硬质合金混合及成形

1、粉末的预处理o原料粉末在运输和存放中会生成大量锈块或凝结成块状，一般要用筛子将这些块状物筛出。 o为了去除粉末表面的氧化物和吸附的气体，消除粉末颗粒的加工硬化，必须进行还原退火处理。粉末颗粒表面因还原而呈现活化状态，并使细颗粒变粗，从而改善粉末的压制性。o氢中处理时，还有脱氧、脱碳、脱磷、脱硫等反应，提高了粉末的纯度。 硬质合金粉末的混合 o相同化学组成的粉末的混合叫做和批。两种以上的化学组元相混合，叫做混合。混合的目的是使性能不同的组元形成均匀的混合物，以利压制和烧结时状态均匀一致。 o混合好的硬质合金粉末通常需要过筛，以除去较大的夹杂和润滑剂的快状凝聚物。混好的粉末尽可能及时使用，否则应密

2、封贮存起来，运输时应减少振动，防止混合料发生偏析。 混合料的制备 过程的目的：过程的目的：将各种碳化物和粘结金属的粉末配制成一定成分，一定粒度的均匀混合物 。 方法方法：湿球磨。 湿磨液体介质的要求：湿磨液体介质的要求： 与混合料组元不发生显著的化学反应； 沸点较低，在100左右能挥发； 表面张力较小，不使粉末聚团； 价廉等。 常用的介质常用的介质：最常用的为酒精，汽油（不氧化、硬化物料，减少合金孔洞，但料浆易沉淀，不易洗涤），水（最方便和便宜，但易氧化和结块）。其它的如四氯化碳，苯和丙酮等则有毒和易挥发。湿磨前后的物料 单独湿磨WC( 24h)后，粉末粒度细化粒度细化 单独湿磨Co（24h)

3、后，粉末粒度变大，冷焊现象粒度变大，冷焊现象球磨过程的影响因素 球磨筒传速球磨筒传速：实际转速为临界转速75%时，主要是冲击研磨，常用较大的球和较小的填充系数(0.5)，球的运动就不会受到阻碍，使研磨效率变低。一般当采用硬质合金球和衬里时，实现滚动研磨的最佳填充系数为0.40.5。球磨过程的影响因素 球料比球料比：通常，其值越大，研磨效率越高。但球料比过高会减少装料量，反而使生产率下降。一般情况下，球料比常取作3:1到5:1，只有在制取极细混合料时，才采用10:1的球料比。 液固比液固比：一公斤料所加液体的体积(毫升)。液固比过大，使粉末过于分散，研磨效率降低，液固比过小则料浆太稠，球与筒壁发

4、生粘连，不易滚动。当球料比为2：1时，磨YG料以每公斤加200毫升液体为宜；而磨TY料时，随着混合料中钛含量的提高，液体加入量相应增加2060%。 研磨时间研磨时间：延长研磨时间通常可改善物料混合的均匀程度，改善碳化物颗粒的粉碎程度，但过份长的湿磨时间反而使磨碎效率降低，并增加碳化物晶粒在烧结时的下均匀长大倾向。一般湿磨时间在1672小时之间。制备过程与设备工序：配料湿磨干燥过筛 大规模生产振动干燥 小规模生产电烘箱、蒸汽干燥箱 过筛：WC-Co 5080目；WCTiCCo，100120目普通模压成形 模压成形工艺过程：模压成形工艺过程：加成形刑(掺胶或掺蜡)制粒压制压坯的干燥加工和清理。 加

5、成形剂的目的：加成形剂的目的： 改善混合料颗粒之间的结合状态。 改善混合料的流动性及压制性能，提高压坯密度及密度均匀性。 保证必须的压还强度。 对成形剂的要求：对成形剂的要求： 必须具有适当的粘性，以保证压坯有足够的强度。 有一定的润滑作用。 烧结后不残留育害的杂质。 在适当的溶剂和较低的温度下能够溶解，以便与混合料均匀混合。 常用的成形剂：橡胶与石蜡常用的成形剂：橡胶与石蜡 石蜡成形剂的特点石蜡成形剂的特点 允许较高的压制压力而不出观分层； 不会“老化”，掺蜡料可长期储存； 石蜡汽油溶液粘性小，适用于喷雾干燥； 没有灰分，不会给合金带进杂质； 粘性和弹性较小，允许的压制速度较低； 与橡胶用量

6、相同时，压坯强度较低； 熔点较低，未脱蜡的压坯不宣高速磨削。 硬质合金生产中所用的石蜡是工业白蜡。石腊与橡胶成形剂的比较 橡胶成形剂的主要特点橡胶成形剂的主要特点 压坯强度较高，便于搬运和加工； 橡胶弹性较大，可用较快的压制速度而不产生裂纹； 所需的压制压力一般比石蜡料低； 容易“老化”，掺胶料的存放期在两周以内； 在较低压力下就易出现分层，故不利于细料混合料的压制； 烧结时不能完全排出，有部分碳残留； 硬质合金生产中常用的橡胶是合成丁钠胶或丁钠胶。石腊与橡胶的比较成形剂溶液的制备 橡胶汽油溶液： 溶剂：航空汽油或溶剂汽油； 浓度：根据橡胶用量及混合料的松比来调整。一般为813wt%； 加入量

7、： 0.61%。橡胶用量随混合料松比的降低而增加，生产中一般是每20公斤混合料加1800毫升的橡胶汽油溶液。 成形剂溶液的制备 石蜡汽油溶液：石蜡汽油溶液： 溶剂：溶剂：汽油； 浓度：浓度：生产中的石蜡汽油溶液的浓度一般为2030wt% 。为提高石蜡溶解度，通常将石蜡加热熔化后倒入汽油内，并立即使用； 加入量加入量：一般为12wt%。石蜡用量通量比合成橡胶高一倍以上且随含钴量的增加而增加。生产中一般是每20公斤混合料加2030wt%的石蜡汽油溶液1800毫升。 灰分问题灰分问题： 橡胶汽油溶液 浓度（wt) 4-4.5 10-11 13.5-14灰分（wt) 0.035 0.07 0.11 石

8、蜡汽油溶液：基本无灰分粒料的制备料粒的制备主要包括掺胶掺胶(或掺蜡或掺蜡)和制粒和制粒两道主要工序掺胶(蜡)过程：掺和干燥擦筛 拌和机拌和机 电热干燥箱、蒸汽干燥柜电热干燥箱、蒸汽干燥柜 擦筛机擦筛机制粒制粒方法主要包括：制粒方法主要包括：压团法、滚动法、喷雾法。 压团法：将料粒在较低的压力（200230kg/cm2）下压成一定大小的团块，然后将团块打碎用30目的筛子过筛。此法效率低且所得料粒较硬。流动性较差。 滚动法：物料在滚筒中滚动而球化制粒，一般YG料要求较细滚筒或较低转速，而YT料则要求较粗滚筒或较高转速，滚动制粒机有连续式和间歇式二种。 喷雾法：石蜡丙酮料浆喷雾，120 氮气干燥粉末

9、成形o粉末成形是将松散的WC或碳化物与Co粉末混合物制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块的工艺过程。粉末经过成形工序得到具有既定形状与强度的粉末体，叫做压坯。o粉末成形可用普通模压法或用特殊成形方法成形。前者是将金属粉末或混合粉末装在压模内，通过压机使其成形。特殊成形是指各种非模压成形技术。普通模压法成形 o模压法成形是最广泛使用的粉末成形技术。它是指在常温下将混合均匀的粉末按一定的量装入封闭的模具中，再用压力机以一定的单位压力压制成坯块的方法。o成形过程通常由以下工步组成：称粉、装粉、压制、保压及脱模。压制模具示意图：1凹模 2上凸模 3下凸 4粉末称粉与装粉 称粉就是称量成形一个压坯所

10、需的粉料的重量或容量。 采用非自动压模和小批量生产时，多用重量法； 大量生产和自动化压制成形时，一般采用容量法，且是用压模型腔来进行定量。压制方法 o压制是按一定的单位压力，将装在型腔中的粉料，集聚成达到一定密度、形状和尺寸要求的压坯的工步。在封闭钢模中冷压成形时，其压制方式最基本的有三种。其它压制方式或是基本方式的组合或是用不同结构来实现。 三种基本压制方式：a）单向压制；b）双向压制；c）浮动压制 o单向压制：单向压制时凹模和下凸模不动，由上凸模单向加压。此时，因摩擦力作用使得制品上下两端的密度不均匀。单向压制的优点是模具简单，操作方便，生产效率高。缺点是只适于压制高度较小的制品。o双向压

11、制：双向压制时，凹模固定不动，上下凸模以大小相等方向相反的压力同时加压。这种压坯中间密度低，二端密度高而且相等。正如两个条件相同的单向压坯，从尾部连接起来一样。适于压制较长的制品。o浮动压制：下凸模固定不动，凹模用弹簧、气缸、油缸等支撑，受力后可以浮动。此时，低密度带在压坯的中部，其密度分布与双向压制相同。浮动压制是最常见的一种形式。三种基本压制方式o由于粉末颗粒与模腔壁在压制过程中产生的摩擦，不同的压制方式，压坯密度不均匀程度有差别。不仅密度沿高度分布不均匀，而且沿压坯断面的分布也是不均匀的。o烧结后制品的强度、硬度及性能的同一性，皆取决于密度分布的均匀程度。此外，压坯密度分布不均匀，在烧结

12、时，将使制品中产生很大的应力，从而导致收缩的不均匀、翘曲，甚至产生裂纹。影响压坯密度分布均匀性的因素中，压坯的侧正面积比、压制方式和摩擦系数是起决定性作用的。o提高坯件密度分布的方法：减小模壁摩擦；增大压制压力；双向压制工艺；运用浮模原理；减小坯件高度直径比；利用预压工艺。 压制过程 模压成形期间，硬质合金粉末发生两个基本的变化。l一是沿压力方向发生整体运动；l二是在压力作用下发生变形与断裂。这两个基本变化都有助于增加坯件的密度、减少孔隙度。l硬质合金粉末装在模腔中，形成许多大小不一的拱洞。加压时，粉末颗粒产生移动，拱洞被破坏，孔隙减少，随之粉粒从弹性变形转为塑性变形，颗粒间从点接触转为面接触

13、。由于颗粒间的机械啮合和接触面增加，原子间的引力使粉末体形成具有一定强度的压坯。硬质合金粉末的压制过程大体上可分为四个阶段。 l阶段一：粉末颗粒移动，拱洞破坏及颗粒之间的相互挤紧，压制压力大部分耗费于颗粒间的摩擦；l阶段二：粉末挤紧，小颗粒填入大颗粒间隙中，颗粒开始有变形，粉粒移动速度减缓。压制压力主要耗费于颗粒与模壁之间的摩擦；l阶段三：粉末颗粒表面的凹凸部分被压紧且啮合成牢固接触状态。压制压力主要消耗在粉末颗粒的塑性变形；l阶段四：粉末颗粒加工硬化到了极限状态，进一步增高压力时，粉末颗粒被破坏和结晶细化。压制压力主要消耗于颗粒的变形与破坏（包括模具的变形）。压制过程 压制压力到规定值后予以

14、保压，可以提高压坯的密度。但较长时间的保压将使生产效率大大降低，故对于一般小型压坯不采用保压；对于大型致密压坯，可适当考虑保压，例如30秒以内；增加压力和粉末尺寸（或自由堆积密度）有助于增加坯件密度，减小粉末硬度、强度和降低模压速度，也有利于增加坯件密度。思考：很古老的科学问题，如何增加粉末的理论堆积密度，如何实现？ 添加剂主要指润滑剂和成形剂。 润滑剂是为降低粉末颗粒与模壁和模冲之间的摩擦而填加的物质，通常有硬脂酸、硬脂酸锌、二硫化铜、石墨粉等。 成形剂是为改善粉末成形性而添加的物质，通常有合成橡胶、淀粉、石蜡等。不同的粉末所添加的润滑剂和成形剂是不同的。 润滑剂加入量对压坯性能的影响 添加

15、剂脱模 压坯从模具型腔中脱出是压制工序中重要的一步。压坯从模腔中脱出后，会产生弹性恢复而胀大，这种胀大现象，叫做回弹或弹性后效，可用回弹率来表示，即线性相对伸长的百分率。回弹率的大小与模具尺寸计算有直接的关系。 特殊成形方法超硬材料和硬质合金的难成形、高熔点等特点，发展了多种特殊成形方法按其工作原理和特点可分为等静压成形、连续成形、无压成形、注射成形、高能成形等。 等静压成形借助高压泵的作用把流体介质（气体或液体）压入耐高压的钢质密封容器内，高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上；粉末体在同一时间内在各个方向上均衡地受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。称为等静压制，简称等静压。等静压

16、可分为冷等静压和热等静压两种。 等静压制原理图：1-排气阀；2-压紧螺母； 3-盖顶；4-密封圈；5-高压容器；6-橡皮塞；7-模套；8-压制料；9-压力介质入口。冷等静压 将粉末密封在软包套内，然后放到高压容器内的液体介质中，通过对液体施加压力使粉末体各向均匀受压，从而获得所需要的压坯。液体介质可以是油、水或甘油。包套材料为橡胶之类的弹塑性材料。金属粉末可直接装套或模压后装套。优点在于粉末在包套内各向均匀受压而可获得密度较均匀的压坯,进而在烧结时不易变形和开裂。其缺点是压坯尺寸精度差，还要进行机械加工。冷等静压已广泛用于高性能异形硬质合金零件的成形。 热等静压 将硬质合金粉末装入高温下易于变

17、形的包套内，然后置于密闭可加热缸体内。加压介质一般用氩气。常用包套材料则包括金属（低碳钢、不锈钢、钛）、玻璃和陶瓷。缸内气体压力随着温度升高而增大。粉末在这种各向均匀的压力和温度的作用下成为具有一定形状的制品。相比较，过程成形温度只有普通烧结温度的一半。由于温度和等静压力的同时作用，可使许多种难以成形的材料达到或接近理论密度，并且晶粒细小，结构均匀，各向同性和具有优异的性能。热等静压法最适宜于生产硬质合金、粉末高温合金、粉末高速钢和金属铍等材料和制品。热等静压 热等静压工艺路线金属粉末轧制 将硬质合金粉末喂入一对转动的轧辊辊缝中，由于摩擦力的作用，粉末被轧辊连续压缩成形的方法。它是生产板带状硬

18、质合金材料的主要工艺。特点：能生产特殊结构和性能的硬质合金材料，成材率高，工序少，设备投资小，生产成本低。这些坯料预烧结、烧结，又经轧制加工以及热处理等工序，就可制成有一定孔隙度的，或致密的硬质合金板带材。 粉末轧制工艺示意图粉末轧制工艺示意图:1:1粉末；粉末；22轧辊；轧辊；33轧坯；轧坯；44烧结；烧结；55精轧；精轧；66退火；退火；77成品。成品。 粉末轧制法与模压法相比，优点是制品的长度原则上不受限制；轧制制品密度比较均匀。但是，粉末轧制法生产的带材厚度受轧辊直径的限制（一般不超过10 mm），宽度也受到轧辊宽度的限制。粉末轧制法只能制取形状较简单的板带材。 粉末轧制工艺流延法 A

19、 slip is spread on a moving band, dried, peeled from the band and reeled up prior to further processing; The slip differs from that used for slip-casting because it has to act as a far stronger binder for the ceramic particles when the liquid phase is removed. 粉末挤压 粉末挤压的优点在于挤压件长度尺寸不受限制，产品密度均匀，生产可连续进

20、行、效率高、灵活性大，设备简单、操作方便。粉末挤压又分为金属粉末直接挤压和装包套后热挤压两种。 直接挤压 将塑性良好的有机物和金属粉末混合后，置入挤压模具内，在外力作用下使增塑粉末通过一定几何形状的挤压嘴挤出，成为各种管材、棒材及其他异形的半成品。影响挤压过程的主要因素是增塑剂的含量、预压压力、挤压温度和挤压速度。 包套挤压 o热挤压能把热压和热塑性加工结合在一起，从而获得全致密的优质材料；但为了防止粉末或压坯氧化，需要将它们装入包套内进行热挤压。o包套的材质必须满足下列要求：包套材料在挤压温度下的刚性应尽量接近被挤压粉末，不与粉末发生反应，并可通过酸洗或机械加工的方法去除掉。o采用这种工艺方

21、法，可以获得气孔率接近零的制品，其效果可以同热等静压相比。这种方法的缺点是只能获得形状极为简单的形材，如圆、椭圆、矩形等。 粉浆浇注 在不施加外压力的情况下，实现超硬材料或硬质合金粉末成形的技术。其方法是将成形材料与水或其它液体调成悬浮液浆并注入能够吸收液体的石膏模内；再从石膏模中取出干涸的坯块，并进行烘干；粉浆浇注对于压制性差的碳化物、硅化物、氮化物等粉末是特别有效的成形方法。也可降低制造较大而复杂的粉末冶金部件的成本。但粉浆浇注的生产周期长，生产率低。 a) b) c) d)图 粉浆浇注工艺原理图a)组合石膏模 b)粉浆浇注入模 c)吸收粉浆水分 d)成型注件金属粉末注射成型技术Metal

22、 Powder Injection Molding金属粉末注射成型技术(Metal Powder Injection Molding，简称MIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术。已发展成为常规的硬质合金制备技术。特点：与传统工艺相比，具有精度高、组织均匀、性能优异，生产成本低等特点，特别适合于大批量生产小型、复杂及具有特殊要求的金属零件。MIM技术弥补了传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺陷。MIM技术可以在传统加工方法制作的零件领域上发挥其特长。MIM工艺在零部件制造方面所具有的技术优势可成型高度复杂的结构零件。是包括硬质合金在内的零部件成

23、形与加工技术的革命。金属粉末注射成型技术MIM技术的应用领域 MIM工艺的出现为具有复杂形状的高熔点、难加工的超硬材料和硬质合金材料的推广应用带来了契机。 已工业化生产的硬质合金制品包括：硬质合金刀具、微型钻头、离心器、喷嘴、各种泵用零件、活塞、过滤器、各种体育用品、纺织机械用导线器、高尔夫球头、表带、表壳等。注射成型工艺原理示意图1-模具；2-喷嘴；3-料筒；4-分流梭；5-料斗；6-注射柱塞成型原理首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混炼，经制粒后在加热塑化状态下(150)用注射成形机注入模腔内固化成形，然后用化学或热分解的方法将粘结剂脱除，最后经烧结致密化得到最终产品。 混料：把金属粉末与有机

24、粘接剂均匀掺混在一起，使各种原料成为注射成型用混合料。混合料的均匀程度直接影响其流动性，进而影响最终材料的密度及其它性能。 注射成型：混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，成型出毛坯。 脱脂（萃取）：成型毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘结剂，该过程称为脱脂或萃取。脱脂工艺必须保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗料之间的微小通道逐渐地排出，而不降低毛坯的强度。 烧结：使多孔的脱脂毛坯致密化成为具有一定组织和性能的制品。许多情况下，烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有决定性的影响。MIM的主要工艺步骤 粘结剂是MIM技术的核心，在MIM中粘结剂具有增

25、强流动性以适合注射成型和维持坯块形状这两个最基本的职能，它还应具有易于脱除、无污染、无毒性、成本合理等特点。粘结剂一般是由低分子组元与高分子组元加上一些必要的添加剂构成。低分子组元粘度低，流动性好，易脱去；高分子组元粘高，强度高，保持成形坯强度。二者适当比例搭配以获得高的粉末装载量，最终得到高精度和高均匀性的产品。通常采用的粘结剂主要有：热塑性体系（石蜡基、油基和热塑性聚合物基）、凝胶体系、热固性体系和水溶性体系。粘结剂 热塑性体系：石蜡基粘结剂是最早使用，而且至今仍有竞争力的粘结剂休系。主要由石蜡与聚烯烃组成。如HDPE，LDPE，PP，PS，EVA，PEEA，POM/PE等。热塑性粘结剂由

26、于使用较多聚合物，成形坯强度高，但较多的聚合物会导致脱脂慢、装载量低。 热固性体系：热固性粘结剂在脱脂时不产生小分子，有残留，废次品不能重复使用等，因此限制了它在实际工业中的应用。 水溶性体系：水溶性粘结剂是20世纪90年代开发出的一类很有前途的体系，是从“固态聚合物溶液”（SPS）体系中发展起来的，用水溶性聚乙二醇（PEG）作主要成分，加部分PMMA或苯氧树脂作粘结剂，在脱氧蒸馏水中浸泡脱脂，但这种体系存在混合时间长、脱脂慢、溶胀等缺陷。粘结剂体系混炼是将金属粉末与粘结剂混合得到均匀喂料的过程。喂料的性质决定了最终注射成形产品的性能。MIM喂料的混炼是在热效应和剪切力的联合作用下完成的。混料

27、温度不能太高，否则粘结剂可能发生分解或者由于粘度太低而发生粉末和粘结剂两相分离现象，至于剪切力的大小则依混料方式的不同而变化。混炼的方法一般是先加入高熔点组元熔化，然后降温，加入低熔点组元，然后分批加入金属粉末。这样能防止低熔点组元的气化或分解，分批加入金属粉可防止降温太快而导致的扭矩急增，减少设备损失。混炼 包括闭模、加料、塑化、注射、保压、固化(冷却定型)、开模出料等工序。而成型温度、注射压力（包括注射速度）、成型周期（包括注射、保压、固化时间）被称为注射成型工艺的“三大工艺条件”。注射成型工艺条件 成型温度 成型温度包括：料筒、喷嘴、模具温度。成型温度是三大工艺条件之一，关系到物料的塑化、流动性、充模等工艺条件。注射速度及注射压力 注射压力大小与注射机种类、物料流动性、模具浇口尺寸、产品厚度、模具温度及流程等因素有关。 一般注射压力略高于热塑性塑料的注射压力。 保压的作用：使制品冷却收缩时得以补料，尺寸准确，表面光洁，有利于消除气泡。保压时间一般0.32分钟，特厚制品可达510分钟。 注射速度与注射压力、温度、模口尺寸等因素有关。注射速度慢不利于充模，生产效率低，注射速度过快易混入气泡。需通过实际实验确定。 双螺杆