硬質(zhì)合金制品燒結(jié)工基礎(chǔ)技能培訓手冊手冊一：硬質(zhì)合金制品燒結(jié)工基礎(chǔ)技能培訓手冊工種：硬質(zhì)合金制品燒結(jié)工時間：2023年11月一、硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝概述硬質(zhì)合金燒結(jié)是制造硬質(zhì)合金制品的核心工藝環(huán)節(jié)。這一過程將粉末冶金預制品在高溫下通過壓力或真空環(huán)境進行致密化，從而形成具有高硬度、高耐磨性和高強度的材料。硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝的復雜性在于其涉及多變的工藝參數(shù)和材料特性，需要燒結(jié)工具備扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。1.1硬質(zhì)合金的基本特性硬質(zhì)合金是由硬質(zhì)相（如碳化鎢WC）和粘結(jié)相（如鈷Co）通過粉末冶金工藝制成的復合材料。其基本特性包括：-高硬度：硬質(zhì)合金的硬度可達HRA90以上，遠高于普通鋼材。-高耐磨性：在高溫和高壓環(huán)境下仍能保持優(yōu)異的耐磨性能。-高強度：盡管硬度高，但經(jīng)過適當燒結(jié)的硬質(zhì)合金仍具備良好的抗壓強度。-耐高溫性：部分硬質(zhì)合金可在1000℃以上保持性能穩(wěn)定。1.2硬質(zhì)合金燒結(jié)的必要性硬質(zhì)合金制品的燒結(jié)是必不可少的工藝環(huán)節(jié)。未經(jīng)燒結(jié)的硬質(zhì)合金預制品密度低、強度不足，無法滿足實際應用需求。燒結(jié)的主要作用包括：-提高密度：通過高溫壓力使粉末顆粒緊密接觸，減少孔隙率。-增強結(jié)合力：粘結(jié)相熔化并浸潤硬質(zhì)相，形成牢固的金屬鍵。-優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)：控制燒結(jié)溫度和時間，形成理想的晶粒尺寸和分布。二、硬質(zhì)合金燒結(jié)設(shè)備與原理硬質(zhì)合金燒結(jié)主要依賴真空熱壓爐和普通真空爐。這兩種設(shè)備的工作原理和適用范圍有所不同，需要根據(jù)具體工藝要求選擇合適的設(shè)備。2.1真空熱壓爐真空熱壓爐是硬質(zhì)合金燒結(jié)中應用最廣泛的設(shè)備之一。其基本結(jié)構(gòu)包括：-爐體：采用高溫合金材料制成，可承受1600℃以上的工作溫度。-加熱系統(tǒng)：通常采用電阻絲加熱，通過控溫系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)溫度。-壓力系統(tǒng)：通過液壓或氣動系統(tǒng)施加0.1-10MPa的壓力。-真空系統(tǒng)：配備機械泵和擴散泵，可將爐內(nèi)真空度達到10-4Pa。真空熱壓爐的工作原理是在真空環(huán)境下對硬質(zhì)合金預制品施加壓力并加熱，使粘結(jié)相熔化并填充孔隙，同時硬質(zhì)相發(fā)生固相擴散，最終形成致密的燒結(jié)體。2.2普通真空爐普通真空爐主要用于硬質(zhì)合金的常規(guī)燒結(jié)，其結(jié)構(gòu)與真空熱壓爐相似，但缺少壓力系統(tǒng)。普通真空爐的基本特點包括：-加熱方式：同樣采用電阻絲加熱，控溫精度可達±1℃。-真空度：可達到10-3Pa，滿足大多數(shù)硬質(zhì)合金燒結(jié)需求。-適用范圍：主要用于需要快速升溫或?qū)毫σ蟛桓叩臒Y(jié)工藝。三、硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝參數(shù)控制硬質(zhì)合金燒結(jié)的成功與否取決于多個工藝參數(shù)的精確控制。這些參數(shù)包括溫度、時間、壓力（對于熱壓燒結(jié)）、氣氛和真空度等。3.1溫度控制溫度是硬質(zhì)合金燒結(jié)中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。燒結(jié)溫度直接影響硬質(zhì)合金的致密度、晶粒尺寸和力學性能。一般而言，硬質(zhì)合金燒結(jié)分為以下幾個階段：-升溫階段：從室溫升至固相線溫度，硬質(zhì)相發(fā)生晶格畸變和原子擴散。-兩相區(qū)：硬質(zhì)相和粘結(jié)相開始相互作用，粘結(jié)相逐漸軟化。-液相線：粘結(jié)相完全熔化，形成液相，開始填充孔隙。-冷卻階段：從液相線溫度降至室溫，形成新的相界和微觀結(jié)構(gòu)。理想的燒結(jié)溫度通常比粘結(jié)相的熔點高50-100℃，以確保充分的致密化和結(jié)合力。對于鈷基硬質(zhì)合金，常用燒結(jié)溫度范圍在1300-1450℃之間。3.2時間控制燒結(jié)時間同樣對硬質(zhì)合金的性能有重要影響。過短的時間會導致燒結(jié)不完全，孔隙率較高；過長的時間則可能導致晶粒過度長大，降低韌性。燒結(jié)時間的確定需要考慮以下因素：-預制品尺寸：尺寸越大，所需時間越長。-粉末粒度：粒度越細，擴散越快，所需時間越短。-設(shè)備性能：加熱均勻性和真空度會影響實際燒結(jié)時間。一般情況下，硬質(zhì)合金燒結(jié)時間在1-3小時之間，具體數(shù)值需要通過實驗確定。3.3壓力控制對于熱壓燒結(jié)，壓力是影響致密化的關(guān)鍵因素。適當?shù)膲毫梢允褂操|(zhì)合金預制品在燒結(jié)過程中保持形狀，同時提高致密度。壓力的選擇需要考慮以下因素：-材料特性：不同硬質(zhì)合金的粘結(jié)相熔點和流動性不同，需調(diào)整壓力。-預制品形狀：復雜形狀可能需要更高的壓力保持成型。-設(shè)備能力：真空熱壓爐的壓力范圍有限，需合理選擇。常用熱壓燒結(jié)壓力為2-5MPa，過高或過低都會影響最終性能。3.4真空度控制真空環(huán)境可以防止氧化和其他氣相污染，是硬質(zhì)合金燒結(jié)的必要條件。真空度的控制要點包括：-升溫前抽真空：確保爐內(nèi)無空氣，防止氧化。-燒結(jié)過程中維持真空：避免真空度下降導致空氣進入。-冷卻階段保持真空：防止冷卻過程中產(chǎn)生氣相析出。理想的真空度應達到10-4Pa以上，具體要求取決于燒結(jié)溫度和材料純度。四、硬質(zhì)合金燒結(jié)缺陷與預防硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中可能出現(xiàn)多種缺陷，如孔隙率過高、晶粒粗大、偏析、氧化等。識別這些缺陷并采取相應的預防措施是燒結(jié)工的重要職責。4.1孔隙率過高孔隙率過高會導致硬質(zhì)合金強度和耐磨性下降。主要原因及預防措施包括：-粉末質(zhì)量問題：選擇低雜質(zhì)、高純度的粉末，減少燒結(jié)過程中氣體析出。-預制品密度不足：優(yōu)化壓制成型工藝，提高預制品密度。-燒結(jié)不完全：調(diào)整溫度和時間，確保充分致密化。4.2晶粒粗大晶粒粗大會降低硬質(zhì)合金的韌性，容易發(fā)生脆性斷裂。主要原因及預防措施包括：-燒結(jié)溫度過高：適當降低燒結(jié)溫度，避免晶粒過度長大。-保溫時間過長：縮短保溫時間，防止晶粒持續(xù)長大。-冷卻速度不當：采用緩慢冷卻，避免相變應力導致晶粒破碎。4.3偏析偏析是指硬質(zhì)相和粘結(jié)相在燒結(jié)過程中發(fā)生分離，導致材料性能不均勻。預防偏析的主要措施包括：-控制加熱速度：避免快速升溫導致元素擴散不均。-優(yōu)化粉末混合：確保硬質(zhì)相和粘結(jié)相均勻混合。-采用擴散退火：在燒結(jié)前進行擴散退火，提高元素均勻性。4.4氧化氧化會降低硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性，甚至形成脆性相。預防氧化的主要措施包括：-真空度足夠：確保爐內(nèi)真空度達到要求，防止空氣進入。-快速升溫：減少在室溫至1000℃之間的停留時間。-爐襯材料選擇：采用低蒸氣壓的爐襯材料，減少氣體污染。五、硬質(zhì)合金燒結(jié)后處理硬質(zhì)合金燒結(jié)后的后處理工藝對最終性能同樣重要。常見的后處理包括冷卻、檢驗和表面處理等。5.1冷卻工藝冷卻工藝直接影響硬質(zhì)合金的相結(jié)構(gòu)和力學性能。一般采用分段冷卻，具體步驟包括：-快速冷卻：從液相線溫度降至500℃，防止晶粒長大。-等溫處理：在兩相區(qū)等溫，促進相平衡，減少應力。-緩慢冷卻：從500℃降至室溫，避免相變應力。5.2性能檢驗燒結(jié)后的硬質(zhì)合金需要進行嚴格檢驗，確保符合質(zhì)量要求。檢驗項目包括：-硬度測試：采用顯微硬度計測量不同部位的硬度，確保均勻性。-金相分析：觀察晶粒尺寸、相分布和缺陷情況。-密度測量：采用阿基米德法測量致密度，確保達到要求。5.3表面處理部分硬質(zhì)合金制品需要進行表面處理，如拋光、涂層等。表面處理的主要目的是提高外觀質(zhì)量和耐腐蝕性。六、安全操作規(guī)程硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝涉及高溫、高壓和真空等危險因素，必須嚴格遵守安全操作規(guī)程。6.1設(shè)備檢查每次使用前必須檢查設(shè)備狀態(tài)，包括：-爐體密封性：確保真空系統(tǒng)密封良好，防止漏氣。-加熱系統(tǒng)：檢查電阻絲和控溫裝置，確保加熱均勻。-壓力系統(tǒng)：檢查液壓或氣動裝置，確保壓力穩(wěn)定。6.2個人防護操作人員必須穿戴適當?shù)膫€人防護裝備，包括：-高溫防護服：防止燙傷。-防護眼鏡：防止飛濺物傷害。-真空手套：防止真空吸力傷害。6.3應急處理制定應急預案，應對可能發(fā)生的意外情況，如：-真空突然下降：立即停止加熱，檢查漏氣部位。-爐溫失控：緊急冷卻，防止設(shè)備損壞。-人員受傷：立即停止操作，進行急救并報告。七、質(zhì)量控制與改進硬質(zhì)合金燒結(jié)的質(zhì)量控制是一個持續(xù)改進的過程。通過收集和分析數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。7.1數(shù)據(jù)記錄詳細記錄每次燒結(jié)的工藝參數(shù)和結(jié)果，包括：-溫度曲線：記錄升溫、保溫和冷卻的溫度變化。-時間記錄：精確記錄各階段的時間。-檢測結(jié)果：記錄硬度、密度和金相分析結(jié)果。7.2問題分析針對出現(xiàn)的質(zhì)量問題，采用魚骨圖或5Why法分析根本原因，制定改進措施。7.3工藝優(yōu)化通過實驗設(shè)計（DOE）等方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。八、總結(jié)硬質(zhì)合金燒結(jié)是制造高性能硬質(zhì)合金制品的關(guān)鍵工藝。作為燒結(jié)工，需要掌握扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，嚴格控制工藝參數(shù)，預防缺陷發(fā)生，并持續(xù)改進工藝，確保產(chǎn)品質(zhì)量。通過不斷學習和實踐，才能成為一名優(yōu)秀的硬質(zhì)合金燒結(jié)工。---手冊二：硬質(zhì)合金制品燒結(jié)工高級技能培訓手冊工種：硬質(zhì)合金制品燒結(jié)工時間：2023年12月一、硬質(zhì)合金燒結(jié)的微觀機制與控制硬質(zhì)合金燒結(jié)不僅是物理過程，更涉及復雜的微觀機制。深入理解這些機制有助于更精確地控制燒結(jié)過程，優(yōu)化最終性能。本部分將從原子擴散、相變和界面行為等方面探討硬質(zhì)合金燒結(jié)的微觀機制。1.1原子擴散機制原子擴散是硬質(zhì)合金燒結(jié)的基礎(chǔ)，直接影響致密化和微觀結(jié)構(gòu)演變。主要擴散機制包括：-空位擴散：通過晶格空位的移動實現(xiàn)原子遷移，是高溫燒結(jié)的主要機制。-間隙擴散：原子占據(jù)晶格間隙位置，適用于小尺寸原子（如C、N）。-晶界擴散：通過晶界快速擴散，是低溫和中期燒結(jié)的主要機制。擴散速率受溫度、濃度梯度和晶格匹配等因素影響。例如，鎢原子在鈷基中的擴散比碳化鎢顆粒間的擴散快得多，這解釋了粘結(jié)相對硬質(zhì)相的浸潤能力。1.2相變動力學硬質(zhì)合金燒結(jié)涉及多個相變過程，包括粘結(jié)相的熔化和凝固、硬質(zhì)相的固相轉(zhuǎn)變等。相變動力學對最終性能有決定性影響。例如，鈷在高溫下會發(fā)生晶格畸變，影響與WC的界面結(jié)合。相變動力學可以用Johnson-Mehl-Avrami方程描述：\[X=1-exp(-kt^n)\]其中X為轉(zhuǎn)變分數(shù)，k和n為動力學參數(shù)。通過控制升溫速率和保溫時間，可以調(diào)控相變進程，避免因相變應力導致的裂紋。1.3界面行為硬質(zhì)相與粘結(jié)相的界面行為是影響結(jié)合力的關(guān)鍵。理想界面應形成牢固的金屬鍵，同時保持一定的韌性。實際界面可能存在以下問題：-擴散層形成：粘結(jié)相向硬質(zhì)相擴散，形成富鈷層，影響界面強度。-氧化物生成：高溫下可能形成TiO2或Cr2O3等氧化物，降低結(jié)合力。-相分離：長期高溫可能導致元素偏析，形成富鈷或富碳化鎢區(qū)域。通過添加合金元素（如Ni、Mo）或調(diào)整粉末混合工藝，可以改善界面行為，提高結(jié)合力。二、特殊硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝除了常規(guī)的鈷基硬質(zhì)合金，còncónhi?ulo?i??cbi?tnh?cermets(ceramic-matrixcomposites)vàcách?pkimc?ng?akimlo?i.Eachtypehasunique燒結(jié)requirementsthatmustbecarefullycontrolled.2.1鈷鉻鎢硬質(zhì)合金鈷鉻鎢硬質(zhì)合金（如含Cr6W2C）相比傳統(tǒng)鈷基合金具有更高的高溫硬度和抗氧化性。其燒結(jié)工藝要點包括：-更高燒結(jié)溫度：通常需要達到1400-1500℃，以確保Cr6W2C相充分形成。-合金元素控制：添加Ni或Mo可以改善高溫性能，但需平衡成本。-抗氧化處理：在燒結(jié)前進行表面涂層，防止高溫氧化。2.2細晶硬質(zhì)合金細晶硬質(zhì)合金通過粉末納米化或特殊熱處理工藝獲得，具有優(yōu)異的韌性和耐磨性。其燒結(jié)難點在于：-晶粒細化控制：燒結(jié)溫度過高會導致晶粒粗化，失去細晶優(yōu)勢。-應力控制：細晶材料更敏感于相變應力，易產(chǎn)生裂紋。-均勻性保證：確保整個制品晶粒尺寸均勻，避免局部粗化。2.3納米晶硬質(zhì)合金納米晶硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相晶粒尺寸在100nm以下，具有超塑性。其燒結(jié)工藝需要特別注意：-低溫燒結(jié)：通過添加低熔點元素（如Ni）實現(xiàn)低溫燒結(jié)，避免晶粒長大。-真空度要求高：防止納米顆粒團聚或氧化。-機械合金化預處理：通過機械合金化提高粉末均勻性，減少燒結(jié)缺陷。三、燒結(jié)工藝的數(shù)值模擬現(xiàn)代燒結(jié)工藝越來越多地采用數(shù)值模擬技術(shù)，預測和優(yōu)化工藝參數(shù)。主要模擬方法包括：3.1有限元分析（FEA）FEA可以模擬燒結(jié)過程中的溫度場、應力場和致密化進程。關(guān)鍵步驟包括：-建立模型：根據(jù)制品幾何形狀建立三維模型。-材料屬性輸入：輸入各相的熱膨脹系數(shù)、熱導率和擴散系數(shù)。-邊界條件設(shè)置：設(shè)定溫度、壓力和真空度等邊界條件。-結(jié)果分析：觀察溫度分布、應力分布和致密化曲線。FEA可以幫助識別潛在的熱點區(qū)域和應力集中點，優(yōu)化工藝參數(shù)，防止缺陷。3.2相場模擬相場模擬用于描述多相材料的相變過程，特別適用于描述硬質(zhì)相和粘結(jié)相的界面演化。相場模型的基本方程為：\[\frac{\partialf}{\partialt}=M\nabla^2f-\Gamma(f_{eq}-f)\]其中f為相場函數(shù)，f_eq為平衡相場函數(shù)，Γ為界面遷移率。通過相場模擬可以預測晶粒生長過程，優(yōu)化燒結(jié)工藝。四、燒結(jié)缺陷的高級分析除了常規(guī)缺陷，高級燒結(jié)技術(shù)可能引入新的問題，需要更精細的分析方法。4.1微裂紋形成機制微裂紋是硬質(zhì)合金燒結(jié)中的常見問題，尤其對于大尺寸制品。形成機制包括：-熱應力：不同相的熱膨脹系數(shù)差異導致熱應力。-相變應力：粘結(jié)相凝固過程中的體積收縮。-機械應力：壓制或裝爐過程中的應力殘留。通過X射線衍射（XRD）和聲發(fā)射（AE）技術(shù)可以檢測微裂紋的形成和發(fā)展。4.2元素偏析的高級表征元素偏析不僅影響微觀結(jié)構(gòu)，還可能改變電化學行為，影響耐腐蝕性。高級表征技術(shù)包括：-掃描電鏡能譜（EDS）：逐點分析元素分布。-電子背散射譜（EBSD）：分析晶粒取向和元素分布關(guān)系。-激光誘導擊穿光譜（LIBS）：快速原位分析元素分布。通過這些技術(shù)可以精確識別偏析區(qū)域，優(yōu)化粉末混合工藝。五、燒結(jié)工藝的智能化控制隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，硬質(zhì)合金燒結(jié)工藝越來越多地采用智能化控制系統(tǒng)。主要技術(shù)包括：5.1溫度場的智能控制傳統(tǒng)控溫系統(tǒng)難以應對復雜溫度需求，智能控溫系統(tǒng)通過以下方式提高精度：-紅外測溫：實時監(jiān)測表面溫度，調(diào)整加熱功率。-多區(qū)控溫：根據(jù)制品形狀設(shè)置多個控溫區(qū)，確保溫度均勻。-自適應控制：根據(jù)實時數(shù)據(jù)調(diào)整加熱曲線，補償環(huán)境變化。5.2真空度的實時監(jiān)測真空度波動是燒結(jié)失敗的重要原因，智能真空系統(tǒng)通過以下方式提高穩(wěn)定性：-實時真空計：連續(xù)監(jiān)測真空度，及時補抽。-自動放氣閥：檢測并排除爐內(nèi)殘余氣體。-真空度預測模型：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預測真空度變化趨勢。六、燒結(jié)工藝的經(jīng)濟性與環(huán)保性現(xiàn)代燒結(jié)工藝不僅追求性能，還要考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性。主要措施包括：6.1能源效率提升通