不同粒度WC粉对WC6%Co0.4( Cr3C2TaC)硬质合金组织和性能的影响毕业论文

1、（2013 届）届） 本科毕业论文资料本科毕业论文资料 题题 目目 名名 称：称： 不同粒度不同粒度 wc 粉对粉对 wc-6%co-0.4( cr3c2/ tac)硬质合金组织和性能的影响硬质合金组织和性能的影响 学学 院（部）：院（部）： 冶冶 金金 工工 程程 学学 院院 专专 业：业： 金属材料工程金属材料工程 学学 生生 姓姓 名：名： 陈亮陈亮 班班 级：级： 金属材料金属材料 092 学号：学号： 09495100303 指导教师姓名：指导教师姓名： 胡金娥胡金娥 职称： 职称： 副教授副教授 最终评定成绩：最终评定成绩： 湖南工业大学教务处湖南工业大学教务处 2013 届届 本

2、科毕业论文资料本科毕业论文资料 第一部分第一部分 毕业论文毕业论文 （2013 届）届） 本科毕业论文本科毕业论文 题题 目目 名名 称：称： 不同粒度不同粒度 wc 粉对粉对 wc-6%co-0.4( cr3c2/ tac)硬质合金组织和性能的影响硬质合金组织和性能的影响 学学 院（部）：院（部）： 冶冶 金金 工工 程程 学学 院院 专专 业：业： 金属材料工程金属材料工程 学学 生生 姓姓 名：名： 陈亮陈亮 班班 级：级： 金属材料金属材料 092 学号：学号： 09495100303 指导教师姓名：指导教师姓名： 胡金娥胡金娥 职称： 职称： 副教授副教授 最终评定成绩：最终评定成绩

3、： 2013 年 5 月 湖南工业大学湖南工业大学 本科毕业论文本科毕业论文 诚信声明诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文，题目不同粒度 wc 粉对 wc6%co0.4（cr3c2/tac）硬质合金组织和性能的影响是本人在指 导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。对本文的研究作出重要 贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。除此之外，本论文 （设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本 人完全意识到本声明应承担的责任。 作者签名： 日期： 2013 年 5 月 摘 要 采用粒度分别为 5m、3m、1m 的三种粗、中、细 wc 粉并添加少量晶粒长大 抑制剂 cr3c

4、2/tac，通过同样的的混料、压制、烧结等基本粉末冶金工艺制得三组 wc-6%co-0.4（cr3c2/tac）硬质合金试样，每组各三个试样。首先采用扫描电镜或 金相显微镜观察三组试样的金相组织，然后用三点弯曲实验测定硬质合金试样的抗弯 强度，再测试试样硬度，最后测量硬质合金试样的矫顽磁力。通过三点弯曲实验和金 相分析实验，找到了 wc 晶粒度及其均匀性对 wc-co 硬质合金抗弯强度的影响规律。 实验结果表明，一般情况下，对于 yg6 硬质合金，抗弯强度随 wc 平均晶粒度增大 而减小，粒度分布越均匀，抗弯强度越大；同时硬度和矫顽磁力也随晶粒度的减小而 增大。 关键词：yg6 硬质合金；抗弯

5、强度；平均晶粒度；矫顽磁力 abstract using particle size is 5m, 3 m, respectively 1 m three kinds of coarse, medium and fine wc powder and add a small amount of grain growth inhibitor cr3c2 / tac, through the same mixing, pressing and sintering of powder metallurgy technology made three group of wc-6%co-0.4(cr3c2

6、/tac) carbide sample, each set of three specimens. first three groups of specimens were observed by scanning electron microscopy (sem) and metallographic microscope, metallographic organization, then hard alloy specimen is measured by three point bending experiment of bending strength, and hardness

7、test specimen, the measuring carbide samples of coercive force. by three point bending experiment and metallographic analysis, find the wc grain size and the uniformity of wc - co in cemented carbide bending strength of the influence law. experimental results show that, in general, for yg6 cemented

8、carbide, the bending strength decrease with increasing average wc grain size, particle size distribution more uniform, the greater the bending strength; also on hardness and coercive force increases with the decreasing of grain size. key words：yg6 cemented carbide；ending strength；verage grain degree

9、s；coercive intensity 目 录 第 1 章 绪 论1 1.1 前言1 1.2 课题的目的和意义1 1.3 发展状况与前景2 1.4wc 粉末粒度表示及分析方法2 1.5 硬质合金硬度3 1.6 抗弯强度3 1.7 矫顽磁力 3 第 2 章 实验过程及方法4 2.1 实验原料 4 2.2 实验设备 5 2.3 试样的制备过程 5 2.3.1 湿磨6 2.3.2 干燥7 2.3.3 过筛9 2.3.4 掺胶8 2.3.5 压制9 2.3.6 烧结10 2.4 试样性能检测 13 2.4.1 抗弯强度测定13 2.4.2 金相组织的观察15 2.4.3 矫顽磁力测定15 2.4.4

10、 硬度的测定16 第 3 章 实验结果与分析17 3.1 抗弯强度17 3.1.1 影响硬质合金抗弯强度的因素17 3.1.2 wc 粒度对抗弯强度的影响18 3.2 矫顽磁力 19 3.2.1 影响硬质合金矫顽磁力的因素19 3.2.2 wc 粒度对矫顽磁力的影响20 3.3 硬度 21 3.3.1 影响硬质合金硬度的因素21 3.3.2wc 粒度对硬度的影响21 结 论22 参考文献23 致 谢25 第 1 章 绪 论 1.1 前言 硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（wc、tic、cr3c2)为基体，以铁族金属 钴（co） 、镍（ni） 、铁（fe）为粘结剂，用粉末冶金方法制造的在真空炉

11、或氢气还 原炉中烧结而成的一种多相组合材料1。硬质合金作为一种高效工具材料，自问世迄 今 70 多年间已取得了惊人的成就，由小规模生产发展成完整的工业体系。 硬质合金因为具有高弹性模量、高硬度、高耐磨性、良好的红硬性和耐酸、耐碱、 抗氧化性以及低线膨胀系数等特性，使得它在当今的工具材料、耐腐蚀材料方面显示 出极大的优势。因为它的耐磨性和极高的硬度，使得材料在 500乃至 1000的温度 下也可以维持其性能不变。硬质合金的用途非常广泛，一般用于刀具材料等。 1.2 课题的目的和意义 硬质合金的硬度随硬化相含量升高、晶粒变细而增大，粘结金属含量越大硬质合 金的韧性越好，抗弯强度越大。本课题主要是研

12、究 wc 粒度对 wc-6%co- 0.4(cr3c2/tac)硬质合金的组织和性能（抗弯强度、硬度、矫顽力）的影响。 硬质合金可以根据 wc 平均晶粒度分为：超粗晶粒硬质合金，粗晶粒硬质合金， 中晶粒硬质合金，细晶粒硬质合金，超细晶粒硬质合金；亚微米晶粒硬质合金，纳米 晶粒硬质合金。 超细晶粒硬质合金抗弯强度的增强，其磨粒磨损性能和硬度的提高，是其得到快 速发展的主要原因。一般的超细晶粒合金都有高红硬性、高硬度、高耐磨性、高强度 等性能，通常在高负荷和疲劳性能要求不高时使用。亚微米晶粒合金特别适合用于适 当使用温度下的高应力磨损，而又要求锐利、刚性好的工具。 和细晶粒合金相比，粗晶粒合金具有

13、更好的强度和断裂韧性，适合于在较高工作 温度条件下使用。因此，制备矿用合金的趋势是增大 wc 晶粒度，降低合金的 co 含 量，这样就可以获得好的断裂韧性和强度，以及高温性能。 研究表明，在相同 co 含量条件下，提高 wc 的晶粒度，可提高合金的硬度、矫 顽力和断裂韧性同时也会降低抗弯强度。低 co 粗晶粒硬质合金同时具有高的导热率、 低的膨胀系数和较好的断裂韧性，因而能满足一些特殊的使用要求。同时合金高的热 导率、低的热膨胀系数、好的高温磨损性能、高的横向断裂强度和高的断裂韧性性能 有利于改善合金表面微观剥落与微观断裂，以及高温磨粒磨损等失效形式。通过研究 可以充分了解不同粒度 wc 对硬

14、质合金性能的影响，从而采用合适的 wc 粒度制造 出满足客户要求的各种不同性能的产品。 1.3 发展状况与前景 随着电子、宇航、现代军工尖端技术的进步,加工难度越来越大,精度要求越来越 高,促使硬质合金向着超细粒度、高纯度、高精度、高性能方向发展4。正是现代科 研成果开发出的高新技术与设备在硬质合金生产上的应用,才使得涂层、超细等“双 高”性能的优质合金得以问世并投产。 硬质合金是脆性材料，其硬度和强度之间存在着矛盾：硬度高则强度低，而强度 高则硬度低。突破这一技术瓶颈，一直是人们努力的方向。研究表明，除组分本身的 特性之外，硬质合金的微观结构，对其硬度和韧性起到决定性的作用。 国外新型硬质合

15、金向超粗、特粗晶粒方向发展。它们相对于以往的中、粗颗粒硬 质合金来说，在含有相同量的 co 时，可以达到很高的断裂韧性与红硬性，并且体现 出较好的抗热冲击性和抗热疲劳性能。而一般软岩的连续开采都是在极端的工作条件 下进行的，因此它们起到了相当大的作用。除此之外，对于要求较高的冲压模和轧辊， 它们也是不错之选，超粗和特粗硬质合金具有非常好的前景。 1.4 wc 粉末粒度表示及分析方法 所谓粒度就是以 mm 或 m 表示的颗粒的大小，简称粒径。通常球体颗粒的粒度 用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒 有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。分散体系和粉末

16、中颗粒的粒度和 比表面（单位体积或单位质量分散相所具有的表面积）决定着分散体系和粉末的性质， 因此粒度的测量在材料科学的研究中是一种最基本的测量。由于组成粉末的无数颗粒 一般粒径不同，故又用具有不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量表示粉末的粒度组 成，又称粒度分布1。因此严格讲，粒度仅指单颗粒而言，而粒度组成则指整个粉末 体，但是通常说的粉末粒度包含有粉末的平均粒径的意义，也就是粉末的某种统计性 平均粒径。 粉末粒度组成的表示比较麻烦，应用也不太方便，许多情况下只需要知道粉末的 平均粒度就行了。由符合统计规律的粒度组成计算的平均粒径称为统计平均粒径，是 表征整个粉末体的一种粒度参数。 对于粒度的

17、测试方法应根据粉末粒度范围、颗粒的形态材质以及测试的目的等不 同要求而确定。目前，粉末粒度的测试方法主要有以下几种测试方法： 筛分法； 显微镜法（sem 或 tem） ； 离心沉降法； 激光散射法； 1.5 硬质合金硬度 金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施 加是缓慢而无冲击的。压痕投影面积、压痕的深度或压痕凹印面积的大小会反应硬度 的大小。布氏、韦氏、洛氏、努氏、巴氏、维氏的测试方法是静态试验测试法。应用 非常多的是布、洛、维这三种，在检测金属硬度时一般都采用这三种。在产品检测时 我们习惯用并且用的最多是洛氏硬度。此外，肖氏和里氏硬度属于动态试验法，这是 因

18、为在试验过程中，我们所施加的力是动态和冲击性的。对于大型和不方便移动产品 的，我们通常用动态测试方法。这里对于 yg6 试样硬度测试采用洛氏硬度测试方法。 1.6 抗弯强度 硬度高、耐磨性好是硬质合金的主要特点，这些优点使得它被广泛用于冶金、矿 山的开采、纺织、化工领域。但是材料脆性较大是硬质合金的主要缺陷，这就要求我 们充分认识它的抗弯强度等性能。目前我们并没有在报刊发表有关硬质合金抗弯强度 分散性研究的报道，但是我们了解到，材料的强度分散性会随脆性的增大而增大。在 材料中的碳化物以及粘结相的种类和含量、热处理工艺、烧结工艺、组织缺陷会影响 材料的抗弯强度。研究发现，材料表面状态和应力发布也

19、会对硬质合金的抗弯强度造 成影响。 1.7 矫顽磁力 硬质合金中含有铁磁性物质钴，因而使硬质合金具有铁磁性材料的特性。用磁场 将硬质合金试样磁化，去掉外加磁场后，合金中仍保留一定的剩磁，必须加一个方向 相反的磁场，此磁场强度称为矫顽磁力。 影响硬质合金矫顽磁力的因素有碳化钨晶粒度、碳平衡、钴含量、研磨时间9。 在晶粒度一定时，矫顽磁力随粘结相钴含量的增加而下降；当合金中的钴含量一定时， 钴相的分散程度是影响矫顽磁力的主要因素，主要通过合金中的碳含量和碳化钨晶粒 度起作用。当合金中钴相含钨量减少，并且碳含量增加时，矫顽磁力也会随之降低。 在合金中出现含碳量不足的情况时，非磁性的脱碳相会生成 ,

20、减少了磁性钴的含量, 并且使钴相的分散程度变大, 细化了碳化钨晶粒尺寸,从而矫顽磁力也随之增大。矫 顽磁力也会随合金中钴相的分散度增大和碳化钨晶粒尺寸的变细而增大。最后，如果 适当的提高烧结温度，可以使合金矫顽磁力降低。 第 2 章 实验过程及方法 2.1 实验原料 为了研究三种不同粒度 wc 对 yg6 硬质合金组织和性能的影响。通过混料、压 制、烧结等基本的粉末冶金工序，得到硬质合金试样，磨制金相试样，进行显微组织 分析，测定其抗弯强度、硬度和矫顽力。为了便于分析和提高试验的准确度，对每种 晶粒大小的 wc 硬质合金产品分别做三个相同的试样，分为 3 组，分别为牌号为 yg6x（序号为 1

21、、2、3） 、yg6（序号为 4、5、6） 、yg6c（序号为 7、8、9）的三 组 9 个试样。 实验所用的主要原料是 wc、co 粉，其粉末的技术条件如表 2.1、2.2 所示，其 次还有无水酒精、cr3c2/tac 晶粒长大抑制剂、成型剂（石蜡），有时还可以有 ck 料、炭黑、油酸（起分散作用）等。 (1)混合料配比 钴粉：6% wc 粉：93.6% cr3c2/tac：0.4% 计算公式为： （2.1） 100 d xy dwcdco 试中： d合金的理论密度，克/厘米 3 dwc碳化钨的密度（取 15.6） ，克/厘米 3 dco钴的密度（取 8.9） 。克/厘米 3 x 碳化钨的含

22、量，； y 钴的含量，。 由上式可以求得硬质合金 yg6 的理论密度为 15.0 g/cm3 模具尺寸为：6.1mm 6.1mm42.4mm 所以单重 mg 其中压制 9 个 0.61 0.61 42.4 15.023.67 单重 mg ，所需 wcg，co=12.7g23.67 9213213 93.6%199.4 表 2.1 wc 粉末的技术条件2 组号总碳游离碳casifefsss，m 15.920.060.050.010.010.06 0.91.1 25.920.060.050.010.010.06 2.93.1 35.920.060.050.010.010.06 4.95.1 表 2

23、.2 co 粉末的技术条件2 co，%ni，%o，%c，%fe，% 松装密度 g/cm3 fsss，m 991.00.450.10.350.70.8.0.7 表 2.3 cr3c2粉末的技术条件 总碳游离碳nisifefsss，m 6.750.050.10.150.040.083.55.5 (2)配料原则为 所使用的原辅助材料必须满足技术条件的要求，按合金成分配料。 按合金组织晶粒度要求选择原料粒度。一般根据的原则为 wc 原始晶粒度与 烧结后合金晶粒度相等。 碳氧平衡 如果 wc 的总碳不能满足配料要求，可采取在湿磨的混合料中加入炭黑或钨粉。 加钨粉应按下列规则进行：钴含量大于 10%，加钨

24、粉量不大于 1.2%，钨粉越细越 好，粒度小于 11.2m。 (3)添加剂的主要作用6 可以使碳化物晶粒的长大得到抑制，降低合金性能对烧结温度和时间的敏感性； 降低碳含量变化对合金性能影响的敏感性； 改变合金相成分和钴相成分，改善合金性能； 可以提高合金的耐热性和抗月牙注磨损的能力。 (4)成型剂（石蜡）主要作用 将难熔金属硬质化合物（碳化钨、碳化钽等） 、粘结金属（钴粉或镍粉）及少 量添加剂（硬脂酸或依索敏） ，经过配料，在己烷研磨介质中进行混合和研磨，添加 石蜡的料浆，再经真空干燥（或喷雾干燥） 、过筛、制粒、制成掺蜡混合料； 掺蜡混合料经鉴定合格，经过精密压制，制成高精度压坯； 压坯经真

25、空脱蜡烧结或低压烧结，制成硬质合金。 2.2 实验设备 实验中主要设备和仪器有行星球磨机 ，yh41-25c 液压机 ，脱蜡烧结气氛控制 一体炉，93i 型矫顽磁力，洛氏硬度计，抛光机 ，8vms-2000 型金相图象分析系 统 。 2.3 试样制备过程 准备实验所需样品原料，工艺流程如下： 一定量的 wc、co 粉+酒精湿磨干燥过筛掺胶压制成型烧结性能 测试 2.3.1 湿磨 湿磨的目的是将碳化物研磨至所需粒度,并与钴粉在一定范围内实现充分均匀混 合,并具有较好的压制和烧结性能。将按一定比例配好的由钴粉、wc 粉、晶粒长大 抑制剂 cr3c2/tac 等物料加入湿磨机进行球磨。在湿磨过程中,

26、只有破坏并分散颗粒 团聚,确保物料被充分破碎和分散,才能保证粉末组元之间的有效混合,为喷雾干燥制 粒提供高质量的混合物料。目前,主要有滚动球磨和搅拌球磨这两种湿磨方式。此实 验我们采用滚动球磨。 其中影响湿磨程的基本因素有： 磨筒转速 球体的运动状态是随筒体的转速而变的。实践证明1时，球体=0.700.75nn 工临界 发生抛落；时，球体滚动；时，球体以滑动为主。球的不同=0.6nn 工临界 0.6nn 工临界 运动状态对物料的粉碎作用是不同的。因而，在实践中采用使球体产生滚=0.6nn 工临界 动来研磨较细物料；如果物料较粗、性脆，需要冲击时，可采用的=0.700.75nn 工临界 转速。

27、球磨机的临界转速一般用下式表示1： （2.2）42.4/nd 临界 式中:-磨筒的临界转速，r/min;n临界 -球磨筒内径，m。d 球磨过程中,球磨机的转速必须小于临界转速,才能使研磨球不紧贴着筒壁转动 而与筒壁产生相对运动。 装球量 在一定的范围内增加装球量可以提高研磨效率。在转速固定时，装球量过少，球 在倾斜面上主要是滑动，使研磨效率降低；但当装球量过多时，会使球层之间相互造 成较大干扰，从而使球的正常循环遭到破坏，降低研磨效率。我们通常根据随球磨筒 的容积来确定装球量的多少，装填系数是装球体积与球磨筒体积的比值，一般球磨机 的系数为 0.40.5，当转速增大时，其值可相应有所增加。 装

28、填系数 （2.3） b 装球体积/ 球磨筒体积 球的大小 通常筒中的球体大小会影响物料的粉碎程度。当采用的球直径太大或装球量不足 时，会减少磨削面积和撞击次数，降低球磨效率；当采用的球体质量太轻，并且球的 直径过小，则会使球对物料的冲击力变小1。 一般是大小不同的球的配合使用，球的直径一般按一定的范围选择: （2.4）(1/181/24)dd 式中： -球磨筒内径。d 因为材料的硬度会随物料的原始粒度的增大而增大，因此通常选大一点的球。在 一般情况下用 510mm 的硬质合金球研磨硬质合金混合料，选用 1020mm 大小的 钢球来研磨铁粉。研磨 wc-co 混合料时用 510mm 的球,多数情

29、况用 1218mm 的 球来研磨 wc-tic-co。这里选用 1218mm 的球来进行研磨。 球料比 球与料的比例是研磨过程中应该十分注意的。当料的量太少时，会增加球体之间 的碰撞几率，造成磨损增大；如果装料太多，会减少磨削面积，要得到同样细的粉料 则会增加研磨时间，消耗更大的能量。 此外，不能把料与球装得太满，否则会降低球磨效率。通常是使球间的空隙填满 并且使球体表面稍微掩盖住为原则，生产中一般采用 3:1 或 4:1 的球料比。 研磨介质 湿磨介质必须具有很高的纯度,与混合料不发生任何化学作用,沸点低,一般于 100%左右能挥发除去,且要求其表面张力小,不结团,无毒,无副作用,操作安全。

30、通常 采用的湿磨介质为酒精、丙酮、己烷。采用酒精时，一般固液比为 1:3。具体采用何 种湿磨介质,可根据生产厂家具体情况来选择。 研磨时间 在各组元达到均匀混合以前,它们混合的均匀程度和碳化物颗粒的粉碎程度都随 湿磨时间的延长而提高,合金的各项性能亦随之改善。但切削试验表明,较长的湿磨时 间对 yg6 合金性能并无多大的好处。在一定的工艺条件下,过分延长湿磨时间则磨碎 效率随之降低,碳化钨晶粒在烧结过程不均匀长大的倾向随之增大,因而使合金性能变 坏。如果需要制取晶粒很细的合金,则必须采用粒度较细的原始碳化钨,或者添加其它 碳化物。 根据上面的影响因素并且按实验要求设定湿磨时间、湿磨机转速等参数

31、分别如表 2.2 所示。 表 2.2 湿磨工艺 硬质合金球牌号湿磨机转 速/分（mm）重量/g 装料量/g酒精加量/升研磨时 间/小时 yg6x3612187501630.37596 yg63612187502130.37536 yg6c3612187502330.37524 2.3.2 干燥 混合料干燥与制粒的方法有很多，国内常用的有：振动蒸汽干燥、喷雾干燥、双 圆锥器真空干燥、大锅真空干燥、z 型干燥器真空干燥、圆筒制粒、喷雾制粒、压团 制粒等。 其中喷雾干燥塔进行混合料干燥及制粒是目前国内外混合料生产厂家竞相选用的 先进生产工艺23。喷雾干燥用于大批量生产，干燥与制粒一次完成。其优点是热

32、效 率高，干燥速度快，物料不被污染，出料率高，料粒细而均匀且稳定，流动性好，质 软易碎，压制性能好。喷雾塔内温度是靠加热的氮气来供应的。用酒精作湿磨介质， 一般喷雾干燥塔进口温度控制在 180，出口温度控制在 95，略高于酒精的沸点 （82）温度。 但是根据我们现有的条件，我们选择的是真空干燥，真空度为 780mp，干燥温 度为 115，干燥时间为 3.5h。真空干燥系统原理示意图如图 2.1 所示： 图 2.1 真空干燥系统 2.3.3 过筛 一般为了使混料变的松散，较快冷却，并且去除浆料在干燥时可能产生的少量氧 化结块料和减少物料氧化可以通过过筛来改善。经过压碎、均匀化以及脱筛处理后才 能

33、通过正常压制获得“不脏化”的压坯。 本实验混合料选择过 80 目的筛，孔径 20mm。称量筛后的粉末的质量，记录数 据。 2.3.4 掺胶 掺胶是将增塑剂与粉末充分拌合，用来增加压制品的强度并且改善混料在压制时 的成型性能，所采取的重要工艺过程。它会影响粉末的压制性能，并且可能产生“未 压好” 、 “断裂” 、 “分层”等压制废品，还会因增塑剂的局部富集，产生“脏化”和局 部“渗碳” 。影响掺胶质量的有掺合方式、掺合前的准备、掺合工艺参数、溶剂排干 和后继处理等无方面。 本实验中，在压制前加入汽油橡胶溶液，搅拌均匀，再通过干燥、擦碎、这样之 后便可制粒。当混合料为细颗粒时，可以在汽油橡胶的混合

34、溶液中再加入少量石蜡， 这样可以进一步改善成形性。 2.3.5 压制 将混合料装入定型模腔内，在压力机冲头或其它传压介质施予的压力的作用下， 压力传向模腔内的粉末，粉末发生位移和变形，随压力的增加，粉末颗粒之间的距离 变小，粉末颗粒之间发生机械啮合，孔隙度大大降低，同时在成型剂的作用下，混合 料被密实成具有一定形状、尺寸、密度、强度的压坯。 压制的目的是得到具有一定形状和相对密度的粉末坯体，用作进一步研究粉末的 烧结性能。实验中模具尺寸为 6.16.142.4（mm） ，在 yh41-25c 型液压机进行压制， 选取压力值 10t 进行压制压力，压缩比为 3 倍，收缩系数 1.21。压胚的单重

35、为 23.67g。 （1）压制工艺 1）收缩系数 收缩系数为压坯的尺寸与合金尺寸的比值。一般使用线性收缩系数来表示。可是 因为现实情况下压坯的密度分布不均匀，各个方向线收缩率不同，因而取平均线收缩 系数 c。 实验中模具的收缩系数为 1.21。 2）压坯的孔隙度 孔隙度是粉末冶金材料的基本特性，压坯的空隙度对后续的烧结和产品的最终性 能回产生很大影响。这里孔隙度 取决于压坯的收缩系数。 3）压坯的单重 =单重模具尺寸合金理论密度 如前所述，模具尺寸为：6.1mm6.1mm42.4mm， 所以单重 m=0.610.6142.415.0=23.67g 4）压坯的尺寸控制 压坯的尺寸控制有两种方法：

36、 控制单位压制压力。 在相同的情况下，用大小相等的单位压制压力可以得到相同的相对密度，因此会 使得压坯尺寸一致；在成型剂的种类、混合料的性质，压坯大小不同时，应该重新调 整，并且试验单位压制压力。 控制压坯的尺寸。 通常在非自动压制时可以采用控制尺寸的方法，通常都使用限制器，并且限位器 的。=+-厚度上冲头高度压坯高度下冲头高大阴模高度 5）混合料的称重 称重通常按体积来计量；当在不是自动压制时常用工业天平，称量的误差会随单 重增加而减小，通常为 18%。准备好所需模具，在 yh41-25c 型液压机进行压制， 选取压力值 10t 进行压制。 （2）压制过程中的废品及其分析 压制过程中的废品可

37、分为两大类：一类是外型废品，如掉边、掉角、尺寸不合格、 单重不合格、毛刺大、粘料粘膜严重等，这类废品主要是人为的。在操作过程中，要 经常检查，可以将此废品控制在最小范围内。另一类废品为工艺废品，主要有分层、 裂纹、未压好等。 1)分层：沿压块的棱出现，与受压面呈一定角度，形成整齐的分界面叫分层。 分层的原因： 压块中存在弹性内应力或弹性张力。如混合料钴含量低，碳化物硬度高，粉末或 料粒愈细，成型剂太少或分布不均匀，混合料过湿或过干，压制压力过大，单重过大， 压块形状复杂，模具光洁度太差，台面不平，均有可能造成分层。 解决方案：主要是提高压块强度，减少压块内应力和弹性后效是解决分层的有效 方法。

38、 2)裂纹：压块中出现不规则局部断裂的现象。 产生裂纹原因： 因为压块内部的拉伸应力大于压块的抗张强度。 解决方案： 因为影响分层的因素同样会影响裂纹，从而通过往复的加压和保压时间的延长， 单重，降低压力或增加模具厚度和改善模具设计，提高松装密度，增加脱模速度和成 型剂，可以减少裂纹的产生。 3)未压好 产生原因：当局部空隙尺寸太大，导致在烧结中无法消除时饿产生的缺陷。 虽然压块孔隙度可达到 40%左右，但由于压制时物料或压力降原因，压坯孔隙是 不均匀的；料粒太硬，料粒过粗，物料松装太大；松装料粒在模腔中分布不均匀，单 重偏低。均可能造成未压好。 解决方案： 可通过改善的料粒尺寸和松装密度，改

39、善模腔中料粒分布的状态，并适当提高单 重。 2.3.6 烧结 （1）烧结原理 在真空条件下加热，进行真空脱蜡烧结过程，有利于排除杂质，提高烧结气氛纯 度，改善粘结相的润湿性，促进反应。 固相烧结过程中，颗粒间距离减小，颗粒接触面增大，烧结体内各组元的原子扩 散，烧结体发生收缩，并进一步强化。最后当温度临近粘结相熔点时，粘结相会发生 塑性流动，达到液相温度时，液相在烧结体中产生，发生液相烧结。 液相烧结过程中，液相层会在碳化物的表层形成，在扩散作用的帮助下，碳化物 颗粒会溶于粘结相中，最后形成共溶体，碳化物颗粒经过再结晶和晶粒长大，把与之 相邻的碳化物颗粒联结起来，烧结体进一步收缩并迅速致密化。

40、通常要在稍高于液相 的烧结温度下保温一段时间，从而使得烧结过程充分进行，最终使之冷却。 整个烧结过程中，烧结体致密到接近无孔隙，并产生一系列物理化学作用和组织 结构调整，最终形成致密的、有一定化学成分、物理力学性能、组织结构的硬质合金。 （2）烧结工艺 实验中烧结设备采用氢气脱胶、烧结一体炉。此烧结炉是根据安全操作的需要而 设计的，用于硬质合金产品脱除成型剂、多气氛/真空烧结的一体化烧结炉。 硬质合金烧结属于多元系的液相烧结，烧结对合金最终制品起着决定性作用。烧 结过程中烧结体的变化：压快体积收缩变小，强度增大，合金表面呈金属光泽，通常， 压快孔隙度为 50%，而制品应小于 0.2%。烧结过程

41、中，粉末颗粒间发生质的变化， 合金晶粒间的结合，代替了粉末颗粒间的接触，使合金形成坚固整体，从而具有优良 的物理性能。 按照湿磨参数所制得的粉末的压坯进行烧结，将制定烧结曲线，具体分四个阶段 进行： 1）脱除成型剂和预烧阶段： 首先对样品进行低温预烧，温度设定在 500-700左右，保温时间约为 30-40 min，升温速度适中，约 25/min。烧结初期，随温度升高，成型剂逐渐热裂，并排 出烧结体。氢气烧结时，800以下能还原粉末表面的氧化物，同时，在粉末间的接 触应力慢慢得到减弱，回复和再结晶也在粘结金属粉末中开始产生，强度也随之得到 提高。 2）固相烧结阶段（800-1450共晶温度）：

42、所谓共晶温度是指缓慢升温到烧 结体开始出现共晶液相的温度。在合适升温速度下保温时间为 35 min-40min。 3）液相烧结阶段（共晶温度-烧结温度）：当烧结体出现液相后，烧结体收缩 很快完成，碳化物晶粒长大并形成骨架，从而奠定了合金的基本组织结构。采用合适 升温速度，保温45-50min， 。共晶反应发生在温度刚好达到共晶温度的时候，并且会 同时生成液相。由于增大保温时间对致密化影响不大, 反而可能降低合金的性能，通 常情况下，我们控制保温时间在2035分钟。 4）冷却阶段（烧结温度-室温）：不同的冷却过程通常会影响粘结相的状态， 这里采用空冷（冷却水）到室温。在缓慢冷却时可以使晶粒被液相

43、膜完整地包覆, 从 而可以提高合金的性能。 根据实验要求制定 yg6 烧结曲线如图 2.3 图 2.2 yg6 合金的烧结工艺曲线 （3）烧结过程中废品及分析 烧结后主要废品形式为：起皮、鼓泡、孔洞、组织不均匀、变形、裂纹、黑心、 过烧、欠烧、麻点、再生气孔、尺寸超差等等。下面就主要几种废品进行分析。 1)起皮：合金的表面通过棱边的裂纹，翘壳或龟裂，并且十分严重的时候会出现 0 500 500 750 750 1150 1150 1450 1450 00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

44、 024681012141618 烧烧结结温温度度t/ 烧烧结结时时间间t/h h 鱼鳞式样的小薄皮，还可能暴裂和粉化； 原因：由于压块中钴的接触作用，使含碳气体在其中分解出游离碳，导致压块局 部强度下降，从而产生起皮。 2)鼓泡：因为孔洞存在于合金制品内部，而且在相应部位表面显现出凸起的曲面； 原因：烧结体有比较集中的气体，通常有两种： 在烧结体内会聚集空气，并且在收缩的过程中，空气向表面转移。假若一定尺 寸的杂质存在烧结体内，如合金钴屑，铁屑和碎屑，空气将在此处集中起来，等到液 相出现时，并致密化后，空气无法排出，就在烧结体阻力最小的表面形成臌泡； 烧结体内有生成大量气体的化学反应，当烧结

45、体中存在某些氧化物，在出现液 相以后才被还原，生成气体，这就会使制品臌泡；wcco 合金一般由混合料中氧 化物结块引起的。 3）孔洞：40m 以上的孔隙。 原因：能够造成臌泡的因素，都有可能形成孔洞，只是不像臌泡有大量气体，在 有不为溶体金属所润湿的杂质存在烧结体内时，如“未压好”之类的大孔或严重的固 相与液相的偏析出现在烧结体内，都可能形成孔洞。 4）组织不均匀： 原因：主要是混料不均匀。 5）变形：烧结体外形变化不规则。 原因：压块密度分布不均匀：因为合金成品密度是一样的； 烧结体局部严重缺碳：因为缺碳使液相相对减少； 装舟不合理；垫板不平； 6）裂纹： 压制裂纹：由于压块干燥时压力驰豫而

46、没有立即显示，烧结时弹性回复较快。 氧化裂纹：由于压块干燥的时出现部分会严重氧化，而在氧化部位的热膨胀程 度与没有氧化部位的不同； 7）黑心：合金在断口上出现的组织疏松区叫黑心。 原因：碳的含量量过低或偏高。因此凡是影响烧结体含碳量的各种因素，可能都 会引起黑心的形成； 8）过烧：由于保温时间过长或烧结温度过高而产生过烧。 产品过烧，使晶粒变粗，孔隙增大，合金性能明显下降。欠烧制品金属光泽不明 显，只需返烧则可。 2.4 试样性能检测 2.4.1 抗弯强度测定 抗弯强度是指材料抵抗弯曲不断裂的能力。弯曲试验中试样破坏时拉伸侧表面的 最大正应力。 一般采用三点抗弯测试或四点测试方法评测。其中四点

47、测试要两个加载力，比较 复杂；三点测试最常用。其值与承受的最大压力成正比。 根据我国硬质合金抗弯强度的测定标准 gb/t3851-1983（与国际标准 is03327 - 1982 对应） ，测试方法规定有二种试样，a 型试样为（宽）5（高）5（长） 35mm；b 型为；b 型（宽）6.5（高）5.25（长）20mm，其对应的强度分别记做 rtr30 和 rtr15。同一批材料 b 型结果比 a 型结果值高 l0%。 本实验采用油压式万能材料试验机测定 （如图2.3） 。 这种情况下，材料的抗弯强度为 bb （2.7） m bb z m 一断裂负荷 p 所产生的最大弯距 z 一试样断裂模数 对

48、于矩形截面的试样有： plm 4 1 （2.8） 2 6 1 bhz （2.9） 式中：p 试样断裂时读到的负荷值 （牛顿） l 支架两支点间的跨距（米） b 试样横截面宽（米） h 试样高度（米） 因此对于矩形截面的试样，抗弯强度为： mp （2.10） 6 2 3 10 bh pl bb l p 压头 试样 支架 图 2.3 抗弯强度测试示意图 硬质合金抗弯强度的测试要求注意三方面： （1）试样的制作上要求防止出现人为的应力集中点。测试也可用烧结态试样， 但要求烧结前倒棱，避免出现毛刺。 （2）对测试设备的要求是加力均匀，精度1%；支承园棒和加力园棒（球）必 须用刚性好的碳化钨硬质合金制造

49、。 （3）测试操作要求加力线对准支承跨度中心。 2.4.2 金相组织的观察 实验步骤： （1）选取金相试样 选取合适、有代表性的金相试样是金相分析研究中至关重要的一步。这里我们对 9 个 yg6 试样，根据所研究的问题，有针对性地分别取样。以使制作的金相图谱更 准确。 试样的切割可用 sic 砂轮片、线切割或金刚石砂轮片等方式。切割过程用足够的 水进行冷却。切割后用丙酮或超声波进行清洗。然后在熔化的石蜡中浸泡 2 小时，渗 蜡填孔，防止磨粒、浸蚀剂进入孔隙。 （2）制样 在显微镜下，显微镜的倍率高，则可能显示很多细节的影像。试样上细微的划痕、 腐蚀坑、变形也会暴露、显现，这对于清晰的图像以及正

50、确的显微组织显示是一大干 扰。要制作出高质量的金相试样，主要必须关注和制定合理的制样程序，以及科学的 抛光方法。 如果试样较薄或细小，不易进行制备操作，则采用试样镶夹。常用的有两种：夹 钳和镶嵌。这里采用镶嵌方法，镶嵌材料是塑料、电木份或环氧树脂等。 （3）研磨与抛光 研磨经过粗磨、中磨和细磨三道工序。用带金刚石磨盘的磨抛机和抛光膏进行精 细机器抛光。 （4）试样的腐蚀 硬质合金显微组织的显示是采用逐步浸蚀各相的方法。 2.4.3 矫顽磁力测定 （1）测定矫顽力的原理 试样在直流磁场中磁化到技术磁饱和状态，然后，使试样完全去磁所需的反向磁 场的大小，即为所要测定的矫顽磁力 hc。矫顽（磁）力

51、hc反应的是产品的平均晶粒 度，而不能反应晶粒的异常长大情况。 矫顽（磁）力 hc早已应用于硬质合金生产之中，按照 gb/t3848-1983 进行操作。 它表示合金抵抗去磁能力，与合金的 co 层厚度呈线性函数关系。对于同一含钴量的 wc-co 合金，wc 晶粒越粗，钴层厚度越厚，其矫顽（磁）力 hc越小。通过矫顽 （磁）力值可以衡量合金中 wc 的晶粒度。 （2）矫顽磁力的测定步骤 置试样于一直流磁场中，使其长轴方向与磁场方向一致，并使试样磁化到技术 磁饱和状态。 在反向的直流磁场中使试样去磁。去磁的速度必须足够慢，使得有足够的测试 精度。 对去磁的试样测定矫顽（磁）力 hc。 2.4.4

52、 硬度的测定 硬度测定的方法主要有：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。这里采用洛氏硬度 hra。硬质合金的硬度测定是以对微量塑性变形阻力为基础的。因此，在一定意义 上说，硬度越高合金的塑性愈低，反之亦然。 硬度的测定步骤： （1）置试件于工作台上，顺时针旋转手轮使工件上升至加满初试验力为止，此 时大指针应垂直向上指向标记 b(c)处，其偏移不得超过5 分度格，否则另选一点。 （2）转动指示器的调整盘，使大指针指向刻度 b(c)。 （3）向后缓慢推倒加载试验力操纵手柄，保证主试验力在 46 秒内施加完毕。 总试验力保持 5 秒时间后，向前慢拉加载试验力手柄，卸去主试验力，保留初试验力。 （4）此时

53、硬度计表头长指针指向的数据，即为被测试件的硬度值。 （5）逆时针转动手轮使工作台下降，更换测试点，重复上述操作。 第 3 章 实验结果与分析 3.1 抗弯强度 3.1.1 影响硬质合金抗弯强度的因素 影响硬质合金抗弯强度的因素很多，主要有：合金碳含量、粘结相含量、硬质相 种类与粒度、添加剂种类和数量，温度以及缺陷的数量和位置。 （1）碳的影响 碳的微小过量，只要均匀分布，并不严重影响合金的抗弯强度，但过量太多，在 合金中产生片状石墨杂夹，则合金抗弯强度下降。 合金的碳量对合金抗弯强度的影响没有钴量的影响那么大，因为低碳合金粘结相 中钨的固溶量大，而成分为6的钴则是高碳合金的平均抗弯强度，这是因

54、为6含量 的钴的低碳合金的大尺寸空隙多的原因，如果将缺陷尺寸控制在20m以内合金的室 温抗弯强度还是低碳的优于高碳的。 （2）均匀结构的合金具有较高的抗弯强度 硬质合金的抗弯强度还与晶粒分布有关系。晶粒比较均匀的合金，具有较高的强 度。超细合金能同时获得较高的抗弯强度和硬度 （3）合金的强度随温度升高而降低，在 600800范围粗晶粒强度下降最大， 而在 800900细晶粒下降最大。 3.1.2 wc 粒度对抗弯强度的影响 我们所说的，在钴含量相同时，晶粒尺寸较细的合金强度要比粗晶粒合金的低， 换句话就是，随着合金晶粒度的减小，合金的强度会相应的减小。但是这只有在钴的 含量小于某一值时才发生，

55、并且 wc 晶粒的尺寸对它有决定性作用。有期刊实验结 果表明：“wc 晶粒为 4m 的合金，其抗弯强度要比 3m 的高，这个规律只发生在 含钴量小于 12%以前的合金；对于含钴量小于 20%的合金，wc 晶粒为 3m 的合金 的抗弯强度要比 wc 晶粒为 2m 的合金要高。 ” （1）实验中抗弯强度的测定 通过对 3 种不同粒度 wc 粉即粗颗粒、中颗粒、细颗粒配制 wc-6%co 硬质合金 硬质合金抗弯强度的测试，得出如下表 3.1 的实验结果。样品的尺寸为 5535(mm)， 实验设备为油压式万能材料试验机，加载速度为 0.5mm/min。 表 3.1 三点弯曲抗弯强度实验结果 牌号试样标

56、签载荷/kn抗弯强度/mpa弯曲位移/mm 123.4618350.49696 224.8318620.52235yg6x 323.8517980.51895 419.391462 0.32568 519.491500 0.35789yg6 619.241452 0.38567 718.0613860.29567 818.1113580.25026yg6c 918.0913250.24552 （2）金相分析 在实验中，将选定的试样观察面在磨床上磨平，然后用金刚石粉末分别对试样进 行细磨和抛光。最后用新配的 20铁氰化钾和 20氢氧化钾水溶液的混合液对抛光 后的观察面进行腐蚀。此时在金相显微镜下

57、可得到如下金相图片。 1 号试样 2 号试样 3 号试样 4 号试样 5 号试样 6 号试样 7 号试样 8 号试样 9 号试样 图 3.2 试样金相图片（200） 根据试验结果和理论分析,可得出如下结论: (1)硬质合金抗弯强度的平均值随 wc 晶粒度的减小而增大。 (2)硬质合金抗弯强度的平均值随 wc 粒度的均匀性变好而增大。 日本学者铃木寿12曾导出 wc-co 硬质合金抗弯强度 m满足公式： (3.1) 3 830/ 2/8.5 10 /(2) /(2) m atttlll 式(3.1)中，t 和l 越分别为裂纹源距拉仲表面的距离和裂纹源距跨距中心的距 离；t 和 l 分别为试样厚度

58、和三点弯曲试验中的跨距长度；2a 为近椭圆状缺陷的长径。 由上式可知不但与缺陷的大小和缺分布情况会对硬质合金的抗弯强度造成影响。 本实验中，硬质合金的抗弯强度和其分散性由尺寸较大的 wc 颗粒及其分布状况来 决定。 这与实验结果一致，可以清楚地看到，硬质合金材料粒度的均匀性越差，在引起 开裂的张应力区中找到大颗粒 wc 的几率的差别就越大，抗弯强度的分散性也就越 大；这也表明 wc 颗粒越小、粒度越不均匀，其抗弯强度的分散性越大。 3.2 矫顽磁力 3.2.1 影响硬质合金矫顽磁力的因素 影响硬质合金矫顽磁力的因素有碳化钨晶粒度、碳平衡、钴含量、晶粒长大抑制 剂、研磨时间等。 （1）碳含量的影

59、响20 在制备混合料时，严格选用总碳含量合格的碳化钨，因为非磁性脱碳相会在含碳 量严重不足时生成，减少磁性钴的含量，并且会增加钨相的分散程度，细化碳化钨的 晶粒，增大了合金的矫顽磁力和脆性。在适当的含碳量条件下，钴相中的含钨量会随 着含碳量的增大而减少，同时矫顽磁力也会随之降低，抗弯强度得到增大。 （2）研磨时间的影响 高能球磨处理会使粉末体系的自由能升高，有助于固溶度的扩展，使钴容易在钨 晶格缺陷处聚集，从而在钨晶格中的固溶度增加，当钴在这种不稳定的固溶体中析出 时，球磨时间越长，析出越多，矫顽力越大。 （3）烧结温度的影响 烧结温度对矫顽(磁)力 hc影响很大，是由于 co 层的均匀性引起

60、的。合金欠烧 时，矫顽（磁）力 hc亦低。随着温度的上升，co 液的流动加快，矫顽（磁）力 hc 提高。温度升高至过烧，晶粒长大，矫顽（磁）力 hc降低。 （4）晶粒长大抑制剂的影响 在合金中加入我们常用到的晶粒长大抑制剂，如 cr、v 等时，合金的矫顽磁力 hc会发生某些变化，随着 wc 晶粒度的减小矫顽磁力会增大。同时研究还发现当合 金中含有 v 或 cr 时，矫顽（磁）力的影响是不一样的，合金中含有 v 时，矫顽磁力 会呈现一种非常强的线性关系，而相比含有 cr 的合金，wc 晶粒度对矫顽磁力的影 响要相对差一些。 3.2.2 wc 粒度对矫顽磁力的影响 当合金中的钴含量一定时，矫顽磁力