粉末冶金原理实验课程设计

重庆文理学院粉末冶金原理实验课程设计课题名称硬质合金的制备与性能检测姓名滕建伟学号201304384030专业班级金属材料工程一班指导教师陈慧完成日期2015年12月硬质合金的制备工艺1.硬质合金的概述1.1硬质合金的定义硬质合金兼具有金属良好的韧性和可塑性，它是一种以难熔金属化合物(通常为碳化物)为硬质基体相，以过渡族元素(通常为Co,Fe,Ni)为软质粘结相，采用粉末冶金工艺制备的金属陶瓷工具材料。1.2硬质合金的特点硬质合金广泛地应用于各行各业，它具有其他材料不具备的性能特点：(1)常温下具备良好的刚性，弹性模量高，通常为(4-7)x105MPa;(2)高温下具有较高的硬度，耐磨性良好，在600℃时超过高速钢的常温硬度，在1000℃时超过碳钢的常温硬度;(3)具有普通钢材料无法比拟的抗压强度，可高达6000MPa;(4)低的热膨胀系数，减少热裂纹的产生，适于在恶劣条件下工作;(5)化学稳定性高，特殊牌号的硬质合金能耐酸、碱腐蚀，高温下不易发生氧化作用;(6)具有良好的导电、导热性能，性能接近铁及其合金。硬质合金因其具备以上特点，自问世以来，迅速在在现代化机械加工、金属材料加工以及矿山采掘等领域中得到广泛的应用，极大地刺激了工业生产部门的效率，成为推动各行业发展不可替代的材料。尤其在金属材料加工领域，基本上替代了传统高速钢，引起了金属削工业的技术革命，被看作是工具材料发展到第三阶段的标志，因此被人们喻为工业的“牙齿”。1.3硬质合金的发展简史1923年，德国的施勒特尔首先提出用粉末冶金的方法生产硬质合金，成为了现代硬质合金的发明人。1926年，第一批钨钻硬质合金在德国克虏公司诞生，由于它特殊的性能，在世界各地发展迅速，美国、奥地利、英国、苏联、日本等相继研究成功并生产硬质合金。其发展过程主要分为以下四个阶段：.第一个发展阶段(1926年—1936年)——世界硬质合金工业的形成阶段。第二个发展阶段(1937年一1949年)——世界硬质合金工业的成熟阶段。第三个发展阶段(1950年一1969年)——世界硬质合金工业的普及阶段。第四个发展阶段(1970年-至今)——世界硬质合金工业的产品精密化阶段。随着社会的发展和科技的日益进步，陶瓷、超硬材料的不断发展取代了一部分硬质合金材料，但同时也促进了硬质合金材料自身性能的完善。1.4硬质合金的研究现状1.4.1国内研究现状目前，国内工业生产制备粗晶硬质合金的工艺流程为:WOx(氧化钨)→碱金属掺杂→1000℃还原一超粗钨粉→1980℃高温碳化-超粗WC粉→湿磨、成形、烧结-粗晶硬质合金。研究的重点主要在超粗WC粉的制备、混合料制备与烧结工艺以及后续热处理方面。张立等以粗颗粒与特粗颗粒W粉为原料，研究了CO掺杂对粗颗粒和特粗颗粒WC粉末粒度与微观形貌的影响。得出如下结论:(1)Co掺杂有利于WC粉末Fsss粒度的提高与游离碳的降低。但是Fsss是采用空气透过法测量，空气透过法表征的是粉末的外比表面特性，代表粉末单颗粒或二次颗粒的粒度，因此，对Co掺杂WC粉末，Fsss不能真实反映粉末颗粒的大小。周新华等采用Fsss粒度为25um的WC粉末为原料，研究湿磨工艺中不同球磨时间对粗颗粒硬质合金性能的影响。得到以下结论:(1)球磨是控制合金晶粒度的重要手段，球磨能使颗粒尺寸减小，物相混合均匀度提高。球磨初期，首先是以沿着晶界破坏为单晶为主，WC粉末的粒度明显减小;随着球磨时间延长，多晶颗粒越来越少，破坏形式转变为单晶的磨耗，破碎更加困难。(2)采用测量维氏硬度压痕角部裂纹扩展的方法测量合金韧性。延长球磨时间，裂纹尺寸先减少后增加。这表明采取适当的球磨时间，可以改善合金韧性。另外，研究证明了合金组织均匀、晶粒粗大且完整，具备良好韧性。莫盛秋等以粗颗粒WC粉和CO粉为原料，采用真空烧结工艺成功制备了低Co粗晶硬质合金。结果表明:采用不同的烧结工艺进行真空烧结对合金的性能影响显著。预烧阶段的烧结工艺是低钻粗晶WC-Co硬质合金真空烧结的关键。该阶段，合金中的有害金属元素、氧等被排除，体积收缩大，合金致密度迅速升高，其预烧温度在13500C，预烧真空度在0.1MPa至0.2MPa时，合金试样的综合性能最佳。低Co粗晶WC-Co合金的硬度和抗弯强度明显高于相同牌号的传统YG硬质合金。1.4.2国外研究现状美国公司在20世纪30年代就开始研究矿用凿岩工具。1965年美国Kenneth公司报导了一种粗晶硬质合金冲击钻头刀片，具有优异的韧性和高耐磨性。1985年美国报导[[52]了一种硬质合金镶嵌块，具有良好的硬度和冲击韧性，适用于作冲击凿岩钻头，主要成分为W2C，寿命延长至传统硬质合金的四倍。20世纪90年代，美国研发一项专利，采用分级筛选WC颗粒的方法，使WC-CO合金粒径分布范围窄，组织均匀。其WC粉末粒度按FSSS法测定，WC颗粒平均粒度为20um，单个颗粒粒径偏差不大于0.5um，不允许存在异常的大团粒。瑞典Sandvik公司从20世纪40年代末，开始研制WC粗晶硬质合金，目前已形成适用于各领域的系列产品，其研发与生产的凿岩钻头，占欧洲凿岩钻头总销售量的一半以上。20世纪末，英国泽色公司研发采用除Co以外的Cu,Ni,Fe等金属作合金的粘结相，开发了适用于旋转凿岩的粗晶硬质合金钻头，其耐磨损性和高温氧化性能比没有用Cu-Ni作粘结相添加剂的小1/2。德国在二战以后就着手研制矿山凿岩用钻头，20世纪90年代己经研发出G1,G2,G3和N68等一系列牌号的粗晶硬质合金钻探工具，其WC平均晶粒度为4um。意大利钻井工具公司研发的冲击凿岩钻头，主要成分是W含量为85.wt%,Co含量为l0.wt%,Fe含量为5.wt%，适应于在极硬地层中钻探，钻速为0.5m/s时，使用寿命达到80至150h。此外，二战后经济潮时期，世界资源需求量日益升高，加拿大、俄罗斯、澳大利亚等国家也相继展开了对矿山凿岩用粗晶硬质合金钻头的研发与生产。1.5硬质合金的分类硬质合金按照其成分和性质可分为以下五类。(一)WC-CO类合金，主要由碳化钨和钻组成，不同牌号其比例不同。有时在切削工具中加入2%以下的其他碳化物(碳化担、碳化泥、碳化钒等)作为添加剂，以提高工具的使用寿命。由于并不改变合金的基本性能，故仍属于WC-Co类合金。(二)WC-TiC-Co类合金，与WC-CO类合金比较，具有较高的抗氧化性能，在切削过程中形成“月牙洼”的倾向小，因而可以提高高速切削大型工件和长工件时刀具寿命。(三)WC-TiC-TaC(NbC)-Co类合金，与WC-TiC-Co类合金一样，主要用于金属材料的切削加工，相比WC-TiC-Co类合金，其高温抗氧化性能更好，同时还有较好的抗热震性，因而延长了其使用寿命。当两类合金中固溶体的体积相等时，WC-TlC-TaC(NbC)-Co类合金比WC-TiC-Co类合金的抗弯强度高，而硬度值保持不变。(四)钢结合金，由碳化钨或碳化钦与碳素钢或合金钢组成。在退火状态下可以接受各种类切削加工以及焊接。淬火后，具有与高钻的WC-Co硬质合金相同的硬度但抗弯强度略低。(五)TiC-Ni-Mo类合金，由碳化钦、镍和钥或碳化二铝(Mo2C)组成。镍和铝的总含量一般为20-30%。此类合金具有较高的硬度，并且抗弯强度良好，主要用于钢材的高精度切削加工。2.硬质合金的生产工艺流程2.1原料与设备2.1.1原料粉末WC粉末，总碳含量6.27%，游离碳0.051%,Fsss粒度为20um。W粉和Co粉，其中W粉Fsss粒度为1.34um,Co粉Fsss粒度为1.0um。2.1.2添加剂添加剂采用质量分数为2%的石蜡作为成型剂，酒精。2.1.3实验仪器与设备瓷瓶球磨机、真空干燥箱、压装液压机、真空烧结炉、电子密度天平、电动洛氏硬度计、金相显微镜、X射线衍射仪。2.2工艺流程图2.3制备过程2.3.1计算配置100g牌号为YG6的混合粉体，采用5:1的球料比，加入质量分数为2%的成型剂石蜡。计算出应称取WC和Co粉各多少克，磨球重量以及石蜡的重量：YG6化学成分：W:94%Co:6%m(Co)=100*6%=6gm(石蜡)=100*2%=2gm(WC)=100-6=94gm(磨球)=5*100=500g压制成型前计算每个压坯的重量：压制成B型样条，样条尺寸为20mmX6.5mmX5.25mm；WC密度为15.6g/cm3Co密度为8.9g/cm3d=100/（92/15.6+6/8.9）=15.217V=20*6.5*5.25*10^-3=0.6825M=dV=10.386g2.3.2混合料的制备制备YG6牌号的混合料，首先将石蜡放入酒精中加热溶解，然后将WC,W,Co粉按一定比例加入球磨罐中，同时加入2%的石蜡酒精溶剂。在50r/分钟的球磨罐中球磨10-12小时，取出粉末静置24小时，然后在真空干燥箱中干燥，用80目的筛网过筛，制得YG6混合料。2.3.3制粒2.3.4压制成形本次研究需压制抗弯强度试样和冲击韧性试样，根据GB3851-83和GB/T1817-1995，其尺寸分别为20mmX6.5mmX5.25mm。硬质合金的液相烧结过程中，合金收缩率为18%^'22%，故据此，计算每种单个试样的混合料质量，以保证烧结体的致密度。再根据试样压制的表面积，计算出整体的压制压力。2.3.5压坯脱脂将压坯放入石墨舟中，采用A1203作为填料，并配入质量分数为0.2%的碳黑，防止在氢气气氛下脱脂过程中，压坯表面脱碳。脱脂过程升温速度保持缓慢，升温过快容易导致压坯的开裂，起泡。脱脂结束后，升温到900度，进行固相烧结，此过程是为了增加脱脂后压坯的强度。2.3.6烧结硬质合金烧结属于典型的液相烧结。此次烧结过程中，先升温到1100℃进行固相烧结，因之前脱脂已进行固相烧结，所以升温速度可以适当提高，然后升温到1430℃进行液相烧结。液相烧结可以大致分为不十分明显的三个阶段：（1）液相流动和颗粒重排阶段温度升高产生液相后，粉末颗粒悬浮在液相内，液相表面张力推动粉末颗粒发生移动，由此Co相对WC颗粒表面的良好润湿性和有足够的液相存在是WC颗粒移动的重要保障。同时由于液相在WC颗粒的孔隙间产生的毛细管力以及其本身的勃性流动，使WC颗粒重新排以达到最紧密的状态，在这个阶段，合金的致密度迅速提高;(2)固相溶解和再析出阶段WC颗粒表面的原子能够溶解在Co相中，其溶解度随温度和颗粒的形状、大小而不同。液相对于小颗粒和颗粒表面的棱角或凸起部位(具有较大的曲率)有较大的饱和溶解度。因此，小颗粒数量逐渐减少，颗粒表面趋向于平整光滑，反之，WC大颗粒在Co相中饱和溶解度较低，使液相中过饱和WC原子在大颗粒表面析出沉积，导致大颗粒长大，这就是固相溶解和再析出，即以液相作为载体的物质迁移过程，与第一阶段相比，致密化程度减少;(3)固相烧结阶段经过前两个阶段，合金致密化程度提高，WC颗粒之间距离变短，相互接触后表面发生固相烧结，使WC颗粒之间形成坚固的基体骨架，剩余的液相填充在骨架之间，合金进一步致密化。3.相关设备操作要点(1)瓷瓶球磨机:负荷控制-防止饱磨、空磨。控制参数：球磨机喂料量、回粉量、球磨机一仓音频、球磨机电流、磨出口负压、出磨斗提功率、入库斗提功率、选粉机电流与转数、主排风机入口挡板开度。要求：精心操作，发现问题要及时分析并处理，使这些参数控制在正常范围内，保持系统在最佳稳定的状态下运行。(2)真空烧结炉真空烧结炉的使用步骤如下：①首先打开循环水的开关，观察其水压；②打开炉门，把试样放进去，然后关闭阀门；③打开总电源，然后打开控制柜控制电源；④设置烧结工艺按SEP至PTN——PTN=0烧结运行前8段+后8段；PTN=1只运行前8段；PTN=2只运行后8段；再按SET至SU-1输入第1个升温温度（如375℃）→SO-1输入时间（即从室温至375℃所需时间）→OUT1(输出功率)；用以上方法设置好前8段，设置后8段温度按SET至PTN2，步骤同上。温度设置好以后按至PTN=0，最后回到温度设置界面。⑤抽真空，先开泵然后再开阀（阀门缓慢打开至真空度