和水分以 提高压胚强度 和消除压胚中的应力 压胚必须经过干燥 将压胚置于蒸汽干 燥柜或电热干燥箱中进行干燥 干燥温度一般为100 130 干燥时间为12 48h 压胚的加工和清理 干燥后 对压胚进行半检 用纱布和毛毡清除压胚表面的 毛刺粘料等 并对轻微的缺口掉角加以修理 最后检查胚的形状和尺寸 及 有无压制缺陷 压制 硬质合金的烧结 硬质合金的烧结 环境和可持续发展 烧结气氛 烧结保护气氛 1 促进粉末表面氧化膜还原 加速烧结过程的进行 2 将烧结时放出的气体和各种挥发物及时带走而不至于污染制品 3 防止个别组分 如碳等 被烧损 切削工具 地质矿山工具 模具 结构零件 耐磨零件 耐高压高温用腔体 硬质合金的应用 硬质合金的应用 硬质合金可用作各种切削工具 用作各类模具的硬质合金约 占硬质合金生产8 用硬质合金制成的耐磨零件有喷 嘴 导轨 柱塞 球 轮胎防滑 钉 铲雪机板等举不胜举 生产合成金刚石用的顶锤 压缸 等制品 硬质 合金 地质矿山工具同样是硬质合 金的一大用途 硬质合金用来作各种结构零件 用途 切削应用领域 硬质合金的应用 粉末冶金工艺制 造的钛合金飞机 发动机 硬质合金的应用 模具制造领域 利用硬质合金耐高温 耐磨损以及耐腐蚀等特性 其在重工业领域应用广 泛 l 耐磨零件 用硬质合金制成的耐磨零件有喷嘴 导轨 柱塞 球 轮胎防 滑钉 铲雪机板产品 其产品性能优越但成本较高 l 地质矿山工具 地质矿山工具同样是硬质合金的一大用途 我国地矿用硬 质合金约占硬质合金生产总量的25 主要用于冲击凿岩用钎头 地质勘 探用钻头 矿山油田用潜孔钻 牙轮钻以及截煤机截齿 建材工业冲击钻 等 l 另外 利用硬质合金还可用于制造精密量具 重工业领域 硬质合金的应用 。