粉末冶金有几种工艺粉末冶金原理与工艺试卷原

发布日期:2020-07-02 17:04

  硬质合金基础知识_化学_自然科学_专业资料。硬质合金分类及用途 一、什么是硬质合金?它有什么特点? 1、定义:硬质合金是用粉末冶金方法生产的、由难熔 金属化合物(硬质相)和粘接金属(粘接相)所构成的组合 材料。 2、特点: ① 硬度高、耐

  硬质合金分类及用途 一、什么是硬质合金?它有什么特点? 1、定义:硬质合金是用粉末冶金方法生产的、由难熔 金属化合物(硬质相)和粘接金属(粘接相)所构成的组合 材料。 2、特点: ① 硬度高、耐磨性高; ② 抗压强度高(可达6000MPa); ③ 稳定性好; ④ 脆性较大。 3、优点:与工具钢比较,硬质合金的优点是: ① 大大提高工具寿命,几倍到几十倍; ② 提高了切削速度和劳动效率; ③ 提高了工件的精度和光洁度。 2020/6/17 二、硬质合金和混凝土的比较 1、成分 2、工艺流程:混料 压制 烧结 3、组织结构 2020/6/17 2020/6/17 二、硬质合金的成分、结构与性能 成分:硬质合金的主要成分有WC、Co和TiC,次要成分有 TiN、Ni、Mo、TaC、NbC、VC、Cr3C2等。其中WC (包括TiC在内)占80%以上,Co占20%以下。其余成分 比例很小。 结构:钨钴合金的正常结构为WC相和Co相的两相组织。前 者也称为硬质相或α相,后者为粘接相或β相。钨钛钴合 金的正常结构有两种,一种是(Ti、W)C+Co两相组织, 一种是(Ti、W)+WC+Co三相组织。 性能:硬质合金的主要性能指标有密度、抗弯强度、硬度、 矫顽磁力、钴磁等等。密度是硬质合金质量最基本的指标, 它是其他各项性能的基础。硬度与抗弯强度是硬质合金两 项主要机械性能指标,ag8集团!直接影响合金的使用效果。这三项 性能就基本决定了硬质合金的综合品质,是产品出厂的考 核指标,也是用户最关注的指标,合理选用硬质合金的重 要依据。 2020/6/17 三、刀具材料中常用的几种物质的作用: WC—耐磨相,刀具材料的主成分; Co—韧性相,随着Co含量的增加,合金的强韧性增加而硬度降 低; TiC—硬质相,随着TiC含量的增加,合金的抗月牙洼磨损能力 增强,但合金的强韧性降低,合金的脆性增大; TaC、NbC—硬质相,能明显提高合金的高温性能和耐磨性,加 有TaC、NbC的合金通用性好; CrC、VC—抑制剂,抑制WC晶粒的长大。 2020/6/17 四、硬质合金分类 1. 根据成分不同,可将硬质合金分为5大类。 ① 碳化钨基硬质合金:包括WC-Co、WC-TiC-Co、WC- TaC-Co、WC-TiC-TaC(NbC)-Co等。 这些合金均以 WC为主成分。 ② 碳化钛基或碳氮化钛基硬质合金:通常以TiC或Ti(C、 N)为基本成分,以Ni-Mo作粘结剂而组成的一种硬质 合金。 如TiC-Mo-Ni、TiC-WC-TaC(NbC)-Mo-Ni、 Ti(C、N)-Mo-Co-Ni等。 ③ 涂层硬质合金:在合金表面上沉积一层TiC、TiN、 TiB2、ZrN、CrN、AI2O3、TiCN、B4C、SiC、BN、 TiAIN、金刚石等物质,使工具的使用性能成倍提高。 2020/6/17 ④ 钢结硬质合金:主要成分是钢,而以TiC或WC作硬质 相组成的一类硬质合金。其显著特点是可热处理与机 加工,是界于工具钢和硬质合金之间的一类中间合金。 ⑤ 其他硬质合金:如Cr3C2基硬质合金,以Cr3C2为主成 分,以Ni或Ni-W等作粘结剂所组成的硬质合金,通常 用作耐磨耐腐蚀零件。 此外还有两类重要的刀具材料,一类是陶瓷材料, 包括氧化铝系(白陶)、氮化硅系和赛隆陶瓷 (Si3N4/Al2O3)。另一类是超硬材料,聚晶金刚石 (PCD)和聚晶立方氮化硼PCBN。 2020/6/17 2、按用途分类 硬质合金具有一系列优良性能,用途十分广泛,随着时间推移 用途还在不断扩大,主要用途分述如下: 切削工具:硬质合金可用作各种各样的切削工具。我国切削 工具的硬质合金用量约占整个硬质合金产量的三分之一(约 3000吨左右),其中用于焊接刀具的占78%左右,用于可转位刀 具的占22%左右。而数控刀具用硬质合金仅占可转位刀具用硬 质合金的20%左右,此外还有整体硬质合金钻头,整体硬质合 金小园锯片,硬质合金微钻等切削工具。 地质矿山工具:地质矿山工具同样是硬质合金的一大用途。 我国地矿用硬质合金约占硬质合金生产总量的25%,主要用 于冲击凿岩用钎头,地质勘探用钻头、矿山油田用潜孔钻、 牙轮钻以及截煤机截齿、建材工业冲击钻等。 2020/6/17 模具:用作各类模具的硬质合金约占硬质合金生产总量的 8%,有拉丝模、冷镦模、冷挤压模、热挤压模、热锻模、 成形冲模以及拉拔管芯棒,如长芯棒、球状蕊棒、浮动蕊 棒等,近十几年轧制线材用各类硬质合金轧辊用量增速很 快,我国轧辊用硬质合金已占硬质合金生产总量的3%。 结构零件:硬质合金用来作结构零件的制品很多,如旋转 密封环、压缩机活塞、车床夹头、磨床心轴、轴承轴颈等。 耐磨零件:用硬质合金制成的耐磨零件有喷嘴、导轨、柱 塞、球、轮胎防滑钉、铲雪机板等举不胜举。 耐高压高温用腔体:最重要的用途就是生产合成金刚石用 的顶锤、压缸等制品,顶锤、压缸用硬质合金已占我国硬 质合金生产总量的9%。 其他用途:硬质合金用途越来越广,近几年已在民用领域 不断扩展,如表链、表壳、高级箱包的拉链头、硬质合金 商标等。 2020/6/17 五、被加工材料分类及工具材料选择 P类:钢、钢铸件。如普通碳素结构钢(代码如Q235-A.F)、优质碳素结构 钢(如45钢、50锰、20G等)、碳素工具钢(如T7、T7A、T8、T8A、T13、 T13A等),切削牌号一般选择W—Co —Ti类合金,如YT5、YT14、YT15、 YT15R、YT05、YT30、YC101、YC201、YC301、YC45等; M类:奥氏体/铁素体/马氏体不锈钢(如1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni、1Cr17Mo、 0Cr13Al、3Cr13、7Cr17、1Cr18Ni11Si4AlTi、0Cr26Ni5Mo2)、铸钢、锰 钢(40Mn18Cr3、50Mn18Cr4等)、合金钢(含有Ni、Si、Co、Al、Cr、 W、Mo、V、Ti、Nb等合金元素的碳素钢)、合金铸铁、可锻铸铁、易切 钢(Y12、Y15、Y30、Y40Mn等),切削牌号选择W—Co—Ti—Ta(Nb) 类合金,如YW1、YW2、YW3、YS8、YS25、YM101、YM201、YM301、 YC201等; K类:普通铸铁、难加工铸铁(冷硬铸铁、高铬铸铁、高硅铸铁)、粉末冶金原理教材短屑可 锻铸铁,一般选用W—Co类合金,如YG3X、YG3、YG6X、YG6、YG6A、 YG8、YG8N、YD101、YD201、YD301等; 2020/6/17 N类:有色金属和无机材料(铝、镁、铜、黄铜、塑料等),一般选用 W—Co类合金和金属陶瓷,W—Co类合金多采用细晶和超细晶合金, YG6X、YF06、YM201、YD201等; S类:耐热优质合金即高温合金(Fe基、Fe—Ni基、Ni基、粉末冶金有几种工艺Co基、Ti基合金, 如GH1015、GH2036、GH3128、GH4033、K211、K406、K640、TA2、 TA8、TB1、TB2、TC1~TC6等),除Ti基高温合金外,一般可选用W— Co—Ti—Ta(Nb)类或W—Co类合金,如YS8、YM201、YM301、YG6X、 YG8、YW2、YW3、YD201等;而Ti基高温合金应选用不含Ti的W—Co类 合金,如YG8、YG6X、YG8N、YG6A,理想情况是采用超细晶合金牌号。 H类:淬硬材料(GCr15淬火钢、Cr12、T12A等),传统牌号宜选用YM101、 YM201、YS8、YG8N、YNG151等,最好是用立方氮化硼刀片。 2020/6/17 六、牌号选用原则 对不同的被加工材料选择了各类别的合金后,还要根据 加工参数来选择牌号,一般来说,精加工考虑工件的表面质 量,即表面精度,加工时切削速度快,吃刀深度小,走刀量 小,振动小,冲击小,要求合金耐磨性好,硬度高,强度韧 性次之,就应选择晶粒细、钛含量高、钴含量低的合金;半 精加工耐磨性和强韧性适中,选用中颗粒碳化钨、Ti含量中 等、Co含量中等的合金;粗加工吃刀深度大,走刀量大, 切削速度慢,振动大,冲击大,就强调刀片的抗冲击性能要 好,耐磨性次之,应选用粗颗粒碳化钨、Ti含量低、Co含量 高的合金。 2020/6/17 对W—Co—Ti类合金,YT5、YT14、YT15、YT30、YT05等, 牌号中的数字表示Ti的大致含量。YT5,Ti含量为5%;YT14, Ti含量11.3;YT15,Ti含量12.7;YT30,Ti含量22.5。W—Co 类合金,YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG6A、YG8、YG8N等, 数字表示Co含量,YG3,Co是3%,其余类推,X表示细颗粒, A表示加了TaC,N表示加了NbC。对W—Co—Ti—Ta(Nb) 类合金,YW1、YW2、YW3、YS25、YS8等,这些牌号没有规 律可循,只能靠记忆。 新的命名法则是根据牌号的加工范围来命名的,所以,牌号 的选择相对简单,如P类加工,用YC10、YC101、YC201、 YC301、YC35、YC45等,字母Y表示硬质合金,C表示长切屑, 数字表示加工范围,一般以前面两位数字表示,“10”表示精 加工,“20”表示半精加工,“30”表示粗加工,“35”“45” 重载粗加工。M类加工,用YM101、YM201、YM301命名,K类 加工,用YD101、YD201、YD301命名,其字母和数字表示的意 义同P类牌号的命名。 2020/6/17 牌号是根据切削要求来设计的,不同的被加工材料, 其切削加工性不一样,碳素钢,塑性、韧性较好,切屑 不易折断,切屑从前刀面排出,对前刀面产生强烈的月 牙洼磨损,因此,钢材的切削,要选择抗月牙洼磨损的 硬质合金,TiC、TaC(NbC)具有很好的抗月牙洼磨损 作用,所以切削钢材的牌号都含有TiC,TaC(NbC)由 于成本增加较多,切削碳素钢,一般不选用含TaC(NbC) 的牌号。TaC(NbC)不仅抗月牙洼磨损,还能改善合金 的抗热冲击性能,由此含TaC(NbC)的合金高温性能好,粉末冶金原理课程题答案 加工M类合金,由于加工硬化严重,粉末冶金原理与工艺试卷切削抗力大,切削 温度高,就应选择含TaC(NbC)的合金;铸铁等脆性材 料,切屑呈崩碎或粉末状,对前刀面磨损不大,主要是 后刀面磨损,脆性材料的加工特点是切削力和切削热集 中在切削刃附近,使刀具刃口负荷很重,容易产生磨损 和崩刃,一般选用钨钴类合金,因为含有TiC的合金比较 脆,所以,W—Co类合金比W—Co—Ti类合金强韧性要好。 2020/6/17 七、SANDVIK生产工艺发展历程 1976年以前,Sandvik硬质合金生产与我们老系 统的生产工艺差不多,直到1976年,喷雾干燥工艺在 混合料制备中的应用及DMK240脱胶-烧结一体炉的研 制成功,使Sandvik硬质合金毛坯生产发生了重大变革, 下面列出Sandvik变革前后的工艺控制模式: 2020/6/17 项目 变革前 变革后 1、混合料制备 湿磨机和经典的干 可倾式湿蘑机和 ①设备 燥、制粒设备 喷雾干燥 ②工艺控制 WC总碳、粒度(Fsss) WC总碳、粒度(Fsss) 球磨实验 Bctot、HCP ③成型挤 石蜡 PEG 2、压制 压制工序主要强调对毛刺的控制,他们通过10年的努力,使压制毛刺从45um降 到25um。 3、烧结 设备和工艺 两阶段烧结 一阶段脱胶烧结 ① 脱蜡:三种脱蜡工艺—H2、N2、 线脱胶,脱胶过程采用 反复进行的抽空→充 N2的 ②线烧结 Torvac过程接着线 从上述Sandvik的生产工艺过程控制知道,该公司质量控 制主要在“四度”:控碳精度、晶粒度、尺寸精度及孔隙 度。工艺方法注重“三性”:稳定性、实用性和可靠性。 工艺管理讲究科学和严谨。 公司刀片生产基本流程 刀片生产走的是Sandvik生产工艺路线,基本流程是: 原料标准制定→球磨试验→配料计算→湿磨→喷雾干燥→ 混合料鉴定 →压制→烧结→研磨钝化→清洗→涂层→包装 2020/6/17 八、常用的成型剂类型 成型剂是硬质合金制造过程中最重要、研究最多的 工艺材料。由于成型方法多、成型剂原理不同,要求 不同,种类也很多。挤压成型剂、注射成型剂、粉浆 浇注成型剂等文献资料报导不少,但主要是关于原理 和特性方面的陈述,真实的成份和组份几乎没有公开 的。模压成型剂相对简单一些,成熟一些,公开的程 度也大一些。目前最常用的模压成型剂大致分为三大 类,即橡胶、石蜡和聚乙二醇。 橡胶的优点是成型压力低,压坯强度高,可以用 于复杂制品成型。缺点是杂质含量高,易于老化,不 适合喷雾干燥,不宜于真空脱除,通常残留碳量高达 (0.2—.3)%。目前只有中国、俄罗斯等用于生产中 低档产品和形状复杂产品。丁钠橡胶、丁苯橡胶、顺 丁橡胶是目前橡胶成型剂中应用比较多的。 2020/6/17 石蜡的优点是既适于喷雾干燥,也适于一般混 合器掺蜡制粒。石蜡纯度高,易于脱除,残留碳非 常低(0.1%以下),粒料不易老化。缺点是混合料 松装密度小,压缩比大,压制压力大,压坯强度低, 复杂形状产品难成型,混合料的压制性能受温度影 响较大。 聚乙二醇的优点是溶于酒精和水,特别适合于喷 雾干燥。它纯度高,易脱除,残留碳与石蜡相当, 且成型性能好,压坯强度也高。其缺点是有吸水性, 对环境的温度和湿度要求高。 2020/6/17 九、硬质合金生产工艺流程 WC粉 Co粉 固熔体粉 成型剂 酒 湿磨 精 喷雾干燥 压制 烧结 成品 2020/6/17 第二章 混合料制备 混合料制备是硬质合金生产的第一道工序,也是最重要的 生产工序之一;混合料质量的好坏直接关系到硬质合金产品的 内部材质与外观质量。 一、概念 混合料制备是将各种难熔金属的碳化物和粘结金属及少量的抑制 剂等粉末通过配料计算、球磨、干燥等工序过程制备成有准确成 份、配料组分均匀分布、粒度一定的粒状混合物的生产工艺过程。 混合料制备中通常使用的有各类难熔金属碳化物、粘结金属与 少量抑制晶粒长粗的添加剂。 辅助工艺材料包括成型剂聚乙二醇与石腊,湿磨介质酒精。 2020/6/17 二、混合料两种生产工艺对比 在传统混合料生产工艺中一般选用橡胶作成型剂;人们习 惯称之为橡胶工艺。混合料的生产分为两步:第一步是用酒 精作介质,采用180立升滚筒式球磨机磨料;再用通蒸汽的振 动干燥器生产不含成型剂的粉末混合料。然后在混合料中加 入橡胶—汽油溶液经螺旋搅拌皿搅拌混合均匀后,经蒸汽干 燥柜进行干燥,最后擦碎—过筛、制粒,变成可供压制的混 合料。 传统的混合料生产工艺因为其生产工艺流程较长,人为影 响因素较多,生产过程不易控制,因而生产的混合料质量较 差,是一种逐步被淘汰的生产方法。 2020/6/17 现代混合料生产工艺是一种生产工艺流程短、生产设备与 生产工艺相互配套的科学合理的生产工艺。 现代混合料生产工艺流程: 配料计算→配料→湿磨→喷雾干燥→混合料鉴定 现代混合料生产工艺的特点: 生产工艺流程短;生产工艺技术与生产设备合理配套; 主要的生产过程均在密闭的系统中进行;各个工艺参数都 能进行准确的测控是现代混合料生产的主要特征。生产出 来的混合料质量稳定、可靠,适合于生产高精度的数控刀 片压坯的原料。 2020/6/17 三、 配料与湿磨 1、 湿磨的作用: 湿磨主要作用是将配制成固定成份的粉末原料通过该工艺 过程使其具备有一定颗粒度,各组元均匀分布的混合料 浆,湿磨过程对混合料所起的作用表现在下述四个方面。 混合作用:混合料通常是由多种组份组成;而且各组分自 身的密度、粒度也不尽相同;但要制得优质的硬质合金 产品使用的原料——混合料各组份必须均匀分布。通常 是通过湿磨方法来实现。 2020/6/17 破碎作用:混合料生产中所使用的原料粒度规格不相同。特 别是其中的主要原料——WC存在不少的团粒结构。同时粒 度的大小也不相同。这不利于生产高质量的合金,湿磨就 能起到物料的破碎与粒度均化之作用。 ·增氧作用:混合料在湿磨过程中与研磨体、球磨筒体相互之 间激烈的碰撞与磨擦作用较易发生氧化作用。此外,湿磨 过程中酒精中存在的水也间接的强化了这种增氧趋势。 防止湿磨过程的增氧作用方法有两个:一是冷却;二是选择 恰当的生产工艺。 湿磨过程的增氧不管采用什么防止措施增氧总是发生的, 只不过是程度有所差别而已。300立升可倾斜式球磨机在正 常运行状态下单位小时的增氧量导至碳损失约为 0.003%(wt%)。 2020/6/17 活化作用:球磨过程中由于球体、物料与筒体之间存在激 烈的撞碰与磨擦,极易使粉末的晶格发生扭曲、畸变;粉 末体内能增加;这种现象在强化球磨与搅拌球磨过程表现 得尤为明显。球磨过程中出现的活化现象有两种不同的看 法:传统的观点认为它对烧结的收缩、致密化过程有利, 称之为“活化烧结”;但在引进技术中认为这种“活化现 象”对合金生产不利,它极易引起“夹粗”现象的发生, 因而一般均不主张采用强化球磨与超时球磨的工艺方法生 产混合料。 2020/6/17 2. 球磨筒转速 球磨过程使组元分布均匀和组元粒度细化,是通过研磨体 之间相对碰撞和摩擦来实现的,选择适当的筒体转速可 将研磨体碰撞与摩擦控制在最佳状态,此时的研磨效果 也是最好的。 传统的球磨理论认为:筒体在运动过程中将研磨体带到一 定的高度后,研磨体自由滚动落下产生滚动研磨;筒体 转速太高,研磨体附在筒体内壁上处于相对“静止”状 态,此时研磨体之间的碰撞与磨擦作用都较弱,研磨效 果不好;而筒体转速太低时,研磨体与筒壁处在相对滑 动的状态,研磨体之间相对碰撞作用大为削弱,研磨效 果主要体现在研磨体与混合料之间的摩擦作用,其效果 相对也很低。如何介定球磨筒的转速,一般都采用临界 转速这一概念。 2020/6/17 临界转速是使研磨体在球磨筒转动时,紧贴筒壁旋转的 最低速度,可由下面公式计算确定: η临界=42.4/ 式中D——球磨筒直径(米)。假设D=0.5m时,则临界 转速计算得60转/分钟;通常在球磨机转速的设定中取 其临界转速的75%左右为宜;采用转速为临界转速的 75%左右,则球被带到较高的位置往下落,这种研磨主 要靠冲击作用而发生,称之为冲击研磨,这种研磨速度 不适宜于硬质合金粉末原料的研磨,合金粉末本身粒度 较小,材质硬而碎,不需有多大的动静即可将物料磨碎, 因而在湿磨工艺中通常采用临界转速的60%左右的转速 作为筒体的实际转速。180立升球磨机与300L可倾斜式 球磨机均采用0.6左右的临界转速为实际球磨机转速,约 为36转/分的转速;而600L可倾斜式球磨机则采用33转/ 分的筒体转速。 2020/6/17 3. 研磨体形状、规格、与装机总量影响 300L可倾斜式球磨机一改传统球状硬质合金研磨体为圆柱状硬质合 金研磨体,这一改变对混合料研磨过程起到良性变化。从理论上来 讲,球与球相互碰撞接触为一个“点”;柱体之间相互接触则为一 条“线”;作为研磨刃口而言,“点”与“线”是有相当区别的; 首先“线”是由若干“点”集合而成;就研磨效率而言,柱状体研 磨体明显高于球状研磨体;同时,柱状研磨体研磨刃口为一条线, 在研磨过程中,有若干粉末个体被研磨,但最先研磨到的必然是那 些粒度粗的个体,这样一来粗颗粒物料被研磨的机率大大高于细颗 粒物料;这明显有利于研磨效率的提高和粒度的均匀细化。反过来 用球型研磨体,研磨刃口为一“点”,与前者比较起来,点研磨刃 口少得多;因而研磨效率相应的要低得多;此外球与球相接触,接 触点处的粉末“粗”与“细”是随机选择。碰到什么就研磨什么, 而不像柱与柱接触处,粒度粗的物料优先研磨。图三与图四分别表 示两种不同形状的研磨体间接触示意图。 2020/6/17 图三 球状研磨体接触示意图 图四 柱状研磨体接触示意图 2020/6/17 300L球磨机装球量为1200公斤/台;球/料比按装料量来进 行调节;研磨体由五种不同的规格所组成;300L球磨机所 使用的研磨体规格与实际装量见表4.2。 表4.2 300L/600L球磨棒工艺指令 研磨体规格 标准装量百分数与重量数 装球百分数 (%) 300L(kg) 600L(kg) A φ5.5×14.4 15.5% 186kg 372 kg B φ7.3×15.6 16.0% 192kg 384 kg C φ8.5×16.3 32.5% 390kg 780 kg D φ9.5×16.7 33.0% 396kg 792 kg E φ10.5×17.00 3.0% 36kg 72 kg 100% 1200kg 2400 kg 2020/6/17 研磨体的补充按配料指令与混合料一起进行。补充的研 磨体采用E类、φ10×17.0mm标准新研磨体;补充前新 球一定要按指令进行球磨。 表4.3 新球磨体研磨工艺指令 球磨设备 研磨体装量 (kg) 酒精加量(L) 球磨时间 300L球磨机 1500 50 15 研磨体在使用一段时间内,按指令半年规定进行称量 与选球。 研磨体的补充:定期称量与筛选所有这一切都是确保 球磨机在长期运行中研磨效率的稳定性,这也是确保混 合料与合金的粒度的稳定关键之一。 2020/6/17 4. 酒精加量 混合料在球磨过程中,湿磨介质的加量如何选择使球磨 效率达到最佳水准同时又确保相关工艺能顺利进行,这 是一个相当重要的工艺问题。 传统生产工艺主要按混合料使用的WC原料粗、中、细等 不同规格,结合混合料钴金属含量的高低,分段进行相 应的规定,无严格的标准指令,酒精加入时无精确记量 设备。 现代硬质合金生产则以每公斤混合料加多少酒精为标准; 它是以混合料的比表面积或松装密度的大小来确定的; 一般是细颗粒合金、高钴合金标准取值大;而粗晶粒合 金、低钴合金标准取值小。现有合金牌号酒精加量标准 在0.18~0.47L/公斤混合料范围内波动。 值得特别指出的是酒精标准加量值不能随便变更,否则 会使料浆的粘度不合格,严重影响后续工序喷雾干燥工 艺过程的顺利进行,最终影响到混合料的物理——力学 性能。 2020/6/17 5. 球磨时间及球磨时间因子 混合料在球磨过程中混合的均匀性和粒度的细化均与球磨时间密切相关; 球磨时间越长混合越均匀,粉末的粒度也越细,但这仅仅是在某一时 段区域内需遵循这一规律;无限延长球磨时间对合金性能将产生负面 影响。 300L球磨机如果仅仅是要求混合料各组元分布均匀,湿磨12小时即可; 而要使合金的晶粒度达到某一取值范围则必须制定出相应的科学合理 的球磨工艺制度;现代硬质合金生产技术引入了“HCP”这一概念,它 是目前为止最为准确衡量“WC”粒度的物理量,为硬质合金生产中粒 度控制提供了先决条件。对某一具体合金牌号而言,其混合料球磨时 间单有WC原料和HCP值还是不够的,还必须要有一个混合料球磨单 位时间(小时),合金矫顽磁力的增加值这物理量,这就是“球磨时 间子”,不同合金牌号球磨时间因子是不同的;300L球磨机正常工艺 条件下生产混合料其球磨时间因子取值范围在0.05~0.2KA/m之间, 球磨时间因子是一个试验数据,采用的球磨机、球磨工艺参数不同, 所得到的球磨因子也不同。球磨时间因子在混合料球磨时间的确定、 新牌号合金的开发、球磨时间取样与返回料处理中运用广泛。 2020/6/17 6.湿磨机清理 湿磨机清理一般可分为简单清理与复杂清理两种方式。 简单清理:湿磨机卸料后,如果接下来装料为相同合金 牌号的混合料(包括141牌号)即采用简单清理程序对球 磨机进行清理即可。也就是采用球磨用酒精进行4L×6 次清理。这一简易的清理在湿磨卸料过程已经完成。也 就是说,接下来如果是球磨相同牌号的混合料,球磨机 可以不进行单独的清理过程而直接装料。 复杂清理:球磨机卸料后,如果需球磨其它牌号的混合 料则需进行复杂清理程序。程序内容包括:50立升水球 磨3~5分钟;重复清洗三次;6立升酒精,清洗一次。 注:粗颗粒牌号转换为球磨超细混合料,清理过程应该 给以特别关注。 2020/6/17 7 、喷雾干燥 混合料料浆干燥的目的是将湿磨料浆中液体介质与混合 料分离并回收其介质,使干燥后的混合料达到一定的物 理——力学性能标准,符合后续工序——压制成型对混 合料的性能要求。混合料的干燥方式很多,一般根据生 产工艺需要,生产规模与设备投资情况来定。但国内较 为广泛采用的仍为蒸汽加热的振动干燥器,而规模较大、 生产高精产品的厂家逐步在采用现代化的喷雾干燥。 喷雾干燥的最大特点是在封闭的循环系统中用氮气进行 保护下的干燥。喷雾干燥制得的粒状混合料性能稳定; 流动性极好;特别适宜于高精度数控刀片压制毛坯的生 产。此外,湿磨介质——酒精有一个独立的回收系统, 回收酒精质量好、回收率高。 2020/6/17 8、 混合料质量检查与质量评价 干燥好的混合料在投入下道工序生产之前,必须对混合 料的质量作出检查与评价,这一过程通常称之为混合料 鉴定。 传统硬质合金生产中混合料鉴定称之为“一公斤鉴定”, 具体包括化学分析与试探性检验两个部分;化学分析通 常对混合料各主要组成进行分析,而试探性检验是将不 含成型剂的混合料约1kg加入橡胶——汽油溶液制成含成 型 剂 的 混 合 料 , 压 制 成 5×5×30 毫 米 的 长 条 与 A115/K040B烧结成抗弯强度与组织结构分析试样。长条 进行强度检查,而刀片与钎片分别进行断口检查、物理 力学性能检查,组织结构及金相检查等。 2020/6/17 现代硬质合金生产中混合料鉴定同样是由两部分组成; 物理力学性能检查与PS21长条性能检查,它既含介了传 统“一公斤混合料鉴定”内容,又为压制成型工序提供 必要的混合料物理力学性能,从而确保了压坯几何尺寸 与外观精度;这种鉴定方式与传统方法相比较显得更科 学、更合理。 2020/6/17 混合料生产中总碳控制 日本学者林木素等认为,合金两相区的碳含量上、下限为: 碳含量上限=6.13%-0.058×Co(重量)% 碳含量下限=6.13%-0.079×Co(重量)% 而国内学者一般认为两相区碳含量上限与WC中的理论碳 含量6.128%吻合;而碳含量的下限与Co量有关; 碳含量下限=6.125%-0.0737×Co(重量)% 根据上述公式粗略的计算,通常生产的YG8的合金,其碳 含量允许波动范围约为0.177%与0.299%,碳的控制范 围相对还是较宽的。 传统硬质合金生产中总碳的调控一般采用控制原料WC总 碳与所使用的成型剂添加量。这种控制方式较粗糙,不 可控因素很多。因而生产的合金渗/脱碳现象经常发生。 2020/6/17 9、 混合料鉴定 混合料物理——力学性能检查:检查项目包括流动性、 松装密度、粒度分布以及物料外观形貌检查。 混合料PS21检查:检查项目包括C1、C2值测量,抗弯 强度、硬度、密度、钴磁与矫顽磁力等;金相组织结构 包括孔隙度、宏观孔隙以及渗/脱碳等项目。 1. 混合料物理——力学性能检查也可以认为是喷雾干燥 法生产混合料的现场质控的一种方式。采用随机取样、 对混合料的霍尔流量、松装密度、粒度分布及混合料形 貌进行测量与观察;判定喷雾干燥系统是否正常,混合 料质量是否达到其标准;当系统不正常,或者混合料性 能不合格时应该及时调整干燥工艺参数。 2020/6/17 对混合料物理——力学性能检查另一种方式是实验室检查, 检查评定的结果是后续工序参数确定之依据,混合料取 样规则,每桶100kg/桶取样一份约100g,做下列检查。 霍尔流量测定:用25cm3混合料通过霍尔流量计,记录 所用的时间;含成型剂的粒状混合料霍尔流量标准为 32~45秒/25cm3混合料。 2020/6/17 松 装 密 度 测 定 : 采 用 霍 尔 流 量 的 混 合 料 25cm3 即 可 用 来测量松装密度,25cm3混合料称重后除以体积数即为 松装密度,其标准范围约为合金烧结密度的0.25~0.21; 桶与桶之间波动不得超过1.5%。 粒度分布测定:采用标准筛网进行测定,要求 φ0.06~φ25mm(相当于250目~60目之间)粒度的粉末 占85%以上;而粒度小于250目以上的习惯称之粉末的物 料百分量小于15%。此外还可用30倍放大镜在50mm距离 内对置于玻璃板上的物料进行观察,用以判定混合料料 粒外观形貌(主要指粒子圆度;“半边”及“实心”粒 子等)。 2020/6/17 PS21长条制作 混合料鉴定中为了检测混合料材质性能必须将被测混合 料制成一定规格的合金成品,才能进行各项性能的检测; 目前国际通用的检测产品规格为 (5.25+0.25)×(6.5+0.25)×(20+1.0)的合金长条。 按操作卡片每批混合料压制10根,作好标记,测量好相 关数据;(其中压制压力是一重要数据,一般在 40~140MPa/mm2)。 按操作指令烧结成合金成品。 将PS21长条经喷砂处理,测量好相应数据并作好数据记 录。 2020/6/17 PS21性能检测: C1与C2值的测定; C1值是指合金烧结过程中重量损失百分数(%),这种 损失主要是指成型剂的挥发和氧化物的还原等造成的失 重。一般取值在1.5~2.5%之间。 C2值是指产品高度与宽度之间收缩比差异,主要取决于 合金的牌号与混合料的批次等,该值有正、负值之分: C1= ×100 式中:mp表示压制块重量(g) ms表示烧结块重量(g) C1值用于压制毛坯压制单重的计算 2020/6/17 C2=( )×100% 式中:bp表示压制品宽度尺寸(mm) bs表示烧结品宽度尺寸(mm) hp表示压制品高度尺寸(mm) hs表示烧结品高度尺寸(mm) C2值用于压制毛坯高度计算。 物理力学性能检查:检查的范围包括密度、磁力、钴磁、 抗变强度;这些检查均在6~8根PS21长条试样上进行。 金相组织及结构检查:检查的范围包括孔隙度,宏观孔 隙(缺陷),晶粒状态,渗碳/脱碳,夹细/夹粗/混料及 其它缺陷。 2020/6/17 4.6.2混合料生产中粒度控制 硬质合金合金生产中粒度控制一般是指合金在生产中对 碳化钨晶粒度的控制。合金的晶粒度直接影响合金的耐 磨性、韧性(包括断裂韧性、冲击韧性、抗弯强度与抗 压强度等),它与合金的碳含量一样是影响合金综合性 能的关键因素。 合金的晶粒度它包含两层意思:一是指合金的平均晶粒 度;二是指合金的粒度分布,是否存在通常称之为的夹 粗/夹细,晶粒分布是否均匀等。影响合金晶粒度的主要 因素:原始WC粒度、球磨时间与烧结工艺等三个。下 面仅就前两个进行论述,至于烧结工艺影响后面有专门 章节论述。 2020/6/17 传统硬质合金生产中矫顽磁力并没有纳入合金产品性能 考核的质量指标,只是作为合金组织结构、合金粒度的 参考指标;而在现代硬质合金生产技术中,矫顽磁力是 硬质合金粒度的关键指标。 矫顽磁力(Hc) 硬质合金生产中通常采用钴金属作粘结金属,钴是铁磁 性物质。硬质合金的矫顽磁力由钴的平均自由程[即钴层 厚度]所决定。而钴层厚度又由合金的钴含量和碳化钨晶 粒的大小所决定;在钴含量相同的情况下,碳化钨晶粒 的大小决定了矫顽磁力(Hc)值。因而,硬质合金碳化 钨晶粒度大小通常可用合金的矫顽磁力Hc值来评价。 2020/6/17 Wc-Co合金Hc值与碳化钨晶粒度尺寸可用下面的关系式表述: 143 Hc=2.5+ d wc·com 式中 Hc……合金矫顽磁力(KA/m) Com……合金的磁饱和值(%) d wc ……合金WC平均晶粒度(μm) 2020/6/17 当合金出现非磁性的η1相时,合金中磁性钴的相对数 量减少,钴层相应减薄;因而矫顽磁力比正常组织结构 的为高;从公式中可以看出,合金的粒度随合金的碳含 量降低(即Com降低)碳化钨的晶粒相应变细;矫顽磁 力相应增大。当合金处在状态图缺碳一侧时,这种趋势 更明显。 当合金组织结构中出现石墨相时,即合金中碳处于饱和 状态,Com值等于合金的钴含量。合金在烧结过程中出 现液相的温度偏低,液相数量偏多;使WC长大的机率 与趋势增加;合金的粒度变粗,矫顽磁力变小。在这一 关系式利用矫顽磁力来判定合金的晶粒度;因为Hc与 Com一样是可以直接测量出的;既直观又快捷。 2020/6/17 从以上的关系式中,合金的晶粒度不仅与Hc有关,同 时还与Com值密切相关;也就是该合金的粒度与合金的 碳量密切相关。 硬质合金粒度控制 硬质合金生产中粒度控制起主要作用的是对生产所使用 原料(WC)粒度的控制。即采用粗颗粒WC原料,生产 出来的合金为粗晶粒合金,反之用细颗粒WC原粒,生 产出来的合金为细颗粒合金。当然从理论上来说,采用 特殊的方法与工艺手段不排除用一种规格的原料 (WC),生产粒度规格不同的产品,但生产工艺不是 很科学合理;产品质量与产品制造成本等也无法形成批 量生产。 2020/6/17 原始WC的粒度测量的方法比较多,如天秤沉降法、甲 醇吸附法、金相显微法、Fsss等。但由于碳化钨粉末几 乎都是颗粒聚合体;而上述方法大多数是测量粉末的表 面积,再换算成平均晶粒尺寸。由于粉末多数为颗粒的 聚集体,所以计算出粉末表面积是一种假像,并不反映 出粉末的真实表面积。因而,计算出来的平均晶粒度尺 寸也不准确,使用费氏粒度相同的原料也很难生产出晶 粒度相同、性能一致的合金。因为用上面介绍的粒度测 量方法不能反映出被测物质的真实粒度,现代硬质合金 生产中采用了一种称之为球磨试验法来检测碳化钨的粒 度,具体试验过程前面已经做过详细论述。球磨试验后 的粒度用HCP值表示,是经过校正调整的矫顽磁力作为 原始WC的粒度衡量值。 2020/6/17 硬质合金生产中当生产工艺技术、生产主体工艺设备确 定之后,影响合金晶粒度的主要因素是原始WC的粒度。 此外球磨时间的长短,在生产超细晶粒合金中抑制剂加 量的多少也是影响合金粒度不可忽略的原因。至于烧结 温度与烧结气氛对合金晶粒的影响,后面相关部分将详 细论述。 混合料生产过程对于某一合金牌号而言生产工艺参数都 是固定的,特别是原料HCP、Bc-tot 及湿磨工艺参数均 固定不变。但根据需要球磨时间是唯一可调控的因素。 混合料生产中选用某一粒度标准(HCP)的原料WC, 虽 然 HCP 取 值 是 合 格 的 , 但 HCP 有 一 波 动 范 围 。 例 如 Fsss为6mm的WC,HCP值范围在6.8~8.0KA/m,如何生 产出粒度符合标准的合金;也就是该采用合格的wc原料, 但粗、细(HCP)不同的原料要生产出晶粒度相同的合 金来,这就靠调整球磨时间的长短来实现。 2020/6/17 此外,可供粒度调整的另一物理因素,即球磨时间因子, 根据某一合金牌号的球磨时间因子延长或者缩短球磨时 间实现合金晶粒度基本一致。这种方法对新牌号的研制、 对合金粒度或HCP值确定尤为有利。 粒度的控制主要讲的是对平均晶粒度的控制,很少涉及 到合金内部晶粒度细微情况的研究。随着硬质合金生产 技术的飞速发展,细晶粒或超细晶粒的硬质合金产品大 量供用市场,微钻/微钻铣刀具就是最典型的代表。细晶 粒或超细晶粒合金在生产过程中,因为“细”或“超细” 物体固有的特征,拥有极高的表面能,极易引起合金相 结构中的夹粗/夹细现象产生。如何防止夹粗/夹细现象 产生,使粒度进一步细化,涉及到微观的粒度控制。目 前通常采用的办法的添加少量抑制剂的方法。 2020/6/17 最化常物用。的抑抑制制的剂效有果VCV、c 为Cr最3C2好、,Ta其C、次N是bCC等r3C难2熔、金Ta属C 、碳 NbC…… 抑制剂的加量一般控制在0.5~0.8%(重量)之间为宜 抑制剂何时加入时间 粗颗粒合金的粒度如果控制,目前尚无统一意见。高温 还原与高温碳化,或者加入碱金属与碱土金属(习惯称 之为渗杂)来制备粗颗粒原料WC粉;而对混合料生产 而言,如何生产出平均晶粒度大(粗),结晶状态完整 的可供生产优质辊环与冲模用合金的混合料。目前可选 择的方式极少,只能是确保组元混合均匀的前提下尽量 缩短其球磨时间,烧结过程采用较高的烧结温度,较长 的保温时间也是生产较粗晶粒合金的手段之一。 2020/6/17 混合料生产其它方面的质量控制 混合料本身的物理力学性能的好坏直接影响到合金的几 何尺寸、单重以及外观质量;因此有必要对混合料的物 理力学性能进行有效的控制。主要控制混合料的流动性、 松装密度与压制压力。此外对混合料的表面情况需用30 倍显微镜观察在50mm直线个以上的破 碎粒子和空心粒子;表面光滑、粒子圆度好,同时在生 产 现 场 可 进 行 粒 度 分 析 要 求 φ0.06~φ0.25mm[ 相 当 于 60~250目筛网]的粒子占85%以上,也就是说混合料中粉 末部分要少于15%,混合料平均粒度约为120μm。为了 确保生产的混合料达到上述物理——力学性能的指标, 除严格喷雾干燥的工艺参数与操作标准进行生产外,特 别要注意影响混合料物理性能的因素。它们是料浆状态、 喷嘴状态及雾化压力等。 2020/6/17 料浆状态包括料浆粘度、表面张力、料浆成份、料浆中 气体含量、料浆温度等等。料浆粘度大,喷雾的粒子粗、 不均匀、易破碎;料浆含成型剂少、温度高、湿磨时间 短、喷雾干燥后的料粒易破碎、成粒性差。粉末多,料 浆中含有较多的气体,则易产生空心粒子。料浆表面张 力大,粒子圆而且光滑。 喷嘴是喷雾干燥的心脏,对物料性能影响最大的是孔板 与旋转轮。喷孔大,旋转轮厚,雾化角小,喷量大,喷 雾的粒子粗而不均匀;相反喷孔小,旋转轮薄,雾化角 大,喷量小;喷雾得到的粒子细而且均匀。因此在确保 产量质量的同时,又要保其产量的稳定;喷孔与旋转轮 的组合的选择十分重要,一般喷雾角控制在45°~60° 之间。喷孔(喷嘴硬型合金材质)的圆度、光洁度等好 坏都对混合料物理性能产生影响,孔径控制在 φ1.0~φ1.1mm之间。 2020/6/17 雾化压力是由料浆隔膜泵提供的,是料浆雾化的动力源。 喷雾压力越大,料浆雾化越好,料粒细而且均匀;喷雾 压力一般控制在1.0~1.2MPa之间为宜。如果料浆粘度小, 喷雾压力也可适当减小。 混合料鉴定时压制压力一般需保持在40~140MPa/mm2。 超过这一取值范围,混合料的压制压力这一项就判定为 不合格,一般是压制压力偏高者居多。造成压制压力偏 高的原因较多,其中主要有球磨时间过长、混合料含湿 量太低(太干)与料粒太硬等三个。产生混合料压制压 力偏高,都是因混合料生产中工艺参数制定不合理或者 生产工艺过程失控造成的;混合度存储环境差也容量产 生混合料压制压力偏高。 2020/6/17