納米硬質合金燒結技術介紹XXXXXXX3上海大學1目錄21.納米硬質合金簡介硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘結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。粘結金屬：鐵族金屬，常用的是鈷和鎳（Co，Ni，鋼）硬質化合物硬質合金例：WC，TiC，Cr3C2，WC-TiC，NbC，TaC1.納米硬質合金簡介特點：硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能。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：鎢鈷類硬質合金：主要成分是碳化鎢（WC）和粘結劑鈷（Co）鎢鈦鈷類硬質合金：主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷鎢鈦鉭（鈮）類硬質合金：主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）及鈷納米硬質合金：合金相尺寸在100納米一下的硬質合金2.納米硬質合金燒結概述燒結成型：硬質合金燒結成型就是將粉末壓制成坯料，再進燒結爐加熱到一定溫度（燒結溫度），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合金材料。壓制成配料燒結致密燒結過程：納米硬質合金燒結過程四個基本階段納米硬質合金燒結致密化過程（微觀）2.納米硬質合金燒結概述WC-Co為典型的液相燒結：Co對WC完全潤濕；燒結溫度（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液相燒結燒結溫度2.納米硬質合金燒結概述

脫除成形劑及預燒階段（<800℃）：成形劑的脫除（揮發、裂解）；粉末表面氧化物還原；粘結金屬粉末開始回復和再結晶，顆粒開始表面擴敢，壓塊強度有所提高。

固相燒結階段（800℃-共晶溫度）：共晶溫度是指緩慢升溫時出現共晶液相的溫度。WC-Co合金在平衡燒結時的共晶溫度為1340℃。此時，擴散速度增加，顆粒塑性流動加強，燒結體出現明顯收縮。液相燒結階段（共晶溫度-燒結溫度）：出現液相后，燒結體收縮很快完成，碳化物晶粒長大并形成骨架及合金的基本組織結構。冷卻階段（燒結溫度-室溫）：合金的組織和黏結相成分隨冷卻條件的不同而產生某些變化。冷卻后，得到最終組織結構的合金。硬質合金燒結的四個基本階段：（緩冷和急冷得到的合金相大小尺寸不同）2.納米硬質合金燒結概述納米硬質合金燒結致密化過程（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，將會發生溶解和析出的現象3骨架形成固相顆粒燒結形成骨架4碳化物物晶粒的長大毛細管中能使潤濕其管壁的液體自然上升的作用力液相燒結過程2.納米硬質合金燒結概述沿顆粒晶界優先形成液相：晶界出現溶質原子的偏聚；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。燒結微觀過程：2.納米硬質合金燒結概述硬質合金致密化的影響因素1.潤濕角：液體的毛細管力隨其對碳化物顆粒的潤濕角減小而提高。2.液相數量：不超過50%時，毛細管力隨液相數量的增加而提高。3.含碳量：含碳量較高的燒結體，液相出現的溫度較低。4.原始碳化物顆粒大小：越細，則顆粒的中心距越短，燒結體內孔隙尺寸越小，液體的毛細管力越大。同時，顆粒小則表面積越大，固相擴散速度與液相出現后的溶解-析出速度也越快。5.黏接金屬與碳化物混合的均勻程度。6.燒結時間：燒結體的致密程度隨燒結時間的延長而提高，但其致密化速度卻隨燒結時間的延長而降低。3.傳統燒結方法113.1真空燒結（是現在硬質合金燒結較為普遍的方法）真空燒結：就是在負壓的氣體介質中燒結壓制的過程。在真空條件下完成的燒結，大大降低了粉末表面吸附氣體和封閉孔隙內氣體對粉體致密化的阻礙作用，有利于擴散過程的進行，因而有利于致密化優點能夠更好地排除燒結體中si、Mg、ca等微量氧化物雜質，從而提高硬質合金的純度；改善液相燒結的潤濕性，有利于收縮和改善合金組織產品內部有少量孔隙和缺陷缺點燒結體的碳含量會降低燒結過程中產生的CO因為真空下物質擴散沒有氣體介質阻擋，擴散速度更快3.傳統燒結方法3.2熱等靜壓燒結利用惰性氣體、液態金屬或固體顆粒作為壓力傳遞介質對燒結體的各個方向施加相等的壓力，這可以克服普通熱壓燒結壓力的不均勻和由此引起的產品性能的不均熱等靜壓燒結原理圖3.傳統燒結方法3.2熱等靜壓燒結硬質合金的熱等靜壓燒結可以較好地消除合金中的孔隙和燒結后的鉆池，抑制wc品粒的長大。從熱等靜壓燒結技術問世以來，又先后出現了真空燒結后續熱等靜壓、燒結一熱等靜壓等技術3.傳統燒結方法3.2.1真空燒結后續熱等靜壓工藝硬質合金制品經真空(或氫氣)燒結后，可以消除壓坯中的孔洞，基本完成致密化過程。不過為了進一步提高硬質合金的密度和抗彎強度，可進行后續熱等靜壓處理，以消除微孔，并使殘留石墨溶解于液相，通過擴散來消除石墨相.優點：制品形狀、硬質合金種類不受限制，產品表面光潔度好，可降低或消除孔隙，成分和硬度分布均勻，可以提高抗彎強.再一次燒結引起合金內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，使合金強度降低；燒結時，使用的壓力高，設備的設計復雜，費用昂貴，維護難度大，操作較復雜；由于壓力高，易引起液相co的運動和遷移，被擠壓填充到合金的空洞或孔隙內，形成“鈷池”。引起粘結相在合金內部分布不均勻的現象。缺點：真空燒結熱等靜壓3.傳統燒結方法3.2.2燒結一熱等靜壓法燒結熱等靜壓法又稱過壓燒結，是在低于常規熱等靜壓的壓力(大約6MPa)下對工件同時進行熱等靜壓和燒結的工藝。真空燒結等靜壓爐較低溫度下低壓載氣(如氫氣等)脫蠟在1350℃一1450℃進行真空燒結進行熱等靜壓（6MPa）氬氣作為壓力介質冷卻4.新型燒結介紹4.1微波燒結原理微波燒結是采用微波為熱源，通過材料自身對電磁場能量的吸收達到燒結溫度而實現致密化的一種燒結方法。4.新型燒結介紹4.1微波燒結

抗彎強度

采用微波燒結技術制得的產品比傳統熱等靜壓燒結出來的產品抗彎強度高，晶粒尺寸小，孔隙少，組織更加均勻。4.新型燒結介紹4.1微波燒結特點優點：1.能顯著降低燒結溫度，最高可達500℃；

2.降低能耗；3.縮短燒結時問；

4.提高致密度，細化晶粒。缺點：但在微波燒結過程中容易出現熱失控效應，對燒結體加熱不均勻，從而影響產品性能。另外適合工業生產的大功率微波爐在制造上有很大困難，微波燒結還不能大規模用于生產。4.新型燒結介紹4.2場輔助燒結場輔助燒結放電等離子體燒結（SPS）等離子體活化燒結(PAS)放電等離子體燒結（SPS）：依靠脈沖電流加熱等離子體活化燒結(PAS)：先用短時間脈沖放電活化然后用直流電電阻加熱4.新型燒結介紹4.2場輔助燒結過程：對粉末施加單軸向的壓力通脈沖電流放電產生等離子體，對粉末顆粒活化用直流電對樣品進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.新型燒結介紹4.2場輔助燒結原理圖：SPS/PAS原理圖微粒之間被加熱示意圖接觸電阻大導致接觸部位發熱融化。4.新型燒結介紹4.2場輔助燒結優點：電極通入直流脈沖電流時瞬間產生的放電等離子體，使燒結體內部各個顆粒均勻地產生焦耳熱并使顆粒表面活化。升溫、降溫速率快，燒結時問短，抑制了晶粒的長大，同時也縮短了制備周期。與微波燒結相似，SPS也是利用粉末內部產生的熱量而實現燒結的，脈沖電流在粉末中不斷產生放電等離子體對粉末自身直接加熱，熱效率極高，放電點的彌散分布能夠實現均勻加熱，因而容易制出均勻、致密、高質量的燒結體。4.新型燒結介紹4.3二階段燒結二階段燒結法的基本原理是利用晶界擴散與晶界遷移的能量差來抑制最終燒結階段晶粒長大，它是控制納米復合粉燒結時晶粒長大的有效方法國外一些研究者在沒有使用任何“強力”的方式下，通過常規燒結方法制備出了完全致密的，晶粒尺寸為60nm的體心立方Y2O3材料，但在燒結工藝的制定上和以往有所不同，使用的是連續在兩個溫度下保溫燒結的工藝，稱為二階段燒結法。4.新型燒結介紹4.4選擇性激光燒結（SLS）是利用激光有選擇地逐層燒結粉末，逐層疊加從而預定三維實體零件形狀的一種快速成形制造方法。4.新型燒結介紹4.4選擇性激光燒結（SLS）優點：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的溫度，通過擴散實現固相燒結，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方法去除聚合物，實現金屬粉末的致密化。③對于二元金屬粉則是通過激光加熱熔化低溶點