硬质合金的烧结工艺
硬质合金的烧结工艺
硬质合金的烧结工艺 Revised by Chen Zhen in 2021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-MoC-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0.2~0.4mm,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5.70~5.80%（质量分数），出炉时，则要维持在5.76+0.4%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。
硬质合金烧结工艺
图1W-C-C O系状态图在凝固温度下的等温切面
1. 1 烧结过程四阶段及相应的组织转变
1.1.1. 脱蜡预烧阶段（＜800℃） 1) 成形剂的脱除 2) 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 1.1.2. 固相烧结阶段（800℃~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
③重结晶阻力 a. 阻止WC 晶粒长大； b. 降低对烧结温度的敏感性； c. 降低WC 晶粒长大倾向对碳的敏感性； d. 降低WC 晶粒长大倾向对湿磨时间的敏感性。 （2 ）WC －TiC －CO合金 1 ） TiC-WC ＋γ两相合金 固溶体的晶粒长大具有如下特点： ①与碳化钨不同，长大的结果没有那样明显的不均一性。 ②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。 ③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。 ④合金的晶粒大小与碳化钛在混合料中存在的形式有关。
相；碳量过剩，则为WC+C+ 液相；碳适量，则为WC+ 液相。
? 1.1.4. 冷却阶段（烧结温度~室温）
? 冷却速度只影响γ 相成分，不影响组织，最终组织为 WC+ γ。 ? WC-TiC- CO合金的烧结：与WC – CO 合金的烧结基本类似 。其主要区别表现 在液相的成分，出现液相的温度和所得 合金组织的不同。
? 就几何参数的影响而言，所有相（ WC、CO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 存在于 WC、CO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5-52）。
热压烧结的操作步骤及应用
热压烧结的操作步骤及应用热压烧结是一种常见的粉末冶金工艺，用于制造高强度、高硬度、高精度的金属部件和陶瓷制品。
下面将详细介绍热压烧结的操作步骤和应用。
一、热压烧结的操作步骤：1. 原料制备：首先根据所需产品的要求，选择合适的原料，通常为粉末形式。
然后将原料进行混合、研磨，以获得均匀细小的粉末颗粒。
2. 填充模具：将混合好的粉末填充到特制的模具中。
模具的形状和尺寸应与最终产品一致。
3. 预压：将填充好的模具放置在预压装置中，在适当的压力下进行预压。
预压可以使粉末颗粒更加紧密地接触，并形成初步的形状。
4. 烧结：将经过预压的模具转移到烧结炉中，进行高温烧结。
烧结过程主要包括两个阶段：除气和烧结。
- 除气：在烧结开始前，需要将模具中的气体排除，以避免气体对烧结过程的干扰。
通常会在低温下进行除气处理，如较高压力下的真空处理或气氛控制下的气体排放。
- 烧结：将除气后的模具加热到适当的温度，使粉末颗粒发生相互结合和扩散，形成致密的固体。
烧结温度、时间和气氛的选择取决于所用材料和所需产品的特性。
5. 冷却：在烧结结束后，将模具从炉中取出，进行自然冷却或采用其他冷却方式。
冷却过程中，要注意避免产品出现热应力导致的开裂。
6. 除模：将烧结后的成品从模具中取出。
通常需要经过机械加工或其他后续处理步骤，以满足最终产品的要求。
二、热压烧结的应用：1. 金属制品：热压烧结可以用于制造各种金属制品，如钢制品、铝合金制品等。
由于热压烧结可以使金属颗粒充分结合，因此制造的金属制品具有高强度、高硬度和良好的耐磨性。
常见的应用包括汽车零部件、工具和模具、航空航天部件等。
2. 陶瓷制品：热压烧结是制造陶瓷制品的常用工艺之一。
热压烧结可以使陶瓷颗粒结合更紧密，从而获得高强度、高硬度和高密度的陶瓷制品。
常见的应用包括陶瓷刀具、陶瓷瓷砖、陶瓷合成材料等。
3. 硬质合金：热压烧结是制造硬质合金的主要工艺之一。
硬质合金通常由金属粉末和碳化物等非金属粉末混合而成。
硬质合金烧结实验
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 。
硬质合金的制备方法
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。
硬质合金密封环 工艺
硬质合金密封环工艺
硬质合金密封环是一种常用于机械密封的零部件，它具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐压等优良性能，适用于各种工业领域。
硬质合金密封环的制造工艺主要包括以下几个步骤：
1. 原料选择：硬质合金密封环的主要原料是钨钴合金粉末和钛碳化物粉末。
这些粉末需要经过筛分、清洗和干燥等处理，以保证其质量和纯度。
2. 混合和压制：将钨钴合金粉末和钛碳化物粉末按照一定比例混合，并加入一定量的粘结剂和润滑剂，然后通过压制机将混合后的粉末压制成密封环的形状。
3. 烧结：将压制好的密封环放入烧结炉中进行烧结处理。
烧结过程中，密封环会经历高温高压的环境，使得钨钴合金和钛碳化物粉末发生化学反应，形成一种坚硬的材料。
4. 精加工：经过烧结处理后的密封环需要进行精加工，包括车削、磨削、抛光等工艺，以保证其精度和表面光洁度。
5. 检测和包装：经过精加工后的密封环需要进行质量检测，包括外观检查、尺寸检测、硬度测试等，以确保其质量符合要求。
最后，将密封环进行包装，以便于运输和使用。
总的来说，硬质合金密封环的制造工艺需要经过多个环节的处理，包括原料选择、混合和压制、烧结、精加工、检测和包装等。
这些步骤需要严格控制，以保证密封环的质量和性能。
硬质合金的烧结
实际的烧结过程
WC+Co+W2C+C混合料的烧结特点：生产中常见的混合料组成，
尤其是在采用人造橡胶作成形剂时。
• 烧结过程伴随着一些固相化学反应而使过程复杂化。 • 在低温时先形成η相。 • 当碳量足够时， η相会因渗碳而消失。W2C亦可补充碳化化成WC。生 成的γ+η+C三元共晶(1250~1270℃)也可能消失。 • 获得的合金为WC+两相组织。 • 当碳量过剩时，可看成是WC+Co+C的烧结。而当缺碳时，则可看成是
典型的真空烧结工艺
真空烧结的4个阶段：
成形剂脱除阶段 预烧结阶段 高温烧结阶段 冷却阶段
真空烧结工艺
真空烧结的工艺过程为：脱蜡（胶）、预烧→烧结冷却出炉 • 脱蜡（胶）一般在350~400℃下进行3~4小时，它即可在真空下进 行，也可在氢气中进行。
• 预烧一般在700℃左右进行1小时。
硬质合金烧结的几个阶段
脱除成形剂及预烧阶段（<800℃）：成形剂的脱除（挥发、裂解）； 粉末表面氧化物还原 ；粘结金属粉末开始回复和再结晶，颗粒开始表面扩 敢，压块强度有所提高。 固相烧结阶段（800℃~共晶温度）：共晶温度是指缓慢升温时出现共 晶液相的温度。WC-Co合金在平衡烧结时的共晶温度为1340℃。此时，扩 散速度增加，颗粒塑性流动加强，烧结体出现明显收缩。
溶解-再析出阶段
固相在液相中具有一定溶解度的体系； 化学位差异，化学位高的部位将发生优先溶解并在附近的液相中 形成浓度梯度； 发生固相原子等在液相中的扩散和宏观的马孪哥尼流动（溶质浓 度变化导致液体表面张力梯度，产生液相流动），在化学位低的 部位析出。
化学位高的区域 颗粒突起或尖角处，细颗粒； 发生细颗粒和颗粒尖角处的优先溶解。 化学位较低的部位 颗粒的凹陷处和大颗粒表面； 溶解在液相中固相组分的原子在这些部位析出。
硬质合金烧结工艺控制要点
硬质合金烧结工艺控制要点嘿，朋友们！今天咱们就像聊美食一样聊聊硬质合金烧结工艺的控制要点。
这硬质合金烧结啊，就像是一场神秘又刺激的魔法烹饪。
首先呢，温度那可是这个魔法烹饪的火候。
这温度控制得不好，就像你烤蛋糕的时候把烤箱温度调得乱七八糟一样。
温度过高，硬质合金可能就像个气球一样鼓起来，然后各种性能就全乱套了，它可不会乖乖听话变成我们想要的坚韧家伙。
而温度过低呢，就好比你想把肉炖烂却用小火慢慢悠悠的，结果硬质合金就达不到应有的硬度和密度，软趴趴的，像个没骨气的小面团。
接着是烧结时间。
这时间啊，就像是给这个“菜”烹饪的时长。
时间太长，硬质合金可能就像在锅里煮过头的面条，变得又干又脆，还容易断裂，完全没有了那种恰到好处的韧性。
要是时间太短，就像你急急忙忙炒个菜，菜还是生的，硬质合金的内部结构还没来得及好好组合，性能就大打折扣，就像一个没经过训练的新兵，毫无战斗力。
再说说气氛控制。
这气氛就像是烹饪时的调味料。
如果气氛不对，比如氧含量没控制好，那硬质合金就像放在空气里太久的苹果，开始氧化生锈。
原本应该光鲜亮丽、坚不可摧的它，可能变得坑坑洼洼，像个长满麻子的脸。
粉末的粒度也是个关键因素。
粉末粒度就像食材的颗粒大小。
要是粉末粒度不均匀，那就好比你做米饭的时候米有大有小，煮出来的饭肯定有的生有的熟。
硬质合金的质量也会参差不齐，有的地方硬得像石头，有的地方又松松垮垮。
烧结过程中的压力也很有趣。
压力就像你在做煎饼的时候用的那把铲子压着的力度。
压力过大，硬质合金可能就被压得扁扁的，像被踩扁的易拉罐。
压力过小呢，它又不能紧密地结合在一起，就像一盘散沙，风一吹就散了。
还有加热速率，这就像是你开着车加速的过程。
加热太快，就像你开车突然猛踩油门，硬质合金可能会因为“晕车”而内部结构紊乱。
加热太慢，就像乌龟爬一样，生产效率低下，大家都等得心急火燎的。
添加剂的使用呢，就像是给菜加调料。
加少了没效果，就像炒菜没放盐，平淡无奇。
加多了又会破坏整体的平衡，就像糖放多了把菜变成了甜品，那可就完全不是我们想要的硬质合金了。
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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。
真空烧结：与氢气烧结相比，真空烧结主要要几个优点，首先真空烧结能极好的控制产品成分，在~133pa压强下，碳和氧气在气氛与合金之间的交换速率非常低。
影响成分变化的主要因素是碳化物颗粒中的氧含量，而不是碳与真空中稀薄气体的反应速率，因而在烧结硬质合金的工业生产中，真空烧结占有优势。
氢气烧结时，由于氢气的渗入以及氢与陶瓷炉部件的反应，使得炉内的气氛气体的氧化势增高。
真空烧结不存在这些问题，炉内氧化势比氢气烧结时低，因此，含有对氧化很敏感的碳化钛，碳化钽和碳化铌的合金，真空烧结工艺，更为合适。
其次，真空烧结可灵活的控制烧结制度，特别是加热升温阶段的升温速率，以满足生产的需要，例如，当烧结含有碳化钛、碳化钽、碳化铌的合金时，必须缓慢的升温，还要有一个在中间的温度保温的阶段才能得到高质量的产品。
真空烧结是间歇式操作，可灵活调节所需要的烧结制度，而氢气烧结大多是连续烧结工艺，很能实现对各烧结阶段的温度进行准确的控制。
如果能实现，较慢的升温速率就有足够的时间使碳——氧充分反应：形成的CO气体也来的及从连通孔隙逸出，如果升温速率太快，气体就会滞留下来，形成孔隙。
在真空炉中，很容易调节加热过程的升温速率，而对于机械推舟式氢气烧结炉来说，各烧结区的温度和达到最高烧结时的时间，都受限制很难调整。
现在工业真空烧结的操作成本较低，以前的真空烧结设备，是小的感应加热炉，这种炉子能量消耗大、冷却时间长，而且在烧结前需要单独清除润滑剂，现在应用的真空烧结炉至少在以下几方面比氢气烧结成本低：装炉量大、电阻加热、用强制气体冷却以及可在炉内清除润滑剂。
烧结热等静压：烧结热等静压有时也称之为过压烧结和加压烧结。
烧结炉实际上是一个可以充压的真空烧结炉，为了减少或消除残留空隙在烧结温度下当零件内形成封闭孔隙后，往炉内充以惰性气体对其施加等静压力，氩气压力在~10Mpa，远低于通常意义的热等静压压力。
一个具体的烧结过程，包括润滑剂清除、氧化物还原和碳化物合金烧结。
当碳化物烧结出现闭孔时，才将炉内的低压热的静压力升到较高的水平。
有报道指出对于含Co3%~6%的WC-Co牌号的硬质合金，烧结热等静压压力大约为温度在1420~1460摄氏度范围内出现闭孔；而对于含有立方碳化钨的硬质合金，在1430~1480摄氏度时出现闭孔。
就作业成本而言同等生产能力的烧结热等静压设备操作成本比真空烧结炉的操作成本要高的多。
热等静压是在一个专门设计的高压容器中进行的，利用氩气加压到100Mpa，温度和传统的烧结温度大体一样。
通常是先烧结，在作等静压后续处理，以消除少量用正常烧结工艺消除不了的残留空隙。
当然也可以用热等静压来固结只预烧过的压胚。
热等静压机是主要的关键投资，作为烧结的后处理工序，它增加了作业成本、能量和气体的消耗和生产周期。
热等静压生产的硬质合金具有晶粒细小，含量低的特点，因而强度更高但无论采用烧结热等静压还是后热等静压，只有建立了时间、温度和压力之间的合适关系，才能得到比氢气的烧结和真空烧结产品高的强度。