对合金等离子烧结探索

1、对合金等离子烧结探索放电等离子烧结1-2钢结硬质合金,目前研究较多3 -8的是以WC 为硬质相。而放电等离子烧结以 TiC为硬质相的钢结硬质合金的文章还鲜有报 道。本文选取以TiC为硬质相的GT35钢结硬质合金进行放电等离子烧结以期 确定其最佳烧结工艺并制备出性能优异的GT35钢结硬质合金。钢结硬质合金的传统制备方法烧结温度高、烧结时间长，不利于得到高致密度的烧结体。放电等 离子烧结技术具有非常高的热效率，易获得晶粒细小均匀的高致密烧结体，有重 要的实用意义。本文利用SPS技术制备GT35钢结硬质合金,对烧结工艺进行了 优化,通过对其组织和性能的检测，得出了不同的烧结工艺参数对 GT35钢结硬

2、 质合金组织和性能的影响。1试验1. 1 试验材料试验所用材料为商用GT35钢结硬质合金粉末,其化学成分如表1所 示。1.2试验方法及性能测试1.2. 1 试验方法将GT35钢结硬质合金粉末装填于石墨模具中,如图1所示。为便于脱 模,用石墨纸将GT35粉末与模具内壁隔离。试样装填好后在压片机上进行简单 预压,试样尺寸为X ： -I 叽然后于SPS-1030型放电等离子烧结炉内真空烧结。鉴于前期的研究工作，确定烧结温度、烧结时间和烧结压力为 本试验的试验因素,分别记作A、B、C,进行3因素正交试验,各因素均取3个 水平,对GT35钢结硬质合金的烧结工艺进行优化。试验因素水平表如表2所示, 烧结工

3、艺如表3所示。1.2. 2 性能测试用排水法测量试样的密度，并以理论密度为标准计算致密度。经计 算,GT35钢结硬质合金的理论密度为 6. 44g/cm3;用HRC-150型洛氏硬度计 测量试样的硬度,所有数据取5点算术平均值；用PME3-323UN型金相显微镜 观察试样的金相组织和晶粒大小；用S4800型扫描电镜观察显微组织形貌。2结果与分析2. 1 GT35钢结硬质合金的烧结工艺优化以致密度和硬度作为考核标准优化烧结工艺。表4为不同烧结工艺条件下GT35钢结硬质合金的相关性能。可见5#试样的致密度和硬度最高,分别为 99. 53唏口 73. 5HRC可以确定5#试样的烧结工艺为最佳烧结工艺

4、。以致密度为 标准,对实验结果进行极差分析，得烧结温度、烧结时间和烧结压力 3因素的极 差分别为0. 20、0. 16和0. 18,可知烧结温度的波动对烧结试样的致密度的 影响最大，烧结压力次之，烧结时间影响最小；得到的优水平为 A2( 960 C)、 B2( 5min)和C3( 70MPa),优组合为A2B2C3以硬度为标准,对试验结果进行极 差分析,得烧结温度、烧结时间和烧结压力3因素的极差分别为4. 10、0. 30和3. 10,可知3因素中烧结温度对烧结试样的硬度影响最大，烧结压力次之，烧结 时间相对影响最小；以硬度为标准得到的优水平为 A2( 960C)、B2( 5min)和 C3(

5、 70MPa),优组合为A2B2C3o可知无论以烧结试样的致密度为参考标准,还是 以硬度为依据,得到的优组合都是A2B2C3,于是可以得出优化后的烧结工艺为： 960°C x 5min x 70MPa2. 2 烧结温度对GT35钢结硬质合金性能的影响图2为烧结温度对GT35钢结硬质合金的致密度和硬度的影响。可见,随着烧结温度的升高,材料的致密度呈先增后降的趋势,960 C在70 MPa压力下 烧结5min时致密度达到最大值，为99. 53%,而在此之后随着温度的升高，材料 的致密度开始下降。因为利用放电等离子烧结技术制备双金属复合材料，复合材料的形成机理是固-固扩散反应和固-液界面固

6、溶-沉淀反应的混合机制。一方面, 随着烧结温度的升高，烧结的驱动力逐渐增大，粉末颗粒间相互结合速度加快，颗 粒间的微小空隙被迅速填充，吸附在粉末颗粒表面的气体也大量逸散出来，对烧结致密化有利；另一方面是由液相烧结的特性决定的，因为致密化能否进行彻底 取决于同液相性质相关的3个条件11:液相对增强相颗粒的表面润湿性；增 强相颗粒在液相中的溶解度；烧结温度下的液相量。随着烧结温度的升高，液相 量增加,润湿性得到改善,利于硬质相TiC与基体Cr-Mo钢的结合；液相与硬 质相之间存在着的溶解-析出过程得到加剧，利于物质的迁移与扩散，使烧结试样 内的孔隙减少，有利于加快致密化进程，提高烧结体的致密度；随

7、着烧结温度的 升高,致密化进程接近完成，在960C时达到最大；但由于是有压真空烧结，继续 升高温度，会造成熔点较低、密度较大的基体 Cr-Mo钢的挥发和外溢，造成“渗 漏”或者“流汤”，所以，在980C时材料的致密度反而下降。另外，“渗漏”或 者“流汤”现象的出现，也可能使硬质相骨架被冲垮，影响合金的成分与性能。从 图中还可以看出材料的硬度和致密度呈相同的变化趋势。材料中的孔隙对外部压力的抵抗力低，所以孔隙度低的致密材料具有较高的硬度。因而,随着材料致密度 的变化,材料的硬度也呈现先增加后降低的趋势。2. 3 烧结时间对GT35钢结硬质合金性能的影响图3为烧结时间对GT35钢结硬质合金性能的影

8、响。可以看出,烧结时 间小于5min时,延长烧结时间有利于致密度的提高；而超过5min,致密度反而 有所下降。这是由于在烧结初期，粉末颗粒在脉冲能、放电脉冲压力以及焦耳热 的共同作用下，表面迅速活化，粉末颗粒快速结合在一起，粉末颗粒间的空隙在脉 冲电压的作用下被击穿，吸附在粉末颗粒表面以及空隙中的气体逸散出来，有利于烧结的致密化进程。烧结时间达到一定值之前，液相量随烧结时间的延长而增加,有利于物质的扩散和迁移，使致密化进程加快。但若继续延长烧结时间，就可 能导致因电流集中而提前产生的液相量过多，在压力作用下被挤出模具。由于GT35钢结硬质合金中的硬质相TiC熔点较高,被挤出模具的液相绝大部分是

9、钢 基体材料，最后烧成的样品中的硬质相的相对含量超过35%,硬质相TiC的密度相对较低，为4. 92g / cm3,所以测算的相对密度也有所下降；也可能是烧结时 间的延长导致溶解-析出过程加剧，硬质相颗粒长大等现象，使烧结体的致密度下 降。硬度随烧结时间的变化规律与致密度随烧结时间的变化规律相似，烧结时间为5min时硬度达到最大值。硬度受致密度的影响，在0 5min范围内，材料的 硬度上升；之后随烧结时间的延长，复合材料的硬度下降。2. 4 烧结压力对GT35钢结硬质合金性能的影响图4为烧结压力对GT35钢结硬质合金性能的影响。可以看出，随着烧 结压力的增加，烧结体的致密度和硬度都呈现逐渐增加

10、的趋势。在本试验中，由于石墨模具的承受力有限，所以采用的最高压力为70MP&随施加压力的增大，烧结 体的致密度和硬度都呈上升趋势，这是因为压力较低时，试样中孔隙较多，烧结难 以进行彻底；随着所加压力的增大，粉末颗粒间的接触面积增大，试样就越密实， 通过SPS瞬时产生的放电等离子使颗粒表面活化和均匀地自身发热，表面扩散的物质传递得到了促进，并且由于晶粒受脉冲电流和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散也都得到加强，有利于烧结的快速完成，缩短烧结时间，有助于烧结 体的致密化，所以增大烧结压力会提高烧结试样的致密度。硬度受致密度的影响 随之产生相似的变化。2. 5 GT35 钢结硬质合金的显微

11、组织从表4中可以看出,5#试样的致密度和硬度最高，性能最好。图5为 5#试样的金相显微组织。白色颗粒状为硬质相TiC,黑色相为珠光体和小颗粒状碳化物12。由图可知,合金TiC骨架部分及基体钢结部分组织分布均匀。传统方法烧结的GT35钢结硬质合金中TiC偏聚长大现象严重，还有复杂碳化物相 （即所谓的桥接相）的生成。而采用放电等离子烧结的 GT35钢结硬质合金，由 于烧结时间短，晶粒来不及长大，所以这些现象都不存在。图6为5#试样的扫描 电镜形貌照片。灰色颗粒为 TiC相,大部分颗粒尺寸为3 5卩m,较均匀地分布 在钢基体中。3结论1）在影响烧结体的致密度和硬度的因素中，烧结温度是最主要的因素， 其次是烧结压力，烧结时间的影响相对最小。2）随烧结温度的升高