低壓燒結

‘低壓燒結’的“低壓”是相對‘熱等靜壓’的壓力來說的，二者都是在等靜壓力下燒結，前者的壓力約為5Mpa左右，後者的壓力高達70～100MPa。低壓燒結是在真空燒結和熱等靜壓的基礎上發展起來的，以前的理念認為，在燒結溫度下消除合金中的孔隙需要較大的壓力，後來試驗發現，在燒結溫度下，較低的壓力同樣可以消除合金內的孔隙，而且可以避免因高壓而在合金中造成‘鈷池’的缺陷。低壓燒結使合金能獲得比經熱等靜壓處理的合金更好的綜合性能。

基本介紹

• 中文名：低壓燒結
• 屬性：等靜壓力下燒結
• 壓力：5Mpa左右
• 類型：燒結

工藝流程

裝料→抽真空→升溫至400C→升溫至1200C→升溫至液相燒結溫度→充Ar加壓→保溫加壓→降壓冷卻→卸料。

熱等靜壓燒結與低壓燒結的比較：熱等靜壓設備因採用‘高壓’而昂貴，低壓燒結設備因採用‘低壓’，帶來設備造價的大幅降低，使低壓燒結爐能很快普及，現已成為生產高、中檔硬質合金的常規生產設備。

作用

低壓燒結爐兼容了脫蠟、真空燒結、低壓燒結、低壓處理、氣氛燒結等多項功能。前主要用於：壓製品的低壓燒結；燒結產品的低壓處理；壓製品的調碳燒結。

低壓燒結的主要功能是減少硬質合金中的顯微孔隙。燒結體內的孔隙在真空燒結階段已經消除。加壓階段主要是消除顯微孔隙。

低孔隙是高質量硬質合金的重要標誌，在生產中儘量降低硬質合金中的孔隙，是硬質合金工作者的主要追求之一。

硬質合金緻密化與毛細管力、液相對固相的濕潤性和液體的表面張力都有著息息相關的關聯，在燒結過程中隨著溫度升高，當出現液相時，由於毛細管壓力，使液相向WC表面移動，由於液相對WC相有很好的濕潤性，使液相很好的附在WC表面，由於液相的表面張力，驅使被液相包裹的WC移動，強烈的收縮就此發生。在被液相包裹的WC移動，收縮的過程中，存在於壓塊中的氣體被排出，由於液相的流動，有一部分燒結體內的孔隙被液相封閉，隨著收縮的增強，封閉孔隙內產生壓力，當表面張力等於或小於孔隙內壓力時，封閉孔隙在合金中被保存下來，形成顯微孔隙。

減少顯微孔隙

真空燒結過程，燒結體內形成的顯微孔隙，如下圖7-6所示，孔隙外受液體表面張力的作用，孔隙內腔的氣體則產生一個反向力，當孔隙外液體的表面張力小於等於孔隙內腔的氣體壓力時，孔隙則保持穩定。要使溶有WC的γ相和夾有WC的液相沿毛細管滲入孔隙，孔隙外面的壓力一定要大於內部的壓力。也就是說減少或消除孔隙，就要給液相施加一個壓力，使孔隙外面的壓力大於孔隙內的壓力。

孔洞收縮時的受力狀況

試驗表

明，低壓燒結過程的收縮發生在加壓和卸壓過程，如下圖7-25所示。

圖7-25示出低壓燒結過程YG10x燒結體的收縮情況，在加壓之前，合金收縮遵循前面所述的合金在真空燒結時的收縮規律，合金收縮分別在800C、1200C，約3MPa時，合金也出現一個收縮小峰值，有人認為是Ar氣從合金表層逸出，其孔隙被液相填充，引起產品收縮。而保壓階段因低壓燒結引起的收縮很小。

低壓燒結過程收縮率與壓力的關係

圖7-26示出YG6x、YG10x、YG16x燒結體，在低壓燒結過程，收縮率與壓力的關係，三個牌號的產品，均在加壓過程接近最大壓力前出現收縮峰值。同樣，三個牌號的產品均在卸壓階段出現收縮峰值。

給液相施加一個多大的壓力比較合適。

有研究者認為，施加給液相的壓力P小於或等於晶粒之間的毛細管力Pr，壓力過大會使液體粘結相進入合金的空洞內，形成“鈷池”。即P≤Pr。

P1=2γcosθ/r.

γ為 WC液相表面張力，1400C時，γ≌2000dyn/cm。鈷對WC的濕潤角θ=0，故cosθ=1

即P1=2000×2/r

γ為WC晶粒之間的毛細管半徑，為鈷層厚度的1/2，即P1與合金的鈷層百度有關。即晶粒相同時，P1隨合金鈷含量增加而降低，如圖7-27所示。鈷含量相同，P1隨合金WC的晶粒度降小而增大。一般情況，鈷含量大於8%的中、粗硬質合金的燒結壓力，在2～2.5MPa之間就可以消除殘留孔隙。鈷含量小於8%的中晶硬質合金，燒結壓力約5MPa才能消除殘留孔隙。

碳含量對YG16合金硬度的影響

同一合金中鈷層厚度不一樣，鈷層厚處其毛細管半徑比平均值大，毛細管力就小，鈷層薄處其毛細管半徑比平均值小，毛細管力就大。

低壓燒結只有先升溫，經液相燒結充分收縮後再加壓才能消除燒結體內微孔隙。為確保緻密效果及合金組織結構的均勻，低壓燒結過程必須在液相出現之後才能加壓。若採用先加壓後升溫則不能消除燒結孔隙。

施加壓力的氣體介質，儘管純度高，還是含有程度不等的水、氧、含碳氣體等，低壓燒結的壓力比真空燒結大幾十倍，相同氧或碳含量的加壓氣體，低壓燒結時氧或碳的數量就要大幾十倍，影響合金脫碳或滲碳就大得多。

從理論上講，低壓燒結的產品孔隙減小，與真空燒結產品相比，合金的物理機械性能應該是密度增大，強度增大（如圖7-28所示）。可是大批實踐生產表明，二者增大都不明顯（也許是低壓燒結工藝我們沒有完全掌握，或檢測精度有限），低壓燒結明顯的效果是衝擊韌性普遍增大，使用性能普遍提高。實踐同時表明，未加Tac的產品經低壓燒結後其相對磁飽和值降低約2%，加有Tac的產品經低壓燒結後其相對磁飽和值提高約2%。

燒結壓力在1200度下對YG6抗彎強度的影響

壓製品的調碳燒結

所謂“壓製品的調碳燒結”，是將常規真空燒結是產生η 相或游離碳的壓製品置於低壓燒結爐內，在一定溫度下，通入一定比例的（H2+CH4）混合氣體，在一定壓力下保濕一定時間（即進行正常的真空燒結→低壓燒結）從而獲得正常組織的硬質合金。也有稱之為“氣氛壓力燒結”。

不同碳含量的YG6x合金調碳效果對比

如圖7-29、7-30、7-31示出不同碳含量，不同鈷含量的合金調碳效果的對比。設定YG合金WC+γ二相區碳含量下限和上限的相對磁飽和為80%、96%。從圖可知，YG6x、YG11C、YG15三個牌號的產品在真空燒結條件下燒結，合金在WC+γ二相區的WC總碳允許波動範圍較小，同樣的產品，在低壓燒結爐內通入一定比例的（H2+CH4）混合氣體，在一定壓力下進行燒結，合金在WC+γ二相區的WC總碳允許範圍擴大，即壓製品在低壓爐內進行調碳燒結，可使製品增碳或減碳。使真空燒結時產生η 相或“C”的產品，在低壓燒結爐內進行調碳燒結，產品組織可達到正常，即WC+γ二相組織。調整（H2+CH4）混合氣體的比例，可得到不同的調碳效果。鈷含量不同，高鈷合金調碳的寬度比低鈷合金大。

不同碳含量的YG11C合金調碳效果對比

不同碳含量的YG15合金調碳效果對比

優點

綜上所述，採用低壓燒結的鎢鋼產品具有下列優點：

1、產品肌體內金相組織緻密性好，無孔洞，無砂眼。

2、產品密度更高，硬度更高，強度更高。

3、產品鋒利性更好，耐用性更持久。

4、由於密度更均勻，產品具有更好地加工性能。

低壓燒結爐

低壓真空燒結爐是生產高性能硬質合金的關鍵設備，經該設備燒結的硬質合金製品，具有極優良的組織結構，無論是製品的強度，還是產品的硬度和密度，均有相應的提高；與經燒結再進行熱等靜壓處理的硬質合金相比，更具有性能穩定，生產成本低等優越性。

產品特點：

1、該設備具有脫蠟(包括脫石蠟、PEG)真空燒結，氣氛燒結，低壓燒結，快速冷卻等功能；

低壓燒結爐

2、脫蠟時溫度均勻性<±10℃，真空燒結時溫度均勻性<±5℃，低壓燒結時壓力為6MPa；

3、該設備帶石墨內膽結構，內膽門、保溫層門開閉可控，結合溫度，壓力參數的控制，確保爐內氣氛的穩定及各工作階段的自動切換；

4、爐子有多項安全保護措施，在各階段監控爐內壓力，爐壁溫度，確保全全生產；

5、該設備採用觸控螢幕控制，可以在面板上顯示所有事件的過程和爐內的情況，整個過程一目了然，爐門為平壓蓋形式，結構緊湊，操作方便，美觀大方!

6、為了防止在通過高壓Ar時，熱量可能由於各種原因有很大損失，甚至由此而引起爐壁溫度過高，因此保溫層與一體爐有很大的不同，需要防止Ar的滲透，保溫層為多層結構並每層均用緻密的石墨膜隔離。

7、在開始通Ar時，防止由於壓力不均，內膽上加裝平衡閥，在內膽內外壓差過大時，平衡閥動作以保護內膽。

8、而在低壓燒結完後，打開內膽及保溫層的門，使內外熱冷氣體造成自然對流，並通過內裝冷卻器進行冷卻，為了充分發揮對流的作用，爐子在這方面進行了精心的布局。另外在打開上面兩個門時，可能會造成爐壁高，因此又對此設法進行控制。

9、在通Ar時，應保證在一定時間內完成升壓過程，同時又不要使此過程引起爐內溫度發生大的變動，因此對爐內升壓為自動控制，在到達程式應進入充Ar時，設有報警信號(因為這個過程的熱度重要，應有人在場)，操作人員按鍵取消，此時第一步是再一次啟動液壓系統，並再一次旋轉爐門，然後按鍵進行充Ar程式。此時有自控儀表按時間壓力曲線開閉閥門，全程完成充Ar過程。

10、在低壓燒結完成後，轉入快冷，此時也設有相應的控制，如在打開保溫門，爐壁溫度過高時，則立刻減少和關閉保溫門，以防止爐壁溫度升高。