微波烧结技术制备高性能硬质合金

硬质合金钻头图片

在各种烧结技术中,微波加热具有加热速度快、整体加热、选择性加热以及非热效应等传统热传导加热方式所不具备的特点。硬质合金(WC-Co)粉末压坯对微波具有良好的耦合吸收作用,微波在混合料压坯中的穿透深度很大,所以,用微波烧结技术制备硬质合金具有传统热传导加热制备

方式无法比拟的优势。这些优势表现在以下几个方面:1,微高性能波加热的快速性、整体性不仅能够大幅度地缩短制备周期和降低烧结温度,简化工艺过程,而且可以制备出显微组织均匀、晶粒细小的材料。2,由于微波的能量利用率高及其环境友好特性,所以能够以更低的成本和更少的环境污染创造出更大的经济价值。3,微波加热的特点非常有利于研发纳米超细晶硬质合金、梯度硬质合金、硬质合金涂层等新型高性能硬质合金。这些优势使得硬质合金的发展与微波烧结技术相结合成为一个必然趋势。

美国宾州大学用微波烧结方法成功制备了WC-Co高性能硬质合金。相比于传统烧结方式,微波烧结可以在较低的烧结温度和较短的保温时间得到相同的收缩程度,烧结试样在3个维度方向上的收缩程度一致,而传统烧结方式在垂直方向上的收缩更为显著;另外,微波烧结试样具有比传统烧结试样更为细小的WC晶粒和更为均匀的Co相分布;硬度更高,化学腐蚀性能更好。此外,还发现微波烧结试样的粘结相中几乎不含W原子,这与传统烧结试样粘结相中含有质量分数约为20% W原子的情况十分不同。

高性能硬质合金产品图片
德国多特蒙德大学采用采用W,C和Co混合粉末压坏来进行微波烧结,相对于传统工艺将WC和Co混合料压坯进行烧结,这种工艺不仅将WC粉末的合成与WC-Co压坯的烧结两个步骤结合起来,有效地简化了工艺流程,缩短了硬质合金的生产周期,而且还充分利用了W-C原子之间的碳化反应释放的热量,降低了烧结能耗。用该工艺获得的高性能硬质合金材料更为致密、组织更加细小,力学性能得到提高。

研究表明,微波纯磁场加热无法完成合金的后期烧结,因为在1100℃以上,合金中的Co会由铁磁性转变为顺磁性,使能够吸收微波磁场能量的磁畴瓦解,从而使磁场损耗对升温的贡献变弱,合金试样的烧结温度无法继续升高。但是,由于WC-Co硬质合金对微波电磁场的感应主要是以介电损耗的形式,因此,采用纯电场和电磁混合场加热都可以完成合金的全致密化,而且制备的合金具有良好的力学性能,显微组织中WC晶粒细小均匀,Co相分布均匀,形成良好的网格结构。

另外,针对烧结过程中的脱碳问题,有研究表明,通过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这种脱碳现象,从而提高微波烧结硬质合金的性能。试验结果表明:当炭黑添加量为0.4%(质量分数)时,合金的抗弯强度可达2250MPa;在填料中添加炭黑,抗弯强度可以提高到3172 MPa。

 

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