硬质合金烧结原理

硬质合金的烧结一、实验目的了解硬质合金烧结的基本知识及烧结特点二、实验原理烧结是指在高温作用下，坯体发生一系列物理化学变化，由松散状态逐渐致密化，且机械强度大大提高的过程。

在烧结过程中包括有机物的挥发、坯体内应力的消除、气孔率的减少；在烧结气氛作用下，粉末颗粒表面氧化物的还原、原子的扩散、粘性流动和塑性流动；烧结后期还可能出现二次再结晶过程和晶粒长大过程。

三、烧结方式及特点真空烧结与低压烧结真空烧结：在低于大气压力条件下进行的粉末烧结。

主要用于烧结活性金属和难熔金属铍、钍、钛、锆、钽、铌等；烧结硬质合金、磁性合金、工具钢和不锈钢；以及烧结那些易于与氢、氮、一氧化碳等气体发生反应的化合物。

优点是：(1)减少了气氛中有害成分(水、氧、氮)对产品的不良影响。

(2)对于不宜用还原性或惰性气体作保护气氛(如活性金属的烧结)，或容易出现脱碳、渗碳的材料均可用真空烧结。

(3)真空可改善液相对固相的润湿性，有利于收缩和改善合金的组织。

(4)真空烧结有助于硅、铝、镁、钙等杂质或其氧化物的排除，起到净化材料的作用。

(5)真空有利于排除吸附气体、孔隙中的残留气体以及反应气体产物，对促进烧结后期的收缩有明显作用。

如真空烧结的硬质合金的孔隙度要明显低于在氢气中烧结的硬质合金。

(6)真空烧结温度比气体保护烧结的温度要低一些，如烧结硬质合金时烧结温度可降低100～150℃。

这有利于降低能耗和防止晶粒长大。

不足是：(1)真空烧结时，常发生金属的挥发损失。

如烧结硬质合金时出现钴的挥发损失。

通过严格控制真空度，即使炉内压力不低于烧结金属组分的蒸气压，也可大大减少或避免金属的挥发损失。

(2)真空烧结的另一个问题是含碳材料的脱碳。

这主要发生在升温阶段，炉内残留气体中的氧、水分以及粉末内的氧化物等均可与碳化物中的化合碳或材料中的游离碳发生反应，生成一氧化碳随炉气抽出。

含碳材料的脱碳可用增加粉末料中的含碳量以及控制真空度来解决。

低压烧结：低压烧结的“低压”是相对…热等静压‟的压力来说的，二者都是在等静压力下烧结，前者的压力约为5Mpa 左右，后者的压力高达70～100MPa 。

硬质合金烧结工艺硬质合金是由各种碳化物和铁族元素组成，例如WC-Co、WC-TiC-TaC-NbC-Co或是TiC-Mo?C-Ni。

这些材料的典型特点就是，通过液相烧结可以达到几乎100%理论密度，烧结后，低的残余孔隙度是成功应用硬质合金于金属切削、石油开采钻头或者金属成形模具等高应力使用工况的关键。

此外，必须仔细控制烧结工艺，以获得希望的显微组织和化学成分。

在很多应用场合，硬质合金都是以烧结态应用的。

烧结态合金表面经常承受条件苛刻的摩擦和应力，在大多数的切削金属应用中，刀头表面的磨耗深度只要超过~,工具就被判定报废，所以，提高硬质合金的表面性能是相当重要的。

烧结硬质合金的两种基本方法：一种是氢气烧结——在氢气中与常压下通过相反应动学来控制零件成分，另一种是真空烧结——采用真空环境或降低环境气体压强，通过减缓反应动力学来控制硬质合金成分。

真空烧结有着更为广泛的工业应用。

有时，还采用烧结热等静压和热等静压，这些技术都对硬质合金的生产有着重要的影响。

氢气烧结：氢气是还原性的气氛，但当氢气与烧结炉壁或承载装置发生反应时会改变其他成分，提供合适的碳化势以维持与硬质合金的热力学平衡。

在传统的硬质合金烧结中，要将混合料中的碳化物的含碳量调节到理论值，并在整个氢气烧结过程中维持这个值不变。

例如，烧结94WC-6CO硬质合金时，入炉时，碳含量为~%（质量分数），出炉时，则要维持在+%氢气烧结工艺的气氛控制能力对于钨钴类硬质合金来说是足够的，但是对于切钢工具用含碳化钛碳化钽或碳化铌的合金来说，气氛的氧化势太高，导致合金的成分变化，通常用真空烧结来减低这些，合金氧化物的含量，氢气烧结一般用机械推舟的方式，通过连续烧结来完成，可用一个单独的预烧炉除去润滑剂防止挥发物污染后的高烧结过程。

预烧结还可以调高生胚强度，使能对其进行粗切削加工，例如，进行车削和钻孔，预烧结温度在500~800摄氏度间，这主要取决于润滑剂除去的是否彻底及所需生胚强度。

硬质合金的制备方法硬质合金是一种高性能、高强度材料，广泛应用于机床、航空、航天、石油、化工等领域。

本文将介绍硬质合金的制备方法。

硬质合金的制备方法主要分为粉末冶金法和熔融冶金法两种。

1. 粉末冶金法粉末冶金法是制备硬质合金的主要方法之一。

其主要原理是将金属粉末和非金属粉末按一定比例混合，再经过压制、烧结等工艺制成。

具体步骤如下：（1）原料制备。

将金属粉末和非金属粉末按一定比例混合，经过筛选、干燥等处理。

（2）压制成型。

将经过处理的原料粉末放入模具中，经过压制成型。

（3）烧结处理。

将成型后的粉末坯体放入高温炉中，进行烧结处理。

烧结温度一般在1300℃~1500℃之间，时间约为1~4小时。

烧结后的坯体具有一定的强度和韧性。

（4）后续加工。

经过烧结后的坯体，需要进行后续的加工，如切割、磨削、抛光等工艺处理，制成成品。

2. 熔融冶金法熔融冶金法是另一种制备硬质合金的主要方法。

其主要原理是将金属和非金属原料按一定比例熔融后，冷却成坯，再进行后续加工制成硬质合金。

具体步骤如下：（1）原料制备。

将金属和非金属原料按一定比例混合，经过筛选、干燥等处理。

（2）熔融处理。

将经过处理的原料放入电炉中，进行熔融处理。

熔融温度一般在1600℃~2000℃之间。

熔融后的合金液体需要进行除渣、保温等处理。

（3）坯体铸造。

将熔融后的合金液体倒入铸造模具中，冷却成坯体。

（4）热处理。

将坯体进行热处理，使其具有一定的强度和韧性。

（5）后续加工。

经过热处理后的坯体，需要进行后续的加工，如切割、磨削、抛光等工艺处理，制成成品。

粉末冶金法和熔融冶金法是制备硬质合金的主要方法。

两种方法各有优缺点，具体应根据实际情况选择。

无论采用哪种方法，都需要严格控制各项工艺参数，以保证制得的硬质合金具有优良的性能和质量。

硬质合金的原理及其应用1. 硬质合金的定义硬质合金是一种由金属碳化物粒子（通常是钨碳化物或钛碳化物）均匀分布在金属基体中组成的复合材料。

硬质合金具有高硬度、高强度、良好的耐磨性和耐蚀性等特性，被广泛应用于工业领域。

2. 硬质合金的原理硬质合金的高硬度主要是由于钨碳化物和钛碳化物等金属碳化物的存在。

这些金属碳化物具有非常高的硬度，并且均匀分布在金属基体中，从而提高了整个材料的硬度。

硬质合金的制备一般是通过粉末冶金工艺进行的。

首先，将金属粉末和碳化物粉末按一定的比例混合均匀。

然后，将混合粉末放入高温炉中进行烧结，使金属粉末和碳化物粉末结合成硬质合金的形态。

3. 硬质合金的应用硬质合金由于其独特的性能，在工业领域有广泛的应用。

以下是一些常见的应用领域：3.1 切割工具硬质合金的高硬度和耐磨性使其成为理想的切割工具材料。

例如，硬质合金刀片被广泛应用于金属加工中的铣削、车削等工艺中。

由于硬质合金切削工具能够保持较长时间的锋利度，因此大大提高了加工效率和加工质量。

3.2 钻头和锯片硬质合金的硬度和耐磨性使其成为理想的钻头和锯片材料。

它们能够在处理硬质材料（如钢、混凝土等）时更好地保持锋利，并且具有较长的使用寿命。

因此，在建筑、制造和维修等行业中广泛使用。

3.3 磨料材料硬质合金中的金属碳化物具有高硬度和耐磨性，因此也常被用作磨料材料。

硬质合金颗粒可用于制造磨料砂轮、砂纸等磨料工具，用于金属和非金属材料的研磨和抛光。

3.4 刀具刀片硬质合金的高硬度和耐磨性使其成为制造各种类型刀具刀片的理想材料。

硬质合金刀具刀片被广泛应用于切削和加工不锈钢、合金钢、铸铁等材料的切削与抛光过程中。

由于硬质合金的耐磨性，刀具刀片能够保持较长时间的锋利度，减少更换刀片的频率，提高工作效率。

3.5 石油和天然气行业硬质合金广泛应用于石油和天然气行业，用于制造石油钻头和其他钻具。

由于硬质合金在高温和高压环境下具有出色的性能，因此它们能够承受严酷的钻探条件，并提高钻探效率。

硬质合金低压热等静压烧结工艺硬质合金低压热等静压烧结工艺印红羽盛挺汪海宽（北京市粉末冶金研究所，１０００７８）摘要低压热等静压烧结工艺技术能最大限度地消除合金内部残余孔隙、细化晶粒，克服常规热等静压给合金造成的粗晶、钴池和表面成分改变的缺陷，显著提高硬质合金物理－力学性能，并能有效校正合金碳含量。

主题词硬质合金低压热等静压烧结组织性能１前言低压热等静压烧结（Ｓｉｎｔｅｒ－ＨＩＰ）工艺［１～３］，或称过压烧结（ＯｖｅｒＰｒｅｓｕｒｅＳｉｎ－ｔｅｒｉｎｇ）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。

自１９８４年德国Ｄｅｇｕｓａ公司设计和制造出第一台真空烧结热等静压炉以来，这一工艺已逐渐为世界上很多硬质合金厂家所采用，并已开始步入我国硬质合金生产领域。

低压热等静压烧结工艺目前是硬质合金生产中最先进的致密化技术，克服了常规热等静压造成的粗晶、钴池和表面成分改变的缺陷，能最大限度地消除内部残余孔隙，提高合金性能，并且能够通过调节炉内气氛，修正合金碳含量、消除合金组织中的η相。

２硬质合金低压热等静压烧结的典型工艺硬质合金的低压热等静压烧结工艺是将工件装入真空烧结等静压炉，于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３０ｍｉｎ，接着在同一炉内进行热等静压，采用氩气作压力介质，压制压力为６ＭＰａ左右，时间为３０ｍｉｎ［４～５］。

其典型的生产工艺见图１。

低压热等静压烧结工艺的排蜡、烧结和在压力下的致密化等生产过程在同一炉内一次完成［６］，免去了传统工艺所必需的两次或多次的装料及加热生产工序，降低了热等静压时的压力（由多１００ＭＰａ降至６ＭＰａ），既简化了操作程序，又节省了能耗。

同时，由于生产过程中的烧结、热等静压两个主要工序不再分步进行，避免了工件在生产中途与空气的接触而造成的难以控制的碳含量变化。

低压热等静压炉内的特定装置在每道工序后能及时排除所产生的水蒸汽、ＣＯ２和其它气体，不会在下一过程引起工件某些部分表面成分和碳含量的变化。

硬质合金真空烧结硬质合金的烧结为液相烧结，即再黏结相呈液相的条件下进行。

将压坯在真空炉中加热到1350℃—1600℃。

烧结时压坯的线收缩率约为18%，体积收缩在50%左右，收缩量的准确值取决于粉末的粒度和合金的成分。

硬质合金的烧结是一个复杂的物理化学过程,株洲三鑫硬质合金生产有限公司友情出品。

这一过程包括增塑剂脱除、脱气、固相烧结、液相烧结、合金化、致密化、溶解析出等过程。

压坯在特定烧结条件下形成具有一定化学成分、组织结构、性能和形状尺寸的制品。

这些工艺条件依不同的烧结装置具有较大的差异。

硬质合金真空烧结是在低于1atm(1atm=101325Pa)下进行烧结的工艺过程。

在真空条件下烧结，大大降低了粉末表面吸附气体和封闭孔隙内气体对致密化的阻碍作用，有利于扩散过程和致密化的进行，避免了烧结过程中金属与气氛中某些元素的反应，可显著改善液体黏结相与硬质相的湿润性，但真空烧结要注意防止钴的蒸发损失。

真空烧结一般可以分为四个阶段，即增塑剂脱除阶段、预烧阶段、高温烧结阶段、冷却阶段。

增塑剂脱除阶段是从室温开始升温到200℃左右，压坯中粉末颗粒表面吸附的气体在热的作用下脱离颗粒表面，不断从压坯中逃逸出来。

压坯中的增塑剂受热化逸出压坯。

保持较高的真空度有利于气体的解除和逸出。

不同种类增塑剂受热变化的性能不尽相同，制定增塑剂脱除工艺要根据具体情况进行试验确定。

一般增塑剂的气化温度在550℃以下。

预烧阶段是指高温烧结前进行预烧结，使粉末颗粒中的化合氧与碳发生还原反应，生成一氧化碳气体离开压坯，如果这种气体在液相出现时不能排除，将成为封闭孔隙残留在合金中，即使加压烧结，也难以消除。

另一方面，氧化存在会严重影响液相对硬质相的湿润性，最终影响硬质合金的致密化过程。

在液相出现前，应充分得脱气，并采用尽可能高得真空度。

高温烧结阶段是硬质合金压坯发生致密化得关键阶段，而烧结温度及烧结时间是压坯实现致密化、形成均匀得组织结构、获得所要求性能的重要工艺参数。