硬质合金烧结工艺
发布日期：2015-09-12
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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-Mo₂C-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。
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1.3~133pa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1.5~10Mpa，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0.2Mpa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。
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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。
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1.3~133pa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1.5~10Mpa，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0.2Mpa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。
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