注射成形硬质合金缺陷.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,注射成形硬质合金缺陷与性能的研究,主要内容,前言,实验方法,结果与讨论,结论,前言,注射成形硬质合金制品由于具有形状复杂、密度均匀、表面光洁度高、无或少需后续加工等优点，使其在三维形状复杂的结构件方面的应用越来越广泛，市场需求量也越来越大。,但硬质合金制品对碳含量、显微组织结构和缺陷非常的敏感，注射成形所引入的大量粘结剂不但增大了控碳的难度，而且在注射和粘结剂脱除过程中极易导致缺陷的产生，从而降低了硬质合金注射成形制品的性能，所以必须对严格加以控制,虽然已有了通过注射后经溶剂脱脂、热脱脂、烧结来制备硬质合金的方法，但由于此种方法是将热脱脂和烧结过程分开进行的，给热脱脂后制品的搬运以及烧结过程中的碳含量控制带来了困难。鉴于这个原因，本文采用溶剂脱脂后一步完成热脱脂和烧结过程的方法来制备硬质合金制品，从而避免了热脱脂后的搬运过程并更有利于控碳。,实验方法,.,实验原料,实验采用的原料粉末为,YG6,和,YG10,硬质合金复合粉末。性能数据如表,2.1,所示。,粉末牌号,平均粒度/,m,化学成分/,wt%,Co,TaC,O,WC,YG10,1.2,10,1,0.004,余量,YG6,1.0,6,1,0.003,余量,表2.1 粉末的性能数据,本次实验所采用的粘结剂各组元成分分别为：石蜡,（PW），,乙烯-乙酸乙烯酯共聚物,（EVA），,高密度聚乙烯,（HDPE），,硬脂酸,（SA），,邻苯二甲酸二辛酯,（DOP），,花生油,（EO），,四种粘结剂的组成如表,2.2,所示。,粘结剂编号,化学成分/wt%,HDPE+EVA,PW,EO,ouplant,（耦合剂）,粘结剂A,15,70,10,5,粘结剂B,15,65,15,5,粘结剂C,17,70,10,3,粘结剂D,25,55,15,5,表,2.2,粘结剂的组成,2.2,实验流程,粉末,粘结剂,混炼,注射成型,一步热脱脂烧结,物理与力学性能检测,图,.5,喂料D,YG6,的混炼曲线,.,注射过程中的缺陷控制,缺陷类型,产生原因,解决办法,孔洞,中心缩孔,注射温度过高,适当降低注射温度,蜂窝状气孔,注射时气体无法及时排出,减小注射速度,表面凹陷,料温过高，保压压力小且时间短,适当降低注射温度，增大保压压力和延长保压时间,表面流动纹,喂料流动性差,适当提高注射温度和速度,夹心,模/料温差过大,缩小,模/料温差,表.注射过程中缺陷的形成条件及其解决办法,图.6夹心及表面凹陷,注射坯类型,注射温度/,注射压力/MPa,注射速度/mms,-1,注射坯,A,78,120,80,注射坯,B,73,110,80,注射坯,C,74,120,85,注射坯,D,YG10,120,130,50,注射坯,D,YG6,130,130,70,表.注射坯A、B、C、D,YG10,和D,YG6,的最佳注射参数,.溶剂脱脂过程分析与缺陷控制,.溶剂脱脂过程的分析,图.注射坯B、C、D,YG10,和D,YG6,的溶剂脱脂曲线,3.3.2溶剂脱脂过程中的缺陷与控制,1）表面流动纹的扩展,图.脱脂坯沿表面波纹开裂,1.溶剂脱脂过程中注射缺陷的显露：,2.夹心的恶化,图 .夹心脱脂坯,2.由于溶剂脱脂工艺参数控制不当引起的缺陷：,1）溶剂脱脂温度过高（40）：溶剂脱脂坯会由于粘结剂中的高熔点骨架组元软化而发生坍塌，同时由于扩散速率加快，脱脂速率太快，坯体产生鼓泡、甚至裂纹。当然温度过高也会使得正庚烷溶剂在脱脂坯中的高熔点组元中产生的溶胀效应越明显，也是使脱脂坯产生开裂的一个原因。,2）溶剂脱脂温度过低（26），由于溶剂脱脂过程在开始阶段是一个温度控制阶段，在低温时低熔点组元扩散速率过低，而正庚烷的分子量为100.2，而石蜡的分子量为360-540，相应正庚烷分子扩散所需的激活能较小，低温时更易于向坯体中扩散，当正庚烷在高熔点组元中的造成的溶胀效应不能由石蜡和EO的脱除得到补偿时，便会导致坯体在溶剂脱脂初期就开裂。,.“一步热脱脂+烧结”过程中的显微组织结构与缺陷控制,.,YG6,的显微结构与缺陷控制,.溶剂,脱脂率对YG6合金性能的影响,图.1,#,“一步真空热脱脂+气压烧结”,烧结工艺,溶剂脱脂率,/%,bb,/Mpa,Hc,/KAm,-1,Com,/%,HV,/Mpa,孔隙度,密度,/gcm,-3,相对,密度,/%,常规工艺,/,1530,15.317.7,5.05.8,15301600,A02B00C00,14.8815.04,99.8,1,#,38,1247,17.0,6.4,1470,A08B08C08,14.61,97.99,41,1500,17.1,6.4,1500,A06B06C08,14.66,98.32,表.经1,#,“一步真空热脱脂+气压烧结”工艺后溶剂脱脂率不同时合金的物理及力学性能,图.溶剂脱脂率为38%的试样的金相相片 图.溶剂脱脂率为41%的试样的金相相片,图.溶剂脱脂率为38%的试样的孔隙度相片 图.溶剂脱脂率为41%的试样的孔隙度相片,合金中产生石墨相与溶剂脱脂率和热脱脂气氛有关。当溶剂脱脂率较低时,(41%),溶剂脱脂坯中打开的孔隙通道较少，不能形成有效的连通孔隙，在热,分解过程中不利于热分解产物的排除，而且过多的剩余高聚物存在于样品中在真空气氛下这些高聚物所形成的碳氢化合物气体除部分迅速抽出真空系统外，一部分碳氢化合物气体发生热裂解，因在真空状态下氢气分压几乎为零，这十分有利于反应,（1）,向右进行，碳氢化合物发生大量分解，从而造成合金中出现游离石墨相。,CH,4,C+2H,2,（1）,.“一步热脱脂+烧结”工艺对YG6合金性能的影响,图.2,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”工艺 图.3,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”工艺,烧结工艺,bb,/Mpa,Hc,/KAm,-1,Com,/%,HV,/Mpa,孔隙度,密度,/gcm,-3,相对,密度,/%,常规工艺,1530,15.317.7,5.05.8,15301600,A02B00C00E00,14.8815.04,99.80,1,#,1500,17.1,6.4,1500,A06B06C08E00,14.66,98.32,2,#,1090,18.6,4.6,1680,A02B00C00E04,14.90,99.93,3,#,1910,17.7,5.5,1580,A02B00C00E00,14.90,99.93,表.经1,#,、2,#,和3,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”后的各项物理及力学性能的对比,图.经,2,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”后合金的金相显微组织结构（1350）,图5.经,3,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”后合金的金相组织结构（1350）,.,YG10,的显微结构与性能控制,.热脱脂气氛对合金显微组织结构和性能的影响,将溶剂脱脂率为,55%58%,的,YG10,溶剂脱脂坯分别采用4,#,“一步真空热脱脂+气压烧结”工艺和,5,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”工艺进行烧结，工艺流程分别如图,5.12,和图,5.13,所示,。,图.1 4,#,“一步真空热脱脂+气压烧结”图.1 5,#,“一步氢气热脱脂+气压烧结”,烧结工艺,试样类别,bb,/Mpa,Hc,/KAm,-1,Com,/%,HV,/Mpa,孔隙度,密度,/gcm,-3,相对密度,/%,常规工艺,1700,11.0,14.0,8.6,9.6,1250,1370,A02B00C00,14.45,14.60,99%,4,#,B,1360,10.1,9.9,1250,A04B00C04,14.24,97.7,5,#,B,2690,12.0,9.0,1320,A02B00C00,14.54,99.8,4,#,C,1510,10.6,9.7,1250,A04B00C04,14.38,98.7,5,#,C,2370,12.4,8.8,1330,A02B00C00,14.54,99.8,4,#,D,YG10,1600,10.4,9.8,1250,A04B00C04,14.32,98.3,5,#,D,YG10,2160,12.5,8.6,1320,A02B00C00,14.54,99.8,表.经4,#,和5,#,工艺后合金的物理及力学性能对比,注：试样B、C、D,YG10,是分别由溶剂脱脂坯B、C、D,YG10,经“一步热脱脂+烧结”工艺后得到的烧结态硬质合金试样，下同。,（a）试样B,（b）试样C,（c）试样D,YG10,图.经4,#,“一步真空热脱脂+气压烧结”工艺后试样B、C、D,YG10,的金相照片（1350）,当采用,5,#,工艺时，由于采用了氢气热脱脂，热脱脂过程中通入流动的氢气主要有以下,3,个作用：,流动的氢气不仅带走了大量由有机物裂解产生的碳氢化合物，使碳氢化合物气体的裂解量减小。,氢气的通入大大增大了,H,2,的分压，使得,（1）,式的反应向右进行十分困难，即使碳氢化合物在热脱脂过程中的热裂解量大大的减小，从而减轻了碳氢化合物裂解对合金产生的增碳作用,碳氢化合物分解得到的游离碳活性高，易于与氢气发生反应形成新的碳氢化合物而被氢气带走，在一定程度上减轻了碳氢化合物热解产生的热解碳对合金的增碳作用。,（a）试样B （b）试样C,（c）试样,D,YG1,0,图.经5,#,“一步真空热脱脂+气压烧结”工艺后试样B、C、D,YG10,的金相照片（1350）,3.4.2.2,烧结工艺对合金性能的影响,将溶剂脱脂率为,55%58%,的,YG10,溶剂脱脂坯经,6,#,“一步氢气热脱脂,+,真空烧结”（如图.,），,图.6,#,“一步氢气热脱脂+真空烧结”,烧结工艺,试样类别,bb,/Mpa,Hc,/KAm,-1,Com,/%,HV,/Mpa,孔隙度,密度,/gcm,-3,相对密度/%,常规工艺,1700,11.0,14.0,8.6,9.6,1250,1370,A02B00C00,14.45,14.60,99%,5,#,B,2690,12.0,9.0,1320,A02B00C00,14.54,99.8,6,#,B,1690,12.5,8.5,1320,A02B06C00,14.37,98.6,5,#,C,2370,12.4,8.8,1330,A02B00C00,14.54,99.8,6,#,C,930,12.7,8.3,1330,A02B06C00,14.38,98.7,5,#,D,YG10,2160,12.5,8.6,1320,A02B00C00,14.54,99.8,6,#,D,YG10,890,12.8,8.2,1320,A02B06C00,14.24,97.7,表.经5,#,和6,#,工艺后合金的物理及力学性能对比,（,a,）,试样B,（b）,试样C,（c）,试样D,YG10,图.经6,#,“一步真空热脱脂+真空烧结”工艺后试样B、C、D,YG10,的金相照片（1350）,图,.,烧结态试样D,YG10,的环状裂纹 图,.,注射坯D,YG10,的轻微夹心,（a）试样B的断口扫描相片,（b）试样C的断口扫描相片,（c）试样D,YG10,的断口扫描相片,图.经6,#,“一步真空热脱脂+真空烧结”工艺后试样B、C、D,YG10,的断口扫描相片（1350）,4,结论,（1）喂料的均匀性可以通过混炼时是否最终达到某一平衡扭矩来评估。喂料,、,D,YG10,、D,YG6,的混炼参数为：温度,130,、转数,50rpm,、时间,2h,；喂料,B、C,的最佳混炼参数为：温度,125,、转数,50rpm,、时间,2h,。,（2）注射过程中产生的缺陷主要有：孔洞、夹心、表面凹陷和表面流动波纹。通过调整注射工艺参数可以消除除夹心以外的其他注射缺陷，而夹心可以采用缩小模/料之间的温差和适当增大注射速度来减轻。,（3）在消除注射缺陷以及脱脂溶剂选择得当的前提下，可以通过控制溶剂脱脂时间和温度来达到预期的脱脂效果，脱除大部分的可溶性低熔点组元为后续的热脱脂打开表面开孔和内部连通孔道，从而缩短后续的热脱脂时间，提高热脱脂效率。溶剂脱脂温度过低过高都会导致脱脂缺陷的产生。对于注射坯,A、B、C、D,YG10,和,D,YG6,，当脱脂温度控制在,2638,间时，不会因溶剂脱脂而开裂。这五类注射坯最终的溶剂脱脂工艺均为：正庚烷，,30，10h,。,（4）制备,YG6,合金时，当溶剂脱脂率低于,41%,时，经“一步真空热脱脂,+,气压烧结”后，碳含量易偏高，此时力学性能较低。当采用降低热脱脂温度和缩短热脱脂保温时间的,3,#,“,一步氢气热脱脂,+,气压烧结”后，不但使得合金的力学和物理性能有大幅度的提高，尤其是抗弯强度达到并超过常规制品性能,380Mpa,，而且节约了能耗并提高了生产效率。,（5）制备,YG10,合金时，在溶剂脱脂率高于,55%,的情况下，通过采用“一步氢气热脱脂+气压烧结”可以有效解决“一步真空热脱脂+烧结”后合金控碳难和致密度低的问题，制备出的,YG10,硬质合金制品抗弯强度达,2690MPa,，比常规制品性能提高,990 MPa,，硬度、钴磁、矫顽力以及孔隙度均控制在正常范围之内。,谢谢大家！,