硬质合金混合与成形.

粉末的预处理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。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。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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。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：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：湿球磨。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：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单独湿磨Co（24h)后，粉末粒度变大，冷焊现象球磨过程的影响因素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(0.3)来研磨较粗的粉末；当实际转速为临界转速60%左右时，主要是滚动研磨，此时常采用较小的填充系数来研磨极细的粉末。硬质合金生产中球磨简转速采用60—75%的临界转速。球的大小：研磨效率是随球径的减小而提高的。但直径过小的球转动惯量太小，效率反而降低。一般认为直径5mm的球研磨效率最高。在实际生产中，制备YG料时常用直径为5~10mm的球，而制备YT料时常用直径为15～18mm的球。填充系数：填充系数是球的体积与球磨筒的体积之比。若填充系数过小(如0.2~0.3)，则球体只能整体地发生滑动，彼此间的相对位置不会变换而只有球体与简壁间的粉末被研磨，效率很低。若填充系数过高(如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0.4~0.5。球磨过程的影响因素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：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20~60%。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16~72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-Co50－80目；WC－TiC－Co，100－120目普通模压成形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：•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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•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8~13wt%；•加入量：0.6~1%。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：•溶剂：汽油；•浓度：生产中的石蜡汽油溶液的浓度一般为20~30wt%。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：一般为1~2wt%。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20~30wt%的石蜡汽油溶液1800毫升。灰分问题：•橡胶汽油溶液浓度（wt％)4-4.510-1113.5-14灰分（wt％)≤0.035≤0.07≤0.11•石蜡汽油溶液：基本无灰分粒料的制备料粒的制备主要包括掺胶(或掺蜡)和制粒两道主要工序掺胶(蜡)过程：掺和－干燥－擦筛拌和机电热干燥箱、蒸汽干燥柜擦筛机制粒制粒方法主要包括：压团法、滚动法、喷雾法。压团法：将料粒在较低的压力（200~230kg/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℃氮气干燥粉末成形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。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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。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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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。双向压制：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。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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。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。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。一是沿压力方向发生整体运动；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。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。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。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；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；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；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。