第30卷第2期2007年4月鞍山科技大学学报JournalofAnshanUniversityofScienceandTechnologyVol.30No.2Apr.,2007

高压热等静压工艺烧结超细WC-10Co复合粉烧结体

齐志宇1,李 静1,李成威1,杨大正2(1.辽宁科技大学材料科学与工程学院,辽宁鞍山 114051;2.鞍钢技术中心,辽宁鞍山 114001)摘 要:实验室采用高压热等静压法(Sintering+HIP)对超细WC-10Co复合粉烧结体进行烧结实验研究。

实验结果表明,在1360e的温度下烧结,其抗弯强度较真空预烧前提高19195%,致密度提高了2%以上,最高达到了97192%,同时细化了晶粒,提高了合金的机械性能。关键词:超细粉末;硬质合金;烧结;高压热等静压

中图分类号:TG135 文献标识码:A 文章编号:1672-4410(2007)02-0124-04

超细晶粒硬质合金由于具有比常规硬质合金更加优异的性能,应用前景十分广泛。目前可以通过高能球磨法[1,2]、机械合金化法[3]、喷雾转换工艺[4,5]等方法制备超细WC-Co复合粉末,但由于超细粉末易氧化、易/桥接0[6],使其难于成型,导致烧结后的合金组织中形成缺陷(主要是孔隙)和机械性能降低[7]。为了制备出优良的合金制品,必须在烧结过程中进行进一步致密化处理。Sintering+HIP方法生产WC-Co硬质合金,通常是将其作为最后处理手段。硬质合金粉末经过成型和预烧结后,由于有Co相的存在,使坯料外表面的开孔封闭,这样就可以不用任何包套,直接放入热等静压机内,在烧结温度下直接对工件施加压力,闭合合金内部孔隙,使接近表面的孔隙发生崩溃。因此,在很低的温度下使合金样品达到几乎完全致密,抑制了晶粒的长大,提高了硬质合金的机械性能。本文研究边升温边加压的HIP工艺对超细WC-10Co复合粉烧结体组织性能的影响。

1 实 验111 原 料喷雾干燥法制造WC-10Co超细复合粉(w(VC)=015%,w(Cr2O3)=015%)、Al2O3粉末和碳粉。112 设 备YA41-100B型单柱校正压装液压机,公称力为1000kN;直径750冷等静压机(北京钢铁研究总院),编号RY(Z)-2;JSM-6360LV型扫描电子显微镜。113 过 程将称量好的粉末于25kN的压力下模压成型,压坯尺寸4100mm@4100mm@60100mm。先进行真空预烧结,然后埋在盛有碳粉和Al2O3粉的石墨桶内,装入冷等静压机内,抽真空90min,打入高纯氩气200min,给电升温。升温分别达到预定烧结温度,保温,最后泄压,冷却至室温出炉。对烧结好的合金样品进行密度、硬度和抗弯强度的测定,并且对腐蚀前后的合金样品进行SEM观察。图1、图2为Sintering+HIP烧结工艺升温曲线图和压力变化曲线图。

收稿日期:2007-01-06。作者简介:齐志宇(1980-),男,辽宁朝阳人。图1 Sintering+HIP烧结工艺升温曲线Fig.1 Increasingtemperaturecurveofsintering+HIPsinter 图2 压力与时间变化曲线Fig.2 Changablecurvebetweenpressureandtime

2 结果分析与讨论211 对孔隙的影响 由图3和图4中3#样品SEM图像可以看出,经过热等静压处理的合金组织明显比真空预烧结后

致密的多。由表1可以看出,经过HIP后合金样品的致密度较预烧前平均提高了2%,尤其3#合金样

图3 真空预烧结和HIP后3#样品SEM图@500Fig.3 3#sampleSEMaftervacuumsinteringprocessandHIP@500

图4 真空预烧结HIP后3#样品SEM图@5000Fig.4 3#sampleSEMaftervacuumsinteringprocessandHIP@5000

品的致密度达到了97192%。硬质合金收缩能力来源于界面能的降低和毛细管力。而产生于固相烧结阶段的界面能的降低对合金的收缩有限,合金的剧烈收缩发生在液相烧结阶段,该阶段收缩主要依赖毛

#125#第1期 齐志宇,等:高压热等静压工艺烧结超细WC-10Co复合粉烧结体细管力的作用。对于形成封闭孔隙,烧结的收缩动力可以用下面方程描述[6]Ps=Pv-2CPr(1)式中:Ps为表面张应力;Pv为孔隙内气体的压力;C为表面张力;r为孔隙的半径。 然而,毛细管力不足以使超细晶合金内部孔隙闭合,高压热等静压提供外在气氛的烧结压力。能改善了硬质合金中Co对WC的润湿性,同时液相出现后,压力介质从各个方向均衡地传递到合金样品的表面,使得WC颗粒能有效地通过液相流动进行颗粒重排,填充孔隙,使气体逸出,达到合金的几乎完全致密化。表1 样品机械性能指标Tab.1 Mechanicalperformanceindexofsample

真空烧结1#2#3#4#Sintering+HIP1#2#3#4#HRA86188716871087148816881289108914抗弯强度,RPMPa20402080198020152440237524852410致密度,Qd

P%

9518695162961009514797164971769719297164

注:填料为Al2O3粉和C粉。

212 对晶体粒度的影响 从图5被腐蚀的SEM图像可以看出,采用高压热等静压烧结所制备的合金样品的晶粒度更为细而

均匀,明显小于真空烧结所制备合金样品的晶粒度,但也有部分晶粒长大的现象。一方面Sintering+HIP烧结工艺在对合金制品烧结、保温的过程中始终伴随着等静压力,使得再结晶晶界迁移速度较慢,阻碍了再结晶的进行,同时,使得合金样品迅速完成致密化,缩短了保温时间,这样避免了保温时间过长所引起的晶粒长大,因而,晶粒度较细小;另一方面由于高压热等静压处理的温度是在共晶温度以上,这样由于碳化钨的溶解)))析出作用,必然会产生又一次的WC聚晶过程,引起部分WC晶粒的长大。

图5 真空预烧结合金样品和HIP后合金样品腐蚀后SEM图@1000Fig.5 AlloysampleSEMwithvacuumsinteringprocessandHIPaftercorrosion

213 对机械性能的影响从测定的数据(表1)可知,经过HIP制备的合金样品抗弯强度和硬度相对真空和高压烧结所得的合金样品普遍较高,其中用高压热等静压烧结制品的抗弯强度平均提高了19154%。根据Hal-lPatch公式,晶粒尺寸d与硬度的关系式为[6]

F=F0+E1d-1P2(2)

#126# 鞍山科技大学学报 第30卷式中:F为为合金硬度;F0,E1为常数;d为WC的平均粒度。可以看出,在Co含量相同的情况下,硬质合金随WC晶粒尺寸的减小,硬度值将升高。正是由于热等静压烧结消除了合金样品内残留孔隙、粗大晶粒、组织缺陷等破坏源,因而,合金样品的机械性能都有了一定提高。

3 结 论 采用Sintering+HIP方法对超细WC-10Co复合粉体进行烧结,合金样品的致密度较预烧前平均提高了2%,合金样品的致密度达到了97192%。热等静压处理后能够大大减少合金的孔隙度,有效地抑制晶粒的长大,显著提高合金的机械性能。

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Sinteringultra-fineWC-10CocompoundpowderbySintering+HIP

QIZhi-yu1,LIJing1,LICheng-wei1,YANGDa-zheng2(1.Schoolof,UniversityofScienceandTechnologyLiaoning,Anshan114051,China;2.AngangTechnologyCentre)Abstract:Ultra-fineWC-10CocompoundpowderhavebeensinteredbySintering+HIPprocessinthelab.Theresultshowsthatwhenthepowderbeingsinteredat1360ebySintering+HIP,compareofvacu-umsinteringprocess,thebendingstrengthofthesamplehasevidentlyincreased19195%,thedensityofthesamplehasbeenincreasedmorethan2%,whichreaches97192%,thegrainsizeofthesampleisfineandeven,andthemechanicalperformancebeingimproved.Keywords:ultra-finepowdercementedcarbidesinterSintering+HIP(ReceivedJanuary6,2007)

#127#第1期 齐志宇,等:高压热等静压工艺烧结超细WC-10Co复合粉烧结体