对合金等离子烧结探索 对合金等离子烧结探索 对合金等离子烧结探索 精品源自地理科 1 试验
1. 1 试验材料
试验所用材料为商用 GT35 钢结硬质合金粉末,其化学成分如表 1 所示。 1. 2. 1 试验方法 1. 2. 2 性能测试 2 结果与分析
2. 1 GT35 钢结硬质合金的烧结工艺优化 2. 2 烧结温度对 GT35 钢结硬质合金性能的影响
图 2 为烧结温度对 GT35 钢结硬质合金的致密度和硬度的影响。可见,随着烧结温度的升高,材料的致密度呈先增后降的趋势,960℃在 70 MPa 压力下烧结 5min 时致密度达到最大值,为 99. 53%,而在此之后随着温度的升高,材料的致密度开始下降。因为利用放电等离子烧结技术制备双金属复合材料,复合材料的形成机理是固-固扩散反应和固-液界面固溶-沉淀反应的混合机制[10]。一方面,随着烧结温度的升高,烧结的驱动力逐渐增大,粉末颗粒间相互结合速度加快,颗粒间的微小空隙被迅速填充,吸附在粉末颗粒表面的气体也大量逸散出来,对烧结致密化有利; 另一方面是由液相烧结的特性决定的,因为致密化能否进行彻底,取决于同液相性质相关的 3 个条件[11]: 液相对增强相颗粒的表面润湿性; 增强相颗粒在液相中的溶解度; 烧结温度下的液相量。随着烧结温度的升高,液相量增加,润湿性得到改善,利于硬质相 TiC 与基体 Cr-Mo 钢的结合; 液相与硬质相之间存在着的溶解-析出过程得到加剧,利于物质的迁移与扩散,使烧结试样内的孔隙减少,有利于加快致密化进程,提高烧结体的致密度; 随着烧结温度的升高,致密化进程接近完成,在 960℃时达到最大; 但由于是有压真空烧结,继续升高温度,会造成熔点较低、密度较大的基体 Cr-Mo 钢的挥发和外溢,造成“渗漏”或者“流汤”,所以,在 980℃时材料的致密度反而下降。另外,“渗漏”或者“流汤”现象的出现,也可能使硬质相骨架被冲垮,影响合金的成分与性能。从图中还可以看出材料的硬度和致密度呈相同的变化趋势。材料中的孔隙对外部压力的抵抗力低,所以孔隙度低的致密材料具有较高的硬度。因而,随着材料致密度的变化,材料的硬度也呈现先增加后降低的趋势。
2. 3 烧结时间对 GT35 钢结硬质合金性能的影响
图 3 为烧结时间对 GT35 钢结硬质合金性能的影响。可以看出,烧结时间小于 5min 时,延长烧结时间有利于致密度的提高; 而超过 5min,致密度反而有所下降。这是由于在烧结初期,粉末颗粒在脉冲能、放电脉冲压力以及焦耳热的共同作用下,表面迅速活化,粉末颗粒快速结合在一起,粉末颗粒间的空隙在脉冲电压的作用下被击穿,吸附在粉末颗粒表面以及空隙中的气体逸散出来,有利于烧结的致密化进程。烧结时间达到一定值之前,液相量随烧结时间的延长而增加,有利于物质的扩散和迁移,使致密化进程加快。但若继续延长烧结时间,就可能导致因电流集中而提前产生的液相量过多,在压力作用下被挤出模具。由于 GT35 钢结硬质合金中的硬质相 TiC 熔点较高,被挤出模具的液相绝大部分是钢基体材料,最后烧成的样品中的硬质相的相对含量超过 35%,硬质相 TiC 的密度相对较低,为4. 92g / cm3,所以测算的相对密度也有所下降; 也可能是烧结时间的延长导致溶解-析出过程加剧,硬质相颗粒长大等现象,使烧结体的致密度下降。硬度随烧结时间的变化规律与致密度随烧结时间的变化规律相似,烧结时间为 5min 时硬度达到最大值。硬度受致密度的影响,在 0 ~5min 范围内,材料的硬度上升; 之后随烧结时间的延长,复合材料的硬度下降。
2. 4 烧结压力对 GT35 钢结硬质合金性能的影响
图 4 为烧结压力对 GT35 钢结硬质合金性能的影响。可以看出,随着烧结压力的增加,烧结体的致密度和硬度都呈现逐渐增加的趋势。在本试验中,由于石墨模具的承受力有限,所以采用的最高压力为 70MPa。随施加压力的增大,烧结体的致密度和硬度都呈上升趋势,这是因为压力较低时,试样中孔隙较多,烧结难以进行彻底; 随着所加压力的增大,粉末颗粒间的接触面积增大,试样就越密实,通过SPS 瞬时产生的放电等离子使颗粒表面活化和均匀地自身发热,表面扩散的物质传递得到了促进,并且由于晶粒受脉冲电流和垂直单向压力的作用,体扩散、晶界扩散也都得到加强,有利于烧结的快速完成,缩短烧结时间,有助于烧结体的致密化[6],所以增大烧结压力会提高烧结试样的致密度。硬度受致密度的影响随之产生相似的变化。
2. 5 GT35 钢结硬质合金的显微组织
从表 4 中可以看出,5#试样的致密度和硬度最高,性能最好。图 5 为 5#试样的金相显微组织。白色颗粒状为硬质相 TiC,黑色相为珠光体和小颗粒状碳化物[12]。由图可知,合金 TiC 骨架部分及基体钢结部分组织分布均匀。传统方法烧结的 GT35 钢结硬质合金中 TiC 偏聚长大现象严重,还有复杂碳化物相( 即所谓的桥接相) 的生成。而采用放电等离子烧结的 GT35 钢结硬质合金,由于烧结时间短,晶粒来不及长大,所以这些现象都不存在。图6 为5#试样的扫描电镜形貌照片。灰色颗粒为 TiC 相,大部分颗粒尺寸为3 ~5μm,较均匀地分布在钢基体中。
3 结论
1) 在影响烧结体的致密度和硬度的因素中,烧结温度是最主要的因素,其次是烧结压力,烧结时间的影响相对最小。
2) 随烧结温度的升高、烧结时间的延长,GT35钢结硬质合金的致密度和硬度均呈先增加后降低的趋势; 随烧结压力的增大,烧结体的致密度和硬度都呈逐渐增加的趋势; SPS 制备 GT35 钢结硬质合金的最佳工艺为 960℃ ×5min ×70MPa。
3) SPS 最佳工艺制备的 GT35 钢结硬质合金的致密度可达 99. 53%,硬度达到 73. 5HRC,晶粒细小,组织均匀。
