超细钨粉在硬质合金领域的优势

目前在硬质合金领域钴粉是硬质合金应用最广泛的粘结金属,钴粉性能对合金性能有很大的影响,使用超细钴粉的硬质合金不仅降低了孔隙度, 避免钴池的出现, 而且由于WC外表粘着一层钴, 有利于隔开WC晶粒, 这些都有利于提高硬质合金的综合性能。采用超细纳米级粒度的球形钴粉不仅可以降低合金的烧结致密化温度从而抑制WC晶粒异常长大,同时能够减少球磨混合时间,改善合金中的钴相分布,有助于获得高性能的超细和纳米晶W-Co硬质合金。超细钴粉相对中、粗钴粉,它具备以下几个优势:
1、减少压制压力:压坯压力随钴粉粒度的增粗而增大 而且钴粉粒度越粗压力增加的趋势越明显。这是因为越粗的钴粉势必造成钴粉的加工硬化现象越严重 从而使压制压力迅速提高。
钴粉粒度对压制压力的影响图片
2、促使硬质合金烧结致密化:根据粉末冶金烧结理论,原料Co粉的细化可以赋予Co粉更高活性,因此可以促进其物质迁移行为在较低的温度下更充分地发生,达到促使硬质合金烧结致密化完成的目的。
 
3、超细Co粉对细WC晶粒长大控制的意义:超细W-Co硬质合金生产中采用超细Co粉,有可能将合金烧结过程中合金致密化发生的温度降低到接近或低于WC晶粒长大临界温度,使合金的致密化过程提前到严重早期晶粒长大发生之前完成,从而抑制甚至避免细WC-Co硬质合金早期晶粒长大。
 
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还原工艺对钴粉的粒度影响

采用氢还原草酸钴生产钴粉的过程中,原料粒度、原料含水量、还原温度、氢气流量及纯度、推舟速度和装舟量等这些还原工艺对钴粉粒度会有显著影响。其中如还原温度、氢气流量等工艺参数的影响尤为显著。
 
1.还原温度对钴粉粒度的影响:
还原温度对钴粉粒度的影响图片
还原温度越高, 钴粉的费氏粒度越大, 表明钴粉的粒度越粗。这是因为温度高, 还原反应的速度加快, 但随着温度的不断升高, 钴粉颗粒之间互相烧结及熔化的析出作用增加, 导致钴粉颗粒长大。反之, 还原温度越低, 则钴粉的费氏粒度粒度越小。
2、氢气流量对钴粉粒度的影响:
氢气流量对钴粉粒度的影响图片
氢气流量小,钴粉粒度则粗;氢气流量大,钴粉粒度则细。这是因为氢气流量增大, 反应向右移动,还原速度加快的缘故。但当氢气流量大于2.5m3/h时,再增大氢气流量, 钴粉粒度不再继续减小。氢气湿度小,则水蒸气分压低,所以,当氢气流量大或氢气湿度小时能加速还原反应过程;相反,当氢气流量小或氢气草酸钴的粒度细,则其松装密度ρ松小,不同ρ松的草酸钴制取的钴粉的粒度不同。从图1可以看出草酸钴的粒度粗,即钴粉的松装密度ρ松大,则钴粉的FSSS大,表明钴粉的粗度粗。
 
3、推舟速度对钴粉粒度的影响:
实际生产中,随着推舟速度的减慢,钴粉的费氏粒度粒度增大,表明钴粉的粒度增大。这是因为随着推舟速度的减慢,物料在炉内停留的时间变长,使还原好的粉末颗粒互相烧结而变粗。另一方面,一次推舟个数对钴粉的均匀性也有很大影响,一次推一舟比一次推多舟生产的钴粉粒度要均匀一些。这是因为炉内温度分段,各段的温度有所不同,而且同一段的温度也有不均匀。
 
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硬质合金混合料(RTP)成分

混合料是硬质合金的粉末原料,它的质量好坏直接关系到硬质合金产品的质量好坏。
 
混合料是由各种硬质相(主要是难熔金属碳化物、氮化物)、粘结金属(Co/Fe/Ni)、成型剂(石蜡/PEG/橡胶等)及添加剂(VC、Cr3C2、C、W等)组成的粒状混合物,也叫作RTP(Ready To Press Powder)。
RTP图片
硬质相使合金具有较高的硬度和耐磨性。主要有WC、NbC、TaC、TiC、ZrC、HfC、TiCN、TiN等,其中WC最为常见。
 
粘结金属:Co/Fe/Ni,使合金在烧结时致密化,为合金提供韧性、强度等。
 
成型剂:保证必要的压坯强度,改善混合料流动性,提高压坯密度及密度均匀性,防止混合料氧化,主要有石蜡、PEG(聚乙二醇)、橡胶这三种。
 
添加剂:
1、TiC:提高硬质合金耐磨、抗氧化性和抗月牙洼磨损能力。
2、Cr3C2、VC:晶粒生长抑制剂,降低合金性能对烧结温度、时间的敏感性,改善切削性能
3、TaC/NbC:提高高温性能,如高温强度等。
4、C、W常作为硬质合金中碳平衡的添加剂。
5、表面活性剂:作为球磨助剂使用,常用的有油酸、硬脂酸、十六醇、甲基丙烯酸十八酯、十八胺等。
 
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硬质合金混合料(RTP)制备流程

混合料制备的目的:
1、使粉末原料具有一定的化学成分及粒度组成。
2、使各组元混合均匀,使粉末具有良好的成形和烧结性能。
 
目前,国内混合料制备的主要方法有两种:一种是湿磨-机械制粒生产工艺;一种是湿磨-喷雾干燥生产工艺。前一种方法设备简单,但工序较长,干燥与制粒需由两个工序分开完成,物料易氧化、脏化,而且生产自动化水平低,产量低,所生产的混合料质量较差。后一种方法投资大,设备复杂,但生产自动化水平高,生产出的混合料流动性能好,松装密度稳定,粒度分布均匀,产量大,能满足高质量、高性能、大批量硬质合金生产的需要。
RTP制备流程图片
制备流程:
1、配料:按照合金牌号要求,选取相应原料按比例配合。原则:(1)原辅材料必须符合技术条件的要求且严格按合金成分配料。(2)按合金组织晶粒度要求选择原料的粒度。
2、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。湿磨主要有以下四个作用:混合作用、破碎作用、增氧作用、活化作用。湿磨主要设备是球磨机。
3、喷雾干燥:就是将湿磨后的料浆中的固体粉末与湿磨介质分离,干燥制粒的过程。主要用到的设备是喷雾干燥塔。
 
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硬质合金碳化物添加剂的作用

自用碳化钨与铁族金属生产硬质合金的专利发明以来,人们就不断地改变着硬质合金的成份以适应不同的需求。为了细化晶粒就要添加晶粒长大抑制剂;要提高合金的抗腐蚀能力就要添加耐腐蚀成份;要改变合金的性能人们尝试添加稀土金属高熔点金属等等。各种添加剂的添加量很少却显著地改变了硬质合金的性能。
 
向硬质合金中加入的碳化物添加剂作用主要是:(1)降低合金对烧结温度波动的敏感性和对碳量变化的敏感性, 阻止碳化物晶粒的不均匀长大;(2)改变合金的相成分, 从而改善合金的结构和性能。
 
一、抑制WC晶粒长大
硬质合金的机械性能与WC的粒度及合金的成份密切相关。一般认为当晶粒度由微米级降至亚微米级WC合金的硬度断裂韧性冲击韧性可明显改善,但要制取WC晶粒度小于亚微米的硬质合金肯定会碰到困难,原始WC粉末越细其表面积越大活性也就越大在烧结过程中更易于长大为了防止在烧结过程WC晶粒长大通常使用各种抑制晶粒长大的添加剂,其中以添加各种碳化物最普遍。主要有VC、Cr3C2、NbC、TaC等,其抑制效果顺序如下:
VC>Cr3C2>NbC>TaC>Mo2C>TiC>ZrC/HfC
 
二、改善性能
除该改善粒度外,碳化物添加剂可以改善硬质合金的高温红硬性、高温强度和抗氧化性等。在硬质合金中添加Cr3C2、VC可提高合金的切削性能;在合金中添加少量的TaC可提高合金的抗氧化性能, 显著提高合金的耐磨性;在合金中添加Cr3C2、TaC、TiC等可提高合金的抗腐蚀性能。
难熔碳化物性能图片
 
 
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