硬質(zhì)合金低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝

硬質(zhì)合金低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝印紅羽盛挺汪海寬（北京市粉末冶金研究所，100078）摘要低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝技術(shù)能最大限度地消除合金內(nèi)部殘余孔隙、細(xì)化晶粒，克服常規(guī)熱等靜壓給合金造成的粗晶、鉆池和表面成分改變的缺陷，顯著提高硬質(zhì)合金物理一力學(xué)性能，并能有效校正合金碳含量。主題詞硬質(zhì)合金低壓熱等靜壓燒結(jié)組織性能1前言低壓熱等靜壓燒結(jié)（Sinter—HIP）工藝［1?3］或稱過壓燒結(jié)（OverPresureSin—tering）工藝，是在低于常規(guī)熱等靜壓的壓力（大約6MPa）下對工件同時(shí)進(jìn)行熱等靜壓和燒結(jié)的工藝。自1984年德國Degusa公司設(shè)計(jì)和制造出第一臺真空燒結(jié)熱等靜壓爐以來，這一工藝已逐漸為世界上很多硬質(zhì)合金廠家所采用，并已開始步入我國硬質(zhì)合金生產(chǎn)領(lǐng)域。低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝目前是硬質(zhì)合金生產(chǎn)中最先進(jìn)的致密化技術(shù)，克服了常規(guī)熱等靜壓造成的粗晶、鉆池和表面成分改變的缺陷，能最大限度地消除內(nèi)部殘余孔隙，提高合金性能，并且能夠通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛，修正合金碳含量、消除合金組織中的n相。2硬質(zhì)合金低壓熱等靜壓燒結(jié)的典型工藝硬質(zhì)合金的低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝是將工件裝入真空燒結(jié)等靜壓爐，于較低溫度下低壓載氣（如氫氣等）脫蠟后，在1350?1450P進(jìn)行真空燒結(jié)30min，接著在同一爐內(nèi)進(jìn)行熱等靜壓，采用氬氣作壓力介質(zhì)，壓制壓力為6MPa左右，時(shí)間為30min［4?5］。其典型的生產(chǎn)工藝見圖1。低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝的排蠟、燒結(jié)和在壓力下的致密化等生產(chǎn)過程在同一爐內(nèi)一次完成［6］，免去了傳統(tǒng)工藝所必需的兩次或多次的裝料及加熱生產(chǎn)工序，降低了熱等靜壓時(shí)的壓力（由多100MPa降至6MPa），既簡化了操作程序，又節(jié)省了能耗。同時(shí)，由于生產(chǎn)過程中的燒結(jié)、熱等靜壓兩個(gè)主要工序不再分步進(jìn)行，避免了工件在生產(chǎn)中途與空氣的接觸而造成的難以控制的碳含量變化。低壓熱等靜壓爐內(nèi)的特定裝置在每道工序后能及時(shí)排除所產(chǎn)生的水蒸汽、CO2和其它氣體，不會在下一過程引起工件某些部分表面成分和碳含量的變化。3低壓熱等靜壓工藝對合金性能的影響對含不同種類和不同量的粘結(jié)劑（C。或Ni）、以及添加Ta、Ti等元素的各種硬質(zhì)合金曲線A為溫度一時(shí)間曲線；曲線B為壓力一時(shí)間曲線。圖1載氣（氫氣）脫蠟低壓熱等靜壓燒結(jié)典型生產(chǎn)工藝系列，分別進(jìn)行了低壓熱等靜壓燒結(jié)（SH）、真空燒結(jié)（NS）和真空燒結(jié)后再熱等靜壓（SH）的試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。這些數(shù)據(jù)證明，與傳統(tǒng)的真空燒結(jié)工藝以及真空燒結(jié)后再進(jìn)行熱等靜壓的工藝相比，低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝能使硬質(zhì)合金的強(qiáng)度以及矯頑磁力等各項(xiàng)性能都有不同程度的提高，顯示了低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝的優(yōu)越性。表1低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝和傳統(tǒng)工藝對不同牌號硬質(zhì)合金性能的影響［4］牌號工藝密度抗彎強(qiáng)度硬度矯頑磁力g/cm3X103MPaHRAX103A/mP30NS12.701.6591.516.16NS+HIP12.701.9891.114.24SH12.771.9891.916.80K—05NS14.411.5892.528.96NS+HIP14.421.9092.627.20SH14.461.9894.227.20K—10NS14.561.6091.619.04NS+HIP14.572.2091.217.76SH14.612.2092.219. 60K—20NS14.912.4590.716.80NS+HIP14.913.1890.415.04SH14.953.0090.817.60注:1.燒結(jié)溫度1460P，壓力5MPa，低壓熱等靜壓燒結(jié)時(shí)間30min°2.NS:常規(guī)真空燒結(jié)；NS+HIP：常規(guī)真空燒結(jié)后進(jìn)行熱等靜壓；SH：低壓熱等靜壓燒結(jié)。3.P30含TiC、TaC；K—05、K—10和K—20含TaC。表2低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝和傳統(tǒng)工藝對不同顆粒尺寸WC的硬質(zhì)合金性能的影響［5］C。含量WC顆粒低壓熱等靜壓燒結(jié)+熱等靜壓真空燒結(jié)％尺寸分等密度g/cm3硬度HRA抗彎強(qiáng)度MPa密度g/cm3硬度HRA抗彎強(qiáng)度MPa密度g/cm3硬度HRA抗彎強(qiáng)度MPa4中15.292.7396015.292.6340015.292. 225007中14.990.6327514.990.6313014.990.8274010中14.690.2351014.690.2337014.589.9275016中14.088.0350014.087.8343014.087.9346010細(xì)14.593.0378514.593.0371014.593.0165016細(xì)13.991.6439013.991.5423013.990.038258大中14.890.8334014.890.5285014.790.51920注：大為Ni作粘結(jié)劑；“中”為中顆粒；“細(xì)”為細(xì)顆粒。我國學(xué)者在實(shí)際生產(chǎn)中對大尺寸硬質(zhì)合金頂錘進(jìn)行了上述三種工藝試驗(yàn)，其結(jié)果見表3。由抗彎強(qiáng)度值可以明顯看出低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝的有效作用，加之低壓熱等靜壓燒結(jié)爐的造價(jià)遠(yuǎn)低于熱等靜壓設(shè)備】8］,因此在生產(chǎn)中有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。4低壓熱等靜壓對合金組織的影響低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝能有效改善合金的性能，主要原因之一是這種工藝能在硬質(zhì)合金燒結(jié)溫度之下直接對工件施加壓力，可表3不同燒結(jié)工藝對大尺寸硬質(zhì)合金頂錘性能的影響［7］燒結(jié)工藝種類工藝參數(shù)密度g/cm3抗彎強(qiáng)度MPa硬度HRA孔隙度真空燒結(jié)1400P2h14.702000?240089.3A04低壓熱等靜壓燒結(jié)1400P真空1h1400°C+6MPa1h14.732800?310089.5VA02真空燒結(jié)后再進(jìn)行熱等靜壓1400C真空，2h出爐100MPa，1380C1h14.712700?305089.5VA02表4加壓壓力對合金性能的影響［7］合金牌號燒結(jié)溫度C加壓壓力MPa抗彎強(qiáng)度MPa硬度HRA孔隙度YG81400(30min)4(30min)300289.3VA025(30min)301589.2VA02YG101390(30min)4(30min)308088.1VA025(30min)312087.9VA02YG151370(30min)4(30min)317087.2VA025(30min)321087.4VA02a.真空燒結(jié)；b.低壓熱等靜壓燒結(jié)。(未侵蝕，低倍照片)圖2WC—2%C。合金在不同工藝下的孔隙分布［9］以在很低的壓力之下閉合合金內(nèi)部的孔隙，從而有效地消除孔隙。表4為加壓壓力對合金性能和孔隙度的影響。由表中數(shù)據(jù)可知，在所論范圍內(nèi)，壓力大小對合金孔隙度影響不太大。在燒結(jié)溫度下，即使對合金施加很小的壓力，也可通過壓力介質(zhì)均衡地傳遞到合金的各個(gè)方向上，加之液相的存在，使WC顆粒能有效地通過液相的流動進(jìn)行顆粒重排，填充孔隙。圖2為含鉆2%的WC—Co硬質(zhì)合金未腐蝕拋光表面的孔隙分布，可見常規(guī)真空燒結(jié)工藝與低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝在合金孔隙度上所造成的差異是非常明顯的。常規(guī)真空燒結(jié)后再熱等靜壓的工藝溫度高、壓力大(80?100MPa)、時(shí)間長。在進(jìn)行熱等靜壓時(shí)會產(chǎn)生又一次的WC聚晶過程，容易使一些粗大的燒結(jié)WC晶粒更為粗化，引起合金中WC晶粒的不均勻長大。低壓熱等靜壓則避免了這種傾向(見圖3)。此外，常規(guī)燒結(jié)后熱等靜壓的工藝，容易使鉆池增多，造成合金內(nèi)粘結(jié)相分布不均勻而影響合金的性能。如果保溫時(shí)間長，鉆池中的粘結(jié)相還可能流出而形成孔隙［9］，圖4a中呈黑色的孔隙即屬于這種情況。低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝則能有效地防止這種情況的產(chǎn)生(見圖4b)。5利用低壓熱等靜壓工藝校正合金碳含量由于低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝的專用燒結(jié)圖3不同工藝對硬質(zhì)合金組織的影響［10］圖4含6%Co硬質(zhì)合金中Co的流失［11］表5低壓熱等靜壓燒結(jié)對鎢鉆硬質(zhì)合金的碳校正［12］工藝批號47596061656871真空燒結(jié)金相組織n相n相n相n相n相正常n相磁飽和值Ms115129128127126136120(X10—4T—cm3/g)低壓熱等靜壓金相組織正常正常正常正常正常正常正常校正碳含量磁飽和值Ms138151147153147150153(X10—4T—cm3/g)設(shè)備是載氣脫蠟，因此還可以對WC+Co硬質(zhì)合金中的碳含量進(jìn)行校正［11］。成形后的硬質(zhì)合金壓坯發(fā)生缺碳或碳過量時(shí)，可以采用低壓熱等靜壓工藝及設(shè)備，在制品中尚未產(chǎn)生液相、而其內(nèi)部的成形劑已脫凈的某一高溫下，通入一定壓力、一定組成比例的CH4/H2氣體，使合金內(nèi)部的n相或游離石墨得以消除，成為正常的WC+兩相合金。該氣體進(jìn)入工件內(nèi)部尚未封閉的連通孑孔對缺碳產(chǎn)品產(chǎn)生增碳反應(yīng)：W+CH4—-WC+2H21對碳過量的合金產(chǎn)生脫碳反應(yīng)：c+2H2—-CH4t生產(chǎn)中混合料存放時(shí)間過長而導(dǎo)致氧含量過高時(shí)，若采用常規(guī)真空燒結(jié)，則會在制品內(nèi)產(chǎn)生明顯的n相，嚴(yán)重時(shí)即使采用含碳量較多的填料在氫氣燒結(jié)爐中返燒也無濟(jì)于事。通過低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝及設(shè)備，一次碳校正燒結(jié)便可獲得正常的兩相組織。表5所列的數(shù)據(jù)即為實(shí)際生產(chǎn)中的幾批不同程度氧化的混合料，經(jīng)過常規(guī)真空燒結(jié)和經(jīng)低壓熱等靜壓碳校正燒結(jié)后的制品的金相組織和磁飽和值（Ms）。這些結(jié)果表明了低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝在校正碳含量方面的有效作用。