加压烧结对硬质合金性能的影响

       摘要：文中主要研究了加压烧结在超细粉末硬质合金中的应用。通过低压等静压烧结和真空烧结的对比实验，获得了真空烧结和加压烧结在不同条件下，多组试样的力学性能和组织结构的不同之处。研究发现不同碳含量对硬质合金的抗弯强度和硬度的影响，从而证实了在缺碳情况下形成的η相对硬质合金性能有着很大的影响；在渗碳情况下形成游离的石墨相对硬质合金硬度也有着严重的影响。通过对低倍、高倍显微组织的观察，最终得到了在相组织正常的情况下，加压烧结得到的力学性能均优于真空烧结，研究结果表明加压烧结对硬质合金的性能有着非常有利的影响。
1.引言
高性能的刀具和工、模具的制备以及应用技术是现代制造业发展的共性关键技术之一。有数据表明, 虽然切削加工中的刀具费用仅占制造成本的2 %～4 % , 但它却直接影响占制造成本20 %的设备费用和38 %的人工费用。进给和切削速度每提高15 %～20 %可降低制造成本10 %～15 %。使用高性能刀具会增加成本, 但效率的明显提高使设备费用和人工费用有很大的降低, 这是工业发达国家制造业所采取发展战略的成功之处[1 ]。 当前刀具和模具材料最重要的发展方向之一是用粉末冶金方法制备超细和纳米晶粒硬质合金(简称超细和纳米硬质合金) 。
当WC-Co 硬质合金中WC 硬质相的晶粒尺寸小于0.5μm 时, Co 粘结相的尺度进入纳米量级, 成为纳米材料: 合金的抗弯强度增加1倍多(平均由1600MPa 增加到4000MPa 以上) , 硬度也明显增加(由HRA89 增加到大于HRA93) , 耐磨性能大幅度提高, 刀具耐用度可提高3～10 倍以上[2];合金的超细化还大幅度改善了外延生长的表面涂层的微观组织和性能[3]。因此, 超细和纳米硬质合金及其涂层刀具已显示出在现代高速切削、少/ 无冷却液切削和加工高温合金、钛合金、喷涂材料、淬火钢等难加工材料的明显优势, 被广泛应用于现代制造业的各个领域,已被制成棒状刀具, 如加工集成电路板(PCB) 的微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、铣刀、牙钻和木工工具、精密模具等[4,5,6]。因此, 研制开发系列化超细WC 基硬质合金并寻求其广阔的市场空间已成为当前我国硬质合金工业产品更新换代迫切需要发展的重大方向。
制备超细和纳米硬质合金的困难是防止烧结过程中WC晶粒长大。通常抑制晶粒长大的方法有：添加抑制剂、降低烧结温度、缩短烧结时间，但普通的烧结过程中要降低烧结温度和缩短烧结时间都是很困难的。然而实验证明加压烧结既可降低烧结温度,减小晶粒的长大趋势,而且可以消除孔隙,最终获得无孔隙硬质合金。加压烧结分为低压烧结、热压烧结、热等静压烧结、超高压烧结、爆炸烧结[7,8,9]。目前人们对低压烧结研究较多并且在工业中已广泛应用。低压烧结将成形剂脱除、真空烧结和热等静压合并在同一设备中进行,最终烧结阶段采用氩气保护,压力一般为4～6 MPa ,可实现快速冷却[10]。在低压烧结过程中,收缩主要发生在真空烧结阶段,加压阶段则为消除显微孔隙,使烧结体完全致密。该工艺主要优点:钴池几乎可以完全消除;孔隙度显著降低,制品内部的缺陷得到有效控制;合金的组织结构细小均匀。由于烧结和加压在同一设备中进行,不易造成产品的氧化和脱碳,还可通过引入CH4等气体来调整合金中的碳含量。需要注意的是加压时间必须选在液相Co 出现之后,这样才能达到完全致密[11,12]。
由于硬质合金通常采用液相烧结的方法制得，不需要很大的压力。所以本实验采用低等静压烧结，与真空烧结对比，以研究加压烧结后对硬质合金力学性能、组织结构影响。
2.实验方法
本次实验采用的原料粉末：WC粉末为厦门金鹭特种合金有限公司生产，粒度0.58μm，其中含有0.3%碳化钒、0.5%碳化铬（抑制剂），Co粉为上海百洛达金属有限公司生产，粒度为0.9~1.2μm。合金成分配比为90%WC-10%Co。采用常规工艺进行球磨和压制。本次试验采用加压烧结、真空烧结工艺制取试样，烧结温度：真空烧结采用1430℃，加压烧结采用1400℃。采用三点式抗弯测试,测定各试样的抗弯强度。本次试验采用HRA测量试样硬度。采用金相显微镜观察和分析合金的组织结构。本次试验采用添加三种不同的成形剂，以期获得不同成形剂对组织结构和力学性能的影响。添加成形剂和编号如表1所示。

表1 不同成形剂的试样编号
成形剂种类100%石蜡100%SBP50%石蜡50%SBP
真空烧结A1B1C1
加压烧结A2B2C2
2．实验结果与分析
2．1真空烧结的组织结构和性能
2．1．1显微结构
观察金相照片图1(a)我们发现A1 试样中存在缺碳的η1相，η1出现的原因可能是初始粉末的碳含量低，在烧结的过程中不足以弥补氧化还原期消耗的碳，导致缺碳。
而在B1 的照片中，可以清晰地看到有大片的游离石墨相存在，表明碳过剩。由于存在大量石墨相， B1 合金的液相烧结温度降低了，导致WC晶粒长大。
观察C1组的金相照片，发现组织均匀WC晶粒细小，基本无缺碳和渗碳的缺陷。
以上的显微结构分析表明成形剂添加种类对合金碳含量有一定程度的影响。石蜡对合金的增碳不大，而SBP成形剂对合金有较大的增碳作用，不仅避免了η1的形成，甚至出现游离炭。综合添加石蜡和SBP成形剂获得了合适的硬质合金组织。
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2．1．2 力学性能
表2是A1、B1和C1试样强度、硬度的平均值。表明三种硬质合金的强度、硬度性能各不相同。η1的存在会大大削弱合金的强度，导致A1合金性能严重下降的原因。
表2 真空烧结试样的强度和硬度（平均值）
编号抗弯强度，MPa硬度(HRA)
A1
B1
C1
1599.73
1378.33
1745.75
92.1
90.8
92.0
由于在WC晶粒长大的过程中Co相的晶粒也同时长大了，所以石墨相的存在对强度影响并不大，但由于石墨相的存在和晶粒的长大，降低了合金的硬度。可见C组试样的综合强度、硬度性能达到最佳。
2．2加压烧结的组织结构和性能
2．2．1显微结构
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观察图2金相照片，得到与真空烧结类似的结果。A2组出现缺碳相、B2组出现了游离的石墨相。C2组晶粒细小均匀，且组织结构正常。
2.2.2力学性能由表3可见加压烧结条件下不同成形剂得到的硬质合金的强度、硬度性能各不相同，其影响与真空烧结类似。结果表明在相同的烧结条件下C2组试样的综合强度、硬度性能达到最佳。
表3 各组试样强度和硬度（平均值）
编组 强度，MPa 硬度（HRA）
A2B2C2 1371.351648.931851.31 92.190.892.5
3.讨论
上述数据表明在组织结构正常的情况下，硬度方面加压烧结略高于真空烧结，强度方面加压烧结比真空烧结要高得多。我们选取组织结构正常的C组数据进行比较，以期获得在组织结构正常的前提下，加压烧结对硬质合金力学性能、组织结构的影响。观察未腐蚀时的照片发现，加压烧结的孔隙度要小于真空烧结得到的试样。腐蚀后高倍金相照片发现，在晶粒度方面加压烧结制得的合金比真空烧结得到的合金细小。在加压烧结过程中，由于引入了惰性气体，使得烧结温度降低[7]，在较低的烧结温度下，有利于抑制晶粒长大，得到细小的晶粒。这表明加压烧结可以促进致密化，减少孔隙度；降低烧结温度，细化晶粒，大大提高了合金的抗弯强度和硬度。
4 . 结论
⑴ 成形剂的混合使用有利于控制碳含量的高低，从而获得正常组织结构，有利于硬质合金力学性能的提高。
⑵ 在相组织正常的情况下，加压烧结工艺所制得的样品其力学性能均优于真空烧结的。
⑶ 加压烧结在减少孔隙度，细化晶粒等方面优于真空烧结。