微波燒結技術製備高性能硬質合金

硬質合金鑽頭圖片

在各種燒結技術中,微波加熱具有加熱速度快、整體加熱、選擇性加熱以及非熱效應等傳統熱傳導加熱方式所不具備的特點。硬質合金(WC-Co)粉末壓坯對微波具有良好的耦合吸收作用,微波在混合料壓坯中的穿透深度很大,所以,用微波燒結技術製備

硬質合金具有傳統熱傳導加熱製備方式無法比擬的優勢。這些優勢表現在以下幾個方面:1,微高性能波加熱的快速性、整體性不僅能夠大幅度地縮短製備週期和降低燒結溫度,簡化工藝過程,而且可以製備出顯微組織均勻、晶粒細小的材料。2,由於微波的能量利用率高及其環境友好特性,所以能夠以更低的成本和更少的環境污染創造出更大的經濟價值。3,微波加熱的特點非常有利於研發納米超細晶硬質合金、梯度硬質合金、硬質合金塗層等新型高性能硬質合金。這些優勢使得硬質合金的發展與微波燒結技術相結合成為一個必然趨勢。

美國賓州大學用微波燒結方法成功製備了WC-Co高性能硬質合金。相比于傳統燒結方式,微波燒結可以在較低的燒結溫度和較短的保溫時間得到相同的收縮程度,燒結試樣在3個維度方向上的收縮程度一致,而傳統燒結方式在垂直方向上的收縮更為顯著;另外,微波燒結試樣具有比傳統燒結試樣更為細小的WC晶粒和更為均勻的Co相分佈;硬度更高,化學腐蝕性能更好。此外,還發現微波燒結試樣的粘結相中幾乎不含W原子,這與傳統燒結試樣粘結相中含有品質分數約為20% W原子的情況十分不同。

高性能硬質合金產品圖片



 























德國多特蒙德大學採用採用W,C和Co混合粉末壓壞來進行微波燒結,相對于傳統工藝將WC和Co混合料壓坯進行燒結,這種工藝不僅將WC粉末的合成與WC-Co壓坯的燒結兩個步驟結合起來,有效地簡化了工藝流程,縮短了硬質合金的生產週期,而且還充分利用了W-C原子之間的碳化反應釋放的熱量,降低了燒結能耗。用該工藝獲得的高性能硬質合金材料更為緻密、組織更加細小,力學性能得到提高。

研究表明,微波純磁場加熱無法完成合金的後期燒結,因為在1100℃以上,合金中的Co會由鐵磁性轉變為順磁性,使能夠吸收微波磁場能量的磁疇瓦解,從而使磁場損耗對升溫的貢獻變弱,合金試樣的燒結溫度無法繼續升高。但是,由於WC-Co硬質合金對微波電磁場的感應主要是以介電損耗的形式,因此,採用純電場和電磁混合場加熱都可以完成合金的全緻密化,而且製備的合金具有良好的力學性能,顯微組織中WC晶粒細小均勻,Co相分佈均勻,形成良好的網格結構。

另外,針對燒結過程中的脫碳問題,有研究表明,通過在混合料中添加炭黑和在填料中添加炭黑的方法可以抑制這種脫碳現象,從而提高微波燒結硬質合金的性能。試驗結果表明:當炭黑添加量為0.4%(品質分數)時,合金的抗彎強度可達2250MPa;在填料中添加炭黑,抗彎強度可以提高到3172 MPa。

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