納米硬質(zhì)合金燒結(jié)技術(shù)

納米硬質(zhì)合金燒結(jié)技術(shù)介紹XXXXXXX3上海大學(xué)1目錄21.納米硬質(zhì)合金簡介硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工藝制成的一種合金材料。元素周期表中過渡金屬的碳化物（碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭）過渡金屬的氮化物、硼化物、硅化物。粘結(jié)金屬：鐵族金屬，常用的是鈷和鎳（Co，Ni，鋼）硬質(zhì)化合物硬質(zhì)合金例：WC，TiC，Cr3C2，WC-TiC，NbC，TaC1.納米硬質(zhì)合金簡介特點(diǎn)：硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能。特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。分類：鎢鈷類硬質(zhì)合金：主要成分是碳化鎢（WC）和粘結(jié)劑鈷（Co）鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金：主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷鎢鈦鉭（鈮）類硬質(zhì)合金：主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）及鈷納米硬質(zhì)合金：合金相尺寸在100納米一下的硬質(zhì)合金2.納米硬質(zhì)合金燒結(jié)概述燒結(jié)成型：硬質(zhì)合金燒結(jié)成型就是將粉末壓制成坯料，再進(jìn)燒結(jié)爐加熱到一定溫度（燒結(jié)溫度），并保持一定的時間（保溫時間），然后冷卻下來，從而得到所需性能的硬質(zhì)合金材料。壓制成配料燒結(jié)致密燒結(jié)過程：納米硬質(zhì)合金燒結(jié)過程四個基本階段納米硬質(zhì)合金燒結(jié)致密化過程（微觀）2.納米硬質(zhì)合金燒結(jié)概述WC-Co為典型的液相燒結(jié)：Co對WC完全潤濕；燒結(jié)溫度（1380-1490oC）高于WC和Co共晶溫度，保溫階段始終存在液相；WC在Co中部分溶解，Co相在WC中不溶解。WC-Co偽二元相圖共晶溫度固相燒結(jié)液相燒結(jié)燒結(jié)溫度2.納米硬質(zhì)合金燒結(jié)概述

脫除成形劑及預(yù)燒階段（<800℃）：成形劑的脫除（揮發(fā)、裂解）；粉末表面氧化物還原；粘結(jié)金屬粉末開始回復(fù)和再結(jié)晶，顆粒開始表面擴(kuò)敢，壓塊強(qiáng)度有所提高。

固相燒結(jié)階段（800℃-共晶溫度）：共晶溫度是指緩慢升溫時出現(xiàn)共晶液相的溫度。WC-Co合金在平衡燒結(jié)時的共晶溫度為1340℃。此時，擴(kuò)散速度增加，顆粒塑性流動加強(qiáng)，燒結(jié)體出現(xiàn)明顯收縮。液相燒結(jié)階段（共晶溫度-燒結(jié)溫度）：出現(xiàn)液相后，燒結(jié)體收縮很快完成，碳化物晶粒長大并形成骨架及合金的基本組織結(jié)構(gòu)。冷卻階段（燒結(jié)溫度-室溫）：合金的組織和黏結(jié)相成分隨冷卻條件的不同而產(chǎn)生某些變化。冷卻后，得到最終組織結(jié)構(gòu)的合金。硬質(zhì)合金燒結(jié)的四個基本階段：（緩冷和急冷得到的合金相大小尺寸不同）2.納米硬質(zhì)合金燒結(jié)概述納米硬質(zhì)合金燒結(jié)致密化過程（微觀）重排溶解析出骨架形成碳化物晶粒的長大1重排在液相毛細(xì)管力作用下顆粒向最致密方向移動2溶解-析出在高溫下W和C將會向液相中溶解，由于固相顆粒大小以及固相顆粒平直度的不同，W和C在液相中的固溶度不同，將會發(fā)生溶解和析出的現(xiàn)象3骨架形成固相顆粒燒結(jié)形成骨架4碳化物物晶粒的長大毛細(xì)管中能使?jié)櫇衿涔鼙诘囊后w自然上升的作用力液相燒結(jié)過程2.納米硬質(zhì)合金燒結(jié)概述沿顆粒晶界優(yōu)先形成液相：晶界出現(xiàn)溶質(zhì)原子的偏聚；原始顆粒間液相流動與顆粒重排，晶粒間分裂解體；液相再分布和顆粒重排列；致密化。燒結(jié)微觀過程：2.納米硬質(zhì)合金燒結(jié)概述硬質(zhì)合金致密化的影響因素1.潤濕角：液體的毛細(xì)管力隨其對碳化物顆粒的潤濕角減小而提高。2.液相數(shù)量：不超過50%時，毛細(xì)管力隨液相數(shù)量的增加而提高。3.含碳量：含碳量較高的燒結(jié)體，液相出現(xiàn)的溫度較低。4.原始碳化物顆粒大小：越細(xì)，則顆粒的中心距越短，燒結(jié)體內(nèi)孔隙尺寸越小，液體的毛細(xì)管力越大。同時，顆粒小則表面積越大，固相擴(kuò)散速度與液相出現(xiàn)后的溶解-析出速度也越快。5.黏接金屬與碳化物混合的均勻程度。6.燒結(jié)時間：燒結(jié)體的致密程度隨燒結(jié)時間的延長而提高，但其致密化速度卻隨燒結(jié)時間的延長而降低。3.傳統(tǒng)燒結(jié)方法113.1真空燒結(jié)（是現(xiàn)在硬質(zhì)合金燒結(jié)較為普遍的方法）真空燒結(jié)：就是在負(fù)壓的氣體介質(zhì)中燒結(jié)壓制的過程。在真空條件下完成的燒結(jié)，大大降低了粉末表面吸附氣體和封閉孔隙內(nèi)氣體對粉體致密化的阻礙作用，有利于擴(kuò)散過程的進(jìn)行，因而有利于致密化優(yōu)點(diǎn)能夠更好地排除燒結(jié)體中si、Mg、ca等微量氧化物雜質(zhì)，從而提高硬質(zhì)合金的純度；改善液相燒結(jié)的潤濕性，有利于收縮和改善合金組織產(chǎn)品內(nèi)部有少量孔隙和缺陷缺點(diǎn)燒結(jié)體的碳含量會降低燒結(jié)過程中產(chǎn)生的CO因?yàn)檎婵障挛镔|(zhì)擴(kuò)散沒有氣體介質(zhì)阻擋，擴(kuò)散速度更快3.傳統(tǒng)燒結(jié)方法3.2熱等靜壓燒結(jié)利用惰性氣體、液態(tài)金屬或固體顆粒作為壓力傳遞介質(zhì)對燒結(jié)體的各個方向施加相等的壓力，這可以克服普通熱壓燒結(jié)壓力的不均勻和由此引起的產(chǎn)品性能的不均熱等靜壓燒結(jié)原理圖3.傳統(tǒng)燒結(jié)方法3.2熱等靜壓燒結(jié)硬質(zhì)合金的熱等靜壓燒結(jié)可以較好地消除合金中的孔隙和燒結(jié)后的鉆池，抑制wc品粒的長大。從熱等靜壓燒結(jié)技術(shù)問世以來，又先后出現(xiàn)了真空燒結(jié)后續(xù)熱等靜壓、燒結(jié)一熱等靜壓等技術(shù)3.傳統(tǒng)燒結(jié)方法3.2.1真空燒結(jié)后續(xù)熱等靜壓工藝硬質(zhì)合金制品經(jīng)真空(或氫氣)燒結(jié)后，可以消除壓坯中的孔洞，基本完成致密化過程。不過為了進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金的密度和抗彎強(qiáng)度，可進(jìn)行后續(xù)熱等靜壓處理，以消除微孔，并使殘留石墨溶解于液相，通過擴(kuò)散來消除石墨相.優(yōu)點(diǎn)：制品形狀、硬質(zhì)合金種類不受限制，產(chǎn)品表面光潔度好，可降低或消除孔隙，成分和硬度分布均勻，可以提高抗彎強(qiáng).再一次燒結(jié)引起合金內(nèi)部碳化鎢晶粒大小分布不均勻，粗大的碳化鎢晶粒起著斷裂源的作用，使合金強(qiáng)度降低；燒結(jié)時，使用的壓力高，設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，維護(hù)難度大，操作較復(fù)雜；由于壓力高，易引起液相co的運(yùn)動和遷移，被擠壓填充到合金的空洞或孔隙內(nèi)，形成“鈷池”。引起粘結(jié)相在合金內(nèi)部分布不均勻的現(xiàn)象。缺點(diǎn)：真空燒結(jié)熱等靜壓3.傳統(tǒng)燒結(jié)方法3.2.2燒結(jié)一熱等靜壓法燒結(jié)熱等靜壓法又稱過壓燒結(jié)，是在低于常規(guī)熱等靜壓的壓力(大約6MPa)下對工件同時進(jìn)行熱等靜壓和燒結(jié)的工藝。真空燒結(jié)等靜壓爐較低溫度下低壓載氣(如氫氣等)脫蠟在1350℃一1450℃進(jìn)行真空燒結(jié)進(jìn)行熱等靜壓（6MPa）氬氣作為壓力介質(zhì)冷卻4.新型燒結(jié)介紹4.1微波燒結(jié)原理微波燒結(jié)是采用微波為熱源，通過材料自身對電磁場能量的吸收達(dá)到燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的一種燒結(jié)方法。4.新型燒結(jié)介紹4.1微波燒結(jié)

抗彎強(qiáng)度

采用微波燒結(jié)技術(shù)制得的產(chǎn)品比傳統(tǒng)熱等靜壓燒結(jié)出來的產(chǎn)品抗彎強(qiáng)度高，晶粒尺寸小，孔隙少，組織更加均勻。4.新型燒結(jié)介紹4.1微波燒結(jié)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.能顯著降低燒結(jié)溫度，最高可達(dá)500℃；

2.降低能耗；3.縮短燒結(jié)時問；

4.提高致密度，細(xì)化晶粒。缺點(diǎn)：但在微波燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)熱失控效應(yīng)，對燒結(jié)體加熱不均勻，從而影響產(chǎn)品性能。另外適合工業(yè)生產(chǎn)的大功率微波爐在制造上有很大困難，微波燒結(jié)還不能大規(guī)模用于生產(chǎn)。4.新型燒結(jié)介紹4.2場輔助燒結(jié)場輔助燒結(jié)放電等離子體燒結(jié)（SPS）等離子體活化燒結(jié)(PAS)放電等離子體燒結(jié)（SPS）：依靠脈沖電流加熱等離子體活化燒結(jié)(PAS)：先用短時間脈沖放電活化然后用直流電電阻加熱4.新型燒結(jié)介紹4.2場輔助燒結(jié)過程：對粉末施加單軸向的壓力通脈沖電流放電產(chǎn)生等離子體，對粉末顆粒活化用直流電對樣品進(jìn)行電阻加熱至所需溫度，并保持一定時問用脈沖電流加熱，對樣品進(jìn)行電阻加熱至所需溫度，并保持一定時問清除壓力粉末固化PASSPS4.新型燒結(jié)介紹4.2場輔助燒結(jié)原理圖：SPS/PAS原理圖微粒之間被加熱示意圖接觸電阻大導(dǎo)致接觸部位發(fā)熱融化。4.新型燒結(jié)介紹4.2場輔助燒結(jié)優(yōu)點(diǎn)：電極通入直流脈沖電流時瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個顆粒均勻地產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化。升溫、降溫速率快，燒結(jié)時問短，抑制了晶粒的長大，同時也縮短了制備周期。與微波燒結(jié)相似，SPS也是利用粉末內(nèi)部產(chǎn)生的熱量而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的，脈沖電流在粉末中不斷產(chǎn)生放電等離子體對粉末自身直接加熱，熱效率極高，放電點(diǎn)的彌散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱，因而容易制出均勻、致密、高質(zhì)量的燒結(jié)體。4.新型燒結(jié)介紹4.3二階段燒結(jié)二階段燒結(jié)法的基本原理是利用晶界擴(kuò)散與晶界遷移的能量差來抑制最終燒結(jié)階段晶粒長大，它是控制納米復(fù)合粉燒結(jié)時晶粒長大的有效方法國外一些研究者在沒有使用任何“強(qiáng)力”的方式下，通過常規(guī)燒結(jié)方法制備出了完全致密的，晶粒尺寸為60nm的體心立方Y(jié)2O3材料，但在燒結(jié)工藝的制定上和以往有所不同，使用的是連續(xù)在兩個溫度下保溫?zé)Y(jié)的工藝，稱為二階段燒結(jié)法。4.新型燒結(jié)介紹4.4選擇性激光燒結(jié)（SLS）是利用激光有選擇地逐層燒結(jié)粉末，逐層疊加從而預(yù)定三維實(shí)體零件形狀的一種快速成形制造方法。4.新型燒結(jié)介紹4.4選擇性激光燒結(jié)（SLS）優(yōu)點(diǎn)：以粉末為成型材料，用材種類廣泛、工藝過程簡單、成型效率高以及近乎百分之百的材料利用率、無需支撐、可制造任意復(fù)雜形狀的零件等心SLS三種方法①將金屬粉末直接加熱到接近粉末熔點(diǎn)的溫度，通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)固相燒結(jié)，但孔隙度較大，難于致密化。②通過在金屬表面涂覆聚合物，激光加熱時聚合物先熔融使金屬粉末粘合，獲得55％左右的致密度，然后再通過普通的燒結(jié)方法去除聚合物，實(shí)現(xiàn)金屬粉末的致密化。③對于二元金屬粉則是通過激光加熱熔化低溶點(diǎn)