硬质合金烧结变形及控制方法_万军新.pdf

41硬质合金烧结变形及控制方法万军新，刘诗彪（九江金鹭硬质合金有限公司，江西九江332000）【摘要】分析了硬质合金烧结过程的变形原因，并结合实际生产提出了相应的改善措施。分析认为：压坯密度不均匀，会导致产品收缩大小不一致；烧结炉碳气氛的不均匀性和温度的差异，会导致收缩不一致以及液相的迁移；填料、涂料、舟皿等接触材料的杂质含量偏高，会导致产品产生孔隙、渗碳、脱碳等组织缺陷，以及接触材料中的碳含量与产品不匹配，会导致碳梯度的产生；合理的舟皿结构设计，对于一些异型、薄壁产品，可有效约束重力或者其他因素对其烧结变形的影响。【关键词】硬质合金；烧结变形；碳势；收缩The Cause and Control Method of Sintering Deformation of Cemented CarbideWan Junxin,Liu Shibiao（Jiujiang Golden Egret Hard Material Co.,Ltd.,Jiujiang 332000,Jiangxi）【Abstract】The causes of deformation of cemented carbides in sintering process were analyzed,and the improvement measures were put forward according to the actual production.The analysis shows that the density inhomogeneity of pressing blank causes the size of the shrinkage inconsistent.The inhomogeneity of carbon-potential in sintering furnace and the difference of temperature will lead to inconsistent shrinkage and liquid phase migration.The impurity content of filler,coating,graphite boat and other contact materials is high,which will lead to pore,carburizing,decarburization and other microstructure defects of the sintered product,and the carbon content in the contact material does not match the sintered product,which will lead to caron gradient.The reasonable design of the graphite boat structure can reduce the influence of gravity or other factors in the sintering process on special-shaped and thin-walled sintered products.【Key words】cemented carbide;sintering deformation;caron gradient;shrinkage作者简介：万军新（1990.2），男，本科毕业于哈尔滨理工大学材料成型及控制工程，助理工程师。收稿日期：2022 年 10 月前言硬质合金采用的是粉末冶金生产技术，烧结是其中必不可少的工序，并对产品的使用性能和形状尺寸控制具有决定性作用，特别是对于产品形状复杂、材质性能要求较高的产品，其烧结变形的控制显得尤为重要。本文分别从压坯密度、烧结炉环境、接触材料、石墨板结构等方面对硬质合金烧结变形进行了分析，并阐述了对应的改善方法；从而通过合理的烧结控制，实现对硬质合金烧结变形的改善，对后续机械加工减少余量及降低加工难度，具有重要的经济价值。1 压坯密度及改善方法 由于压制方式以及产品结构的差异，导致压坯各个部位的密度存在差异。烧结收缩时，密度小的部位收缩大，密度大的地方收缩小，导致产品烧结后发生变形。如图 1 所示，对于圆柱形、圆环型产品，采用模压成型，如果后压偏大，烧结出来压制底部尺寸大；如果后压偏小，烧结出来压制底部尺寸小；如果后压调整合适，会出现细腰型，且压制高度越大，其趋势更明显。如果采用等静压成型方式，其变形锥度可以得到改善。从密度均匀性来说，等静压成型方式优于双向模压压制，双向模压压 2 0 2 3 年第 3 期 福 建 冶 金DOI:10.19574/ki.issn1672-7665.2023.03.00442制优于单向模压压制，压制方向存在壁厚不均时，也会造成密度差异较大。图2为台阶环产品，如果采用单冲头成型，其脱模锥及过渡 R 需要设计很大；如果采用双下冲压制成型，其产品烧结变形可得到有效改善。所以，可根据产品要求和形状选用不同的压制方式，以改善密度均匀性，减少产品烧结变形。此外，在布料方面，也会严重影响压坯的密度，特别是对于压制面积较大，厚度较小的薄片产品。对于自动推料（图 3），B 处布料会比 A 处多，导致 B 处的压坯密度大于 A 处，一般可通过振动料靴、减小料靴速度、吸入下料、减小料靴下料口大小的措施进行改善。2 烧结炉环境及改善方法烧结炉环境主要指炉内碳气氛均匀性和温度均匀性。根据 C-Co-W 垂直截面的相图1，以及 Hashiya M2、Frisk.k3等人的研究表明，碳含量的增加会降低硬质合金烧结的液相点。炉内碳气氛不均匀，在烧结升温时，高碳区的先出现液相，低碳区后出现液相，导致产品液相烧结时收缩不同步，高碳区先产生的液相向低碳区迁移，导致高碳区收缩大于低碳区；在烧结冷却时，高碳区后凝固，低碳区先凝固，导致产品冷凝过程的体积收缩不同步，后凝固的高碳区的液相向低碳区迁移，进而加剧了高碳区与低碳区的变形。Konyashin I.等4指出，碳浓度对液相钴的表面张力有影响，低碳有利于钴对 WC 的润湿性。液相烧结时，钴从高碳区流向低碳区，引起钴的迁移，产生钴梯度，导致高碳区的收缩大于低碳区。因此，烧结炉内碳气氛不均匀，影响产品各部位的碳不均匀，进而在液相烧结和冷却凝固过程中，收缩不同步，液相和钴向低碳区迁移，造成产品变形。烧结炉内温度不均匀，导致产品液相产生和凝固存在不同步。在升温过程，高温区先出现液相，低温区后出现液相，高温区先出现的液相往低温区迁移，导致高温区收缩大；在冷却过程，后凝固的高温区的液相朝低温区迁移，导致高温区收缩大，进而导致产品发生弯曲变形。烧结炉的碳气氛均匀性和炉温均匀性与炉子的结构、炉内件、控制方式、炉子清洁程度、烧结工艺等息息相关5,6,7。现市场上的硬质合金烧结炉在炉子结构、气密性、温度控制、炉内件的选择等方面都发展很快，能够满足硬质合金产品的要求，需要注意的是炉子使用过程的维护保养及烧结工艺等方面的运用。为了更好的监控炉内碳气氛和温度，可在炉内各个位置放置控制块，在产品烧结过程中，通过测量控制块的磁饱和和矫顽磁力来反馈各个炉子的碳气氛及温度均匀性，薛林7等人就通过此方法来检验修炉前后炉子碳气氛和温度均匀性的改善效果。控制块的磁饱和高反应该处的碳气氛较高，控制块的矫顽磁力高反应该处的温度较低，通过磁饱和和矫顽磁力数据分析，就可以知道炉子是否漏气、载气流转是否顺畅、加热元件和保温元件是否损伤，这样不但可以实时监控炉子的健康状况，而且可以协助找到炉子的问题，更好的修复炉子。3 接触材料接触材料有涂料、填料、舟皿等直接与产品接触的材料，其对产品的变形机理与碳不均匀是相同的。产品底面直接与涂料接触，而其他位置与炉内气氛接触，烧结时产品与周边发生碳扩散，如果涂料里的活性炭与炉内气氛的活性炭浓度不一致，就会导致产品碳扩散不均衡，形成碳梯度，造成产品发生变形。刘方舟8等人研究表明涂料的碳氧比及杂质含量对产品图 1 后压对产品变形的影响图 2 台阶环的单下冲和双下冲设计结构图 3 自动推料示意图硬质合金烧结变形及控制方法43烧结变形有显著影响。如果产品直接埋在填料中，填料中的杂质及活性炭同样会影响产品的碳梯度，造成产品变形9。舟皿主要体现在其内部的S、P、Ca、Mg 等杂质元素对产品的影响，这些杂质元素在烧结过程中挥发出来与炉内气氛及产品发生反应，造成产品形成碳梯度，发生变形，甚至造成产品发生脱碳、渗碳、孔隙等缺陷。硬质合金的烧结要严格控制接触材料的质量，舟皿、填料、涂料要严格控制杂质含量，新购买的必须经过 1500以上温度的煅烧，去除杂质元素。对于不同 Co 含量的产品需要用到不同的涂料，Co 含量越高，涂料中的碳含量越低，对于钴含量达到 20%以上的冷镦模产品，一般采用采用刚玉砂填料隔绝产品与石墨板。4 舟皿结构产品在液相烧结过程中，由于重力的影响，对于一些非规则产品造成变形。因此这类产品一般都需要采用特殊的舟皿来约束产品变形。如球形产品采用仿球形舟皿，阶梯棒材采用阶梯槽板或者悬挂烧结。金璇10通过将薄壁圆环放置在圆弧凹槽内，并在内孔放置圆柱内衬石墨，有效改善了薄壁圆环的烧结变形。朱烨11将烧结舟皿设计成 V 型槽，把棒材、长条等产品置于V型槽中烧结，可改善其烧结的弯曲变形。另外，为了改善产品受碳气氛和温度梯度的影响，在石墨舟皿上会做些特殊的设计。卜硕12通过在与产品接触的石墨板上开多个齿，减少产品与石墨板的接触面积，降低了产品上下表面的碳梯度和收缩阻力，使烧结面积比较大的圆片、方片的变形得到改善。5 结论本文就硬质合金烧结过程的变形进行了分析，总结出来的主要原因和改善方式如下：（1）压坯密度不均匀，导致产品收缩大小不一致，进而产生烧结变形。可通过压制方式、模具结构、布料均匀性等方面进行改善压坯密度均匀性。（2）烧结炉的环境，主要表现为碳气氛的不均匀性和温度的差异，导致收缩不一致以及液相的迁移，进而产生烧结变形。可通过在炉子各个部位放置控制块，监控各个部位的碳气氛均匀性和温度均匀性，及时发现炉子的异常，进而进行分析和整改。（3）接触材料，包括填料、涂料、舟皿，一方面是接触材料的杂质含量要低，要求原材料杂质含量低，新购买的还需要进行煅烧处理；另一方面，接触材料中的碳要与产品进行匹配，钴含量越高，接触材料中的碳含量越低。（4）舟皿结构，对于一些异型、薄壁产品，需要采用仿形的舟皿，约束重力或者其他因素对其烧结变形的影响。参考文献：1 聂 洪 波,喻 志 阳,陈 德 勇.碳 对WC-Co 硬质合金烧结与性能的影响 J.中国钨业,2020(12):30-38.2HashiyaM,KuboY,GierlC,etal.Theinfluenceofcarboncontentandadditionsofgrowthinhibitors(V,Cr)ontheformationofmeltinWC-CoandWC-NialloysC.Proceedingofthe17thPlanseeSeminar,Reutte:Austria,2009:1-17.3FriskK,MarkstrMA.EffectofCrandVonphaseequilibriainCo-WCbasedhardmetalsJ.InternationalJournalofMaterialsResearch,2008,99(3):287-293.4KonyashinI,ZaitsevAA,SidorenkoD,etal.WettabilityoftungstencarbidebyliquidbindersinWC-Cocementedcarbides:IsitcompleteforallcarboncontentsJ.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials,2017,62:134-148.5 段立文,段炼.硬质合金烧结炉炉温 均 匀 性 差 异 原 因 J.设 备 管 理 与 维 修,2019(23):81-826阳金焜,杨发伟.硬质合金低压烧结产品变形的原因及处理方法 J.稀有金属与硬质合金,2013,41(6):55-57.7薛林,谭千榆,颜娟.氢气脱蜡烧结硬质合金性能稳定方法探讨 J.稀有金属与硬质合金,2017,45(3):59-64.8 刘方舟,曹万里,吴翔,等.涂料对硬质合金烧结变形的影响 J.稀有金属与硬质合金,2015,43(1):68-72.9 洪程,李学芳.硬质合金氢气烧结的变形机理及其控制 J.硬质合金,2000,17(3):156-16010 金璇.一种防止硬质合金薄壁圆环产品烧结变形的工艺:CN111250713AP.2020.11 朱 烨.一 种 硬 质 合 金 烧 结 舟皿:CN203091742UP.2013.12 卜硕.硬质合金烧结用防变形石墨舟皿和硬质合金压坯安放结构:CN206561116UP,2017.硬质合金烧结变形及控制方法