硬質(zhì)合金燒結是生產(chǎn)過程中最基本、最關鍵的工序，也是最后一道工序。燒結方法及裝備對產(chǎn)品有著巨大影響。傳統(tǒng)的燒結方法有氫氣燒結、真空燒結、熱等靜壓、真空后續(xù)熱等靜壓、燒結熱等靜壓等，隨后又出現(xiàn)了微波燒結，微波燒結成為了硬質(zhì)合金燒結新進展。現(xiàn)以這幾種硬質(zhì)合金燒結方法做一綜合介紹。
氫氣燒結
將壓坯裝在石墨舟中,再充填一定含碳量的氧化鋁填料或石墨顆粒填料,裝入連續(xù)推進式的鉬絲爐內(nèi),在氫氣保護下燒結。氫氣燒結能提供還原性氣氛，需要預燒結來清除壓制時添加的成形劑。氫氣燒結存在許多不足。鉬絲剛玉管爐的優(yōu)點是結構簡單、爐子功率小、爐管壽命長,但是爐溫控制不準、爐內(nèi)氣氛變化大、產(chǎn)品易滲碳、脫碳。另外,其燒結過程在正壓下進行,產(chǎn)品內(nèi)部的孔隙不能充分消除,留有殘余孔隙,氧化物雜質(zhì)不能較好地揮發(fā)排除。
真空燒結
真空燒結就是在負壓的氣體介質(zhì)中燒結壓制的過程。真空燒結與氫氣燒結相比,可提高爐氣純度,同時負壓改善了粘結相對硬質(zhì)相的潤濕性。真空燒結優(yōu)點:(1)更好地排除燒結體中Si、Mg、Ca等微量氧化物雜質(zhì),提高硬質(zhì)合金純度；(2)真空下氣相的滲碳、脫碳作用減少,保證最終合金的碳含量,控制合金的組織結構；(3)降低燒結溫度或保溫時間,防止碳化物晶粒不均勻長大；(4)燒結品殘留孔隙比氫氣燒結少,提高合金密度和機械性能；(5)燒結時產(chǎn)品不用填料隔開,操作簡單,產(chǎn)品表面無粘附物和白亮的金屬鋁沉積物。缺點是產(chǎn)品內(nèi)部有少量孔隙和缺陷。
熱等靜壓
真空燒結法制備硬質(zhì)合金,產(chǎn)品內(nèi)部有殘余孔隙,而熱等靜壓正好解決了這一問題。把粉末壓坯和裝入特制容器內(nèi)的粉末體(即粉末包套)置入熱等靜壓機高壓容器中,施以高溫及高壓,使粉末被壓制燒結成致密的零件或材料，其過程稱粉末熱等靜壓燒結工藝。粉末熱等靜壓的工藝原理，是粉末體(粉末壓坯或包套內(nèi)的粉末)在等靜壓高壓容器內(nèi)經(jīng)受高溫和高壓,強化了壓制與燒結過程,降低制品燒結溫度,改善制品的晶粒結構,消除材料內(nèi)部顆粒間的缺陷及孔隙,提高材料的致密度及強度。
真空后續(xù)熱等靜壓
硬質(zhì)合金制品經(jīng)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。為進一步提高硬質(zhì)合金密度和抗彎強度,可進行后續(xù)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。真空后續(xù)熱等靜壓工藝是產(chǎn)品經(jīng)傳統(tǒng)真空燒結后,進行熱等靜壓，將燒結好的產(chǎn)品或燒結到密度高于92%理論密度的產(chǎn)品,再在壓力為80～150MPa、惰性氣體為加壓介質(zhì)、溫度為1320～1400℃的熱等靜壓機中處理。這類方法生產(chǎn)的產(chǎn)品制品其形狀、硬質(zhì)合金種類不受限制,產(chǎn)品表面光潔度好,可降低或消除孔隙,成分和硬度分布均勻,提高抗彎強度。
這類技術缺陷:(1)雖熱等靜壓溫度比真空燒結溫度略低,但對產(chǎn)品是再一次燒結,在液相溫度或高于液相溫度下,碳化鎢通過液相重結晶而長大,引起合金內(nèi)部碳化鎢晶粒大小分布不均,粗大的碳化鎢晶粒有著斷裂源的作用,合金強度降低；(2)燒結時,使用的壓力高(100MPa以上),設備設計復雜,費用昂貴,維護難度大,操作復雜；(3)由于壓力高,易引起液相Co的運動和遷移,被擠壓到合金的空洞或孔隙內(nèi),形成“鈷池”,引起粘結相在合金內(nèi)分布不均勻；(4)熱等靜壓時,產(chǎn)品被擱置在石墨板或難熔金屬網(wǎng)格上,并與加壓氣體接觸,因而產(chǎn)品表層不可避免會和石墨及惰性氣體中的O2、N2、H2O、CO2、CO、CH4等氣體作用而發(fā)生成分和結構變化。
燒結熱等靜壓
燒結熱等靜壓又稱過壓燒結或低壓熱等靜壓工藝,是在低于常規(guī)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，它將產(chǎn)品的成型劑脫除、燒結和熱等靜壓合并在同一設備中進行,將工件裝入真空燒結等靜壓爐,在較低溫度下低壓載氣(如氫氣等)脫蠟后,在1350～1450℃進行真空燒結,接著在同一爐內(nèi)進行熱等靜壓,采用氬氣作為壓力介質(zhì),壓制壓力為6MPa左右,保溫一定時間進行冷卻。
微波燒結
微波燒結是利用在微波電磁場中材料的介質(zhì)損耗，使整體加熱至燒結溫度實現(xiàn)致密化的快速燒結。常規(guī)燒結依靠發(fā)熱體通過對流、傳導、輻射傳熱,材料受熱從外向內(nèi),燒結時間相對較長,晶粒較易長大。微波燒結是依靠材料本身吸收微波能轉(zhuǎn)化為材料內(nèi)部分子的動能和勢能,材料內(nèi)外同時加熱,材料內(nèi)部熱應力可減到最小,在微波電磁能作用下,材料內(nèi)部分子或離子的動能增加,使燒結活化降低,擴散系數(shù)提高,可以進行低溫快速燒結,使細粉來不及長大就被燒結。微波燒結是制備細晶材料的有效手段之一。
