tic刚结硬质合金制备工艺.

攀枝花学院本科毕业论文TIC钢结硬质合金的制备工艺学生姓名申成伟学生学号201211102070院（系）材料工程学院年级专业2012级材料成型及控制工程指导教师范兴平副教授助理指导教师二一六年五月摘要钢结硬质合金作为上个世纪发展起来的新型硬质合金。它是用碳化物作为硬质相，用高速钢或者合金钢作为粘结相，通过粉末冶金法等工艺制造出来的。硬质相赋予了合金良好的耐磨性，耐热性，耐腐蚀性等。而钢作为粘结相又使得合金拥有了可热处理性，可锻性，可焊接性等一系列工艺性能。本文研究了运用粉末冶金法制备TIC钢结硬质合金的工艺。本实验设置了三种不同比例的硬质相，三个不同的烧结温度，制备九组试样，再通过观察其微观组织、测量其性能，确定最佳参数。选择最佳参数烧结制备的TIC钢结硬质合金试样，采用钢结合金的镶铸工艺，制备镶铸有硬质合金试样的锤头头部，然后观察其微观组织、测量其性能，最后分析该镶铸工艺。TIC钢结硬质合金具有一系列优异性能，能大量地运用于制造各种耐磨锤头镶块，磨球，磨具钢，各种刀具和结构材料。然而该硬质合金的制备方法以粉末冶金法为代表的各种生产手段已大规模地用于制造该类材料。因此研究粉末冶金法制备TIC钢结硬质合金对冶金、工模具、和刀具的发展，优化有着深远影响。关键词钢结硬质合金,制备工艺,硬质相,烧结温度,镶铸工艺ABSTRACTSTEELBONDEDCARBIDEASDEVELOPEDANEWTYPEOFCEMENTEDCARBIDEOFTHELASTCENTURY,ITISMADEOFCARBIDEASHARDPHASE,WITHTHEHIGHSPEEDSTEELORALLOYSTEELASBINDINGPHASE,MADEBYPOWDERMETALLURGYMETHODETCHARDPHASEGIVESALLOYGOODWEARRESISTANCE,HEATRESISTANCE,CORROSIONRESISTANCE,ETCBESIDES,STEELASBINDINGPHASEMAKESTHEALLOYHAVEHEATTREATMENT,MALLEABILITY,WELDABILITYANDASERIESOFPROCESSINGPROPERTIESTHISPAPERSTUDIEDTHESTEELBONDEDCARBIDEPROCESSWHICHPREPAREDTICBYPOWDERMETALLURGYTHISEXPERIMENTSETUPTHREEKINDSOFDIFFERENTPROPORTIONSOFHARDPHASE,THREEDIFFERENTSINTERINGTEMPERATURE,THEPREPARATIONOFNINEGROUPSOFSAMPLETHENBYOBSERVINGTHEMICROSTRUCTUREANDMEASURINGITSPERFORMANCEMADESURETHEOPTIMUMPARAMETERSCHOSETHEBESTPARAMETERSOFTHEPREPARATIONOFSINTERINGTICSTEELBONDEDCARBIDESAMPLE,NEXTUSEDSTEELCOMBINEDWITHGOLDINLAIDCASTINGPROCESSTOPREPARETOINLAYANDTOCASTHAMMERHEADWITHCARBIDESAMPLETHENOBSERVEDITSMICROSTRUCTURE,MEASURIEDITSPERFORMANCE,FINALLYANALYZEDITSPROCESSTICSTEELBONDEDCARBIDEHASASERIESOFEXCELLENTPERFORMANCE,WHICHCANBEEXTENSIVELYUSEDINMANUFACTURINGALLKINDSOFWEARRESISTANTHAMMERINSERT,GRINDINGBALL,GRINDINGTOOLSTEEL,ALLKINDSOFCUTTINGTOOLMATERIALANDSTRUCTUREHOWEVER,THEPREPARATIONMETHODSOFCEMENTEDCARBIDEWHICHISREPRESENTEDBYPOWDERMETALLURGYMETHODOFALLKINDSOFPRODUCTIONMETHODSHASBEENUSEDINTHEMANUFACTUREOFTHISMATERIALSONALARGESCALESOTHEPOWDERMETALLURGYMETHODPREPARINGTICSTEELBONDEDCARBIDEFORTHEDEVELOPMENTANDOPTIMIZATIONOFMETALLURGY,MOLD,THECUTTINGTOOL,HASAFARREACHINGINFLUENCEKEYWORDSSTEELBONDEDCARBIDE,PREPARATIONTECHNOLOGY,HARDPHASE,SINTERINGTEMPERATURE,INLAYCASTINGTECHNOLOGY目录摘要IABSTRACTII1绪论111研制TIC钢结硬质合金的意义112TIC及TIC钢结硬质合金性能113TIC钢结硬质合金的制备方法1131粉末冶金法1132原位合成法214传统粉末冶金技术的改进215钢结硬质合金的研究现状3151硬质相多样化发展3152粘结相的多样化发展3153相成分范围明显扩宽316TIC钢结硬质合金的应用4161模具4162耐磨零件和机械零件4163刀具4164其他应用417镶铸复合铸造工艺4171镶铸复合铸造工艺的分类4172镶铸复合铸造工艺的存在的主要问题618实验预期指标62研究的内容及技术路线721研究的内容722研究的技术路线73TIC钢结硬质合金的制备931实验材料932实验器材和设备933实验过程及工艺10331实验方案的选择10332称量及混料10333压制成型10334烘干11335真空烧结路线11336后续处理1334本章小结144TIC钢结硬质合金性能的检测结果与分析1541前期宏观及微观形貌检测结果及分析1542微观形貌及物相分析16421金相检测与分析16422XRD物相及分析17423扫描电镜检测与分析1843力学性能检测的结果与分析20431硬度20432抗冲击性能2144本章小结225耐磨锤头头部的制备及性能检测2351镶铸钢结硬质合金的耐磨耐磨锤头的制备23511铸造方法及铸造工艺编制23512浇注系统及镶块位置示意图23513TIC钢结硬质合金试样23514耐磨锤头头部的制备2352耐磨锤头头部的相关参数2453耐磨锤头的测试试样制备2454耐磨锤头的测试试样的淬火处理2455结合区的宏观特征2556铸造工艺分析2557微观观察及分析2558结合区的显微硬度的测试及分析2959本章小结306结论32参考文献33致谢351绪论11研制TIC钢结硬质合金的意义钨资源是十分宝贵的稀有金属资源。近年来，由于钨资源的不合理开发，我国的钨资源的形势已十分严峻。而钨大范围用于制备硬质合金、钨铁、钨基高比重合金等。从而导致以WC作为硬质相的硬质合金，价格愈发昂贵，也不能满足市场的需求。面对硬质合金需求量较大的市场，人们探索者能代替WC硬质合金的材料。而TIC钢结硬质合金是比较符合现在的市场。其原材料资源丰富，制备工艺简单，成本低廉TIC的热稳定性好于WC,其硬度高于WC，而密度仅为490G/CM3，仅为WC的1/3，还具有很好的抗高温氧化性能烧结过程中晶粒长大倾向小，在高温条件下能发生塑形变形，具有优良的使用性能；C含量能在很大范围内波动，这在成分上提供了较大灵活性。这些优异的特点使TIC系列钢结硬质合金能代替WC系列钢结硬质合金在模具、切削工具以及耐磨构件得到比较广泛的应用。12TIC及TIC钢结硬质合金性能TIC为浅灰色，立方晶系，不溶于水，具有很高的化学稳定性，不与盐酸，硫酸反应，溶于王水，硝酸，氢氟酸，也溶于碱性氧化物的溶液中。相对分子质量是5991，密度493G/CM3，熔点3316，沸点4820。它的键型是由金属键、离子键和共价键混合在同一晶体结构中，因此TIC具有很多独特性能。其晶体结构决定了TIC具有高强度，高熔点，耐磨损，导电性等基本特征。常作为硬质合金的硬质相，赋予合金更好的综合性能。TIC钢结硬质合金，是以钢作为粘结相，以难溶金属化合物TIC作为硬质相的复合材料。这种复合材料兼有钢和硬质合金各自的优点，既有可加工性，可热处理，可锻性，可焊接性，同时又具有硬度高，抗氧化，耐腐蚀，比重小，热稳定性好等优异的性能。是一种性能优良的硬质合金。13TIC钢结硬质合金的制备方法0随着科技发展，制备TIC钢结硬质合金的方法层出不穷。但是目前主流方法任然是粉末冶金和原位合成法。131粉末冶金法粉末冶金法主要流程如下配料将原料混合搅拌压制成型在真空烧结炉中烧结成品。在钢结硬质合金的生产方式中，最常用到的方式就是粉末冶金法中的液相烧结，而且目前工业化生产大多也是采用这种生产方法。这种方法的特点就是把硬质相和钢基体形成机械混合，然后成形，在液相存在的条件下进行烧结12。用液相烧结法制备钢结硬质合金的时候，可以根据不同的硬质相而采用不同的烧结保护气体，比如本文研究的TIC钢结硬质合金就必须在真空度为MPA之间烧结。而碳化钨系的钢结硬质合金既可以在真空中烧结，3410也可以在氢气作为保护气体中烧结。粉末冶金法具有一系列的优点（1）可利用TIC和钢基体比例不同，从而得到不同性能的硬质合金；（2）可以控制TIC钢结硬质合金的孔隙度；（3）可利用TIC和钢基体比例不同，从而得到不同性能的硬质合金；（4）可以避免TIC的偏析；（5）能较好控制晶粒细化和晶粒长大，高位错密度可以获得优异的机械性能；（6）可很好测量硬质相的含量和尺寸范围；（7）可以进行两层，以及多层金属复合烧结。132原位合成法原位合成法又分为反应铸造法、自蔓延燃烧合成法和碳热还原法。反应铸造法以本文的TIC钢结硬质合金为例，其基本的原理是通过在钢液中添加TI粉、C分粉，以及其他合金粉末，使FETIC三种物质的液相状态中，通过合金液态高温的作用，让液态合金中的FE原子和TI原子发生化学反应，得到硬质相TIC这种产物，最后再通过铸造的方法，获得TIC钢结硬质合金36。自蔓延燃烧合成法自蔓延燃烧合成法是在真空或者惰性气体的保护下，把合成TIC钢结硬质合金的各种组分原料引燃，利用化学反应热，使反应自动继续进行下去，直到反应完成的方法。这种方法对各组分的纯度要求很高，并且该反应过程难以控制，产品孔隙率高，密度低。碳热还原法该方法大部分以钛铁矿为原料，用碳还原制备TIC为硬质相的钢结硬质合金。此外，PRTAYLOR等7曾以甲烷作为还原气体，钛铁矿为原料粉，采用离子溅射合成法制备气孔率较低的TIC/FE复合镀膜8。14传统粉末冶金技术的改进传统粉末冶金制备技术，工艺可控性好，而且生产的效率比较高。但是传统粉末冶金技术也存在相当大的缺点，比如硬质相分布不均匀，材料孔隙率比较高，力学性能不太高等这一系列的缺点，使得用传统粉末冶金法制备的钢结硬质合金在对材料要求特别高的行业，如航空，航天，兵器等行业的运用受到了极大的限制。新型粉末冶金技术，在传统粉末冶金技术的基础上加以了改进，并且采取了后续锻造以及热等静压等处理技术，改善了材料的力学性能，减小了材料的孔隙率，优化了材料组织。在实际生产中，常采用普通混料机进行混料，通过模压方式进行粉末成形，这种方式速度快，易于控制形状，效率高。而科研实验室通常采用高能球磨结合冷等静压的方式进行混料和成形，以达到提高材料性能的目的。15钢结硬质合金的研究现状上个世纪八十年代，我国的钢结硬质合金技术得到了迅速发展，由于作为硬质合金粘结剂的钴金属，价格不断上涨，导致各国都大力开发寻求钴的替代材料，我国在TIC和WC做硬质相的钢结硬质合金的研发上进步很快。近年来，日本，瑞典，美国，英国等国家，在这些方面做了大量的研究，并且取得了明显成就，开发出了一系列的新型钢结硬质合金。同时，钢结硬质合金产品也在金属加工工业得到了广泛的使用。151硬质相多样化发展钢结硬质合金近年来发展迅速，硬质相的种类越来越多样化，不同的硬质相和不同的钢基体，使得合金具有能在各种不同的工况下工作的不同特性，硬质相的研究成为了研究钢结硬质合金的重要方向。在最初发明的时候，其硬质相只限于是TIC，但是随着近年来研究的深入发展，许多国家在硬质相的运用发面取得了很多的成功，开发出了很多新型硬质相钢结硬质合金。比如WC,TIN,TICN等,这些新型的钢结硬质合金在实际的运用之中，也表现出了良好的综合性能和适用范围。152粘结相的多样化发展跟随硬质相的发展同步，作为粘结相的钢的种类也在不断增多。现在作为硬质相的钢种包括各种成分的合金钢，高猛钢，碳素钢，工具钢，高速钢，不锈钢，耐热钢以及各种类型的铁基粘结相。153相成分范围明显扩宽随着工业发展，对机械设备功能的不断延伸和细化，对所使用材料的性能要求也越来越复杂，为了满足这些要求，钢结硬质的成分范围不断拓宽。早期的硬质相含量一般不会超过50，这样设计是为了保证合金的加工性能，同时又不降低其耐磨性能。但是随着近年来硬质合金的不断发展，其相成分已经向两端延伸，目前已开发的钢结硬质合金硬质相的含量最高达到了94，钢基体最高含量达到90。随着研究的深入，钢结硬质合金和普通硬质合金及高速钢三者的界限正在逐渐消失，并且其使用的范围已经覆盖了普通硬质合金和高速钢之间的全部区域，因此有的国家已经称之为碳化物钢。16TIC钢结硬质合金的应用因为钢结硬质合金具有的一系列综合性能，使得它能广泛运用在各个方面。包括机械，电子，冶金，同时在国防，航天航空等尖端科技方面也有着广泛的运用。161模具钢结硬质合金最为重要的一个运用领域，就是做模具材料。钢结硬质合金具有的高强度，高硬度，高耐磨性，良好的抗压和阻尼特性，使得钢结硬质合金被运用于模具行业的各个方面。和传统的那些模具材料相比，钢结硬质合金做的模具，其使用寿命得到了大幅度的提高，最高甚至提高了上百倍，经济效益十分巨大。162耐磨零件和机械零件由于钢结硬质合金具有的高耐磨性能，抗腐蚀性能，因此它是制作耐磨零件和机械零件的良好材料，比如说轴承，轧辊，矿用钻阀等。TIC钢结硬质合金的耐磨性能优良，是制造燃油喷射器，采矿用钻阀，破碎机齿轮的理想材料910。163刀具作为基体的钢，可以牢固地支撑着硬质相颗粒。这使得用钢结硬质合金作为刀具材料的刀具拥有锋利的刀锋，所以钢结硬质合金被用于制造铣刀，砖头等刀具，还可以运用于加工不锈钢，有色合金等。由于钢结硬质合金的干摩擦系数较小，抗粘附磨损性好等特点。刀具在工作的时候，被加工的金属在刀具的刀尖区域有较好的流动性能，而且在刀具的表面上不会有金属粘附1112。164其他应用由于钢结硬质合金具有的高弹性模量和刚性以及优异的阻尼特性，能够消除震动，所以可运用于抗震工具和零件。比如飞机的起落架。而高硬度，使得钢结硬质合金可运用于破碎工具，比如掘进机，破碎机锤头等。17镶铸复合铸造工艺171镶铸复合铸造工艺的分类镶铸复合铸造工艺法主要是在型腔某部位预先放入有良好耐磨性的预制块试样，如硬质合金、高铬白口铁等，然后向型腔内浇注具有良好性能的母液，如低合金钢、普通碳素钢等，通过母液强烈的热作用，使母液与镶块接触的界面上在较短的时间内处于熔化或溶解状态并发生元素的相互扩散及冶金反应，冷凝后，母材与镶块牢固的熔焊为一个整体。镶铸法具有的独特优点是耐磨镶块试样可根据零件的使用要求选用不同厚度、不同形状、不同材质的预制块，同时可在零件的一个或者多个部位镶铸耐磨镶块。镶铸件表面质量比较易控制，工艺过程比较简单，不需要增添新设备，叫渗铸法，镶铸件表面层较厚，零件不变形，且可以热处理。还有一种类型的镶铸工艺是将具有良好塑性的金属材料芯部放于型腔的内部，通过将高耐磨性的金属材料熔化后浇入型腔中，在强烈的热作用下，使内部的塑性的金属材料与母液接触的界面上，在一定的时间内处于熔化或溶解状态并发生元素的相互扩散及冶金反应，冷凝后，实现塑性金属材料与耐磨金属材料牢固的结合为一体。从本质上说，这都属于镶铸的范畴。耐磨材质的选择首先是根据零件的服役条件而定的，其次必须保证两种金属具有良好的互溶性，使交界呈冶金结合，以提高其结合强度。目前研究最为广泛的镶铸双金属耐磨铸件主要分为两大类高铬白口铸铁一碳钢或铸铁镶铸在长期的研究和实践中，人们已经知道提高易磨件的硬度能减少磨损量。具有高硬度的高铬白口铁在工程上的应用已经较为广泛，但高铬白口铁的脆性比较大，在一定的冲击力的作用下的工作的零件用高铬白口铁来做易损件就不太安全。经过几年的探索研究，科研人员研制成功了用高铬白口铁作易磨损的工作层，而用低碳钢作衬垫层，再运用铸造的方式使之结合牢固，成为双金属得铸件。这种材质既具有好的耐磨性能，同时可以有效的延长零件的使用寿命，又具有高的韧性，可以承受较高的冲击力，满足零件在使用时安全可靠的要求。硬质合金一碳钢或铸铁镶铸硬质合金一碳钢双金属耐磨材料主要用于表面要求耐热或耐磨而工件整体又要承受高的冲击载荷的工件，如轧钢的锤式破碎机锤头、导卫等。硬质合金是以一种或几种碳化物如WC、TIC等为硬化相，以铬铝、钴、碳钢、合金钢、钢为粘结相，经过配料、混料、压制、烘干和烧结而制成的粉末冶金材料。其最大的特点是高抗磨、耐蚀、耐热、抗氧化，与碳钢相匹配通过镶铸工艺制成双金属复合耐磨材料，其材料兼具抗磨、耐蚀、耐热、抗氧化等多种性能，而工件整体又具有较好的综合机械性能。广州有色金属研究院耐磨材料研究所的陈和兴等人研制的高锰钢镶铸有硬质合金锤头比高锰钢锤头使用寿命提高3倍，而成本只是提高了30。北京科技大学的张恒大对铸铁镶铸硬质合金的铸造复合机理进行了深入研究。研究结果表明在铸铁硬质合金镶铸的铸造过程中，在双金属结合界面上产生了合金元素的相互扩散，从而在过渡区形成新的相界面的元素的扩散反应和冶金反应是实现铸铁一硬质合金双金属结合的主要原因。过渡区粘结相的结构是体心立方晶格和面心立方晶格，优于原来的密排六方晶格。该项对于镶铸机理的研究为镶铸工艺提供了基础的理论依据。镶铸法与铸渗法的不同点在于镶铸法在铸造成型时在预定位置放置预先烧结的耐磨试样块；铸渗法是在铸造成型时在型壁预先固定陶瓷颗粒或合金粉末等增强相。镶铸法的耐磨预制块预先烧结为成品，较敷贴合金膏块单依靠浇注金属的余热来陶瓷颗粒或烧结合金粉末，预先的烧结过程进行的更为充分彻底；相较合金涂料铸渗法，由于不含合金涂料中所必须的粘结剂、悬浮剂、熔剂等有机化合物成分，在浇注时产生产生夹渣、气孔等铸造缺陷的可能性大大降低。与此同时镶铸的耐磨层通常采用的预制块为硬质合金、高铬白口铁，耐磨性好于采用铸渗法生成的颗粒增强耐磨层。所以用镶铸法生产双金属复合材料有了前所未有的良好的发展趋势。因液一固复合铸造特别是镶铸法，几乎不受铸件形状的影响、制造工艺简单、性能优良，因此越来越受到人们的重视。172镶铸复合铸造工艺的存在的主要问题镶铸复合铸造工艺成败关键在于两种金属的界面结合强度的高低和融合优劣13。然而，在实际的生产中仍然存在很多问题，比如界面气孔，夹渣，未熔合，结合区强度差等。就镶铸来说，主要存在的问题包括性质有相差的两种材料在界面处的润湿性差异，导致复合质量差，熔合不良。熔合界面易出现气孔，夹渣，等铸造缺陷。影响因素较多，熔合界面结合质量难控制。18实验预期指标通过粉末冶金法制备的TIC钢结硬质合金试样维氏硬度550HV抗冲击韧性15J/CM2；其微观组织合理，晶界清晰，晶粒分布较均匀，孔隙率较低。2研究的内容及技术路线21研究的内容主要研究内容（1）采用粉末冶金法制取钢结硬质合金。研究硬质相含量和烧结温度对试样性能的影响；选择最优的实验方案。（2）钢结硬质合金与铸钢进行镶铸。研究铸型和钢结硬质结合面的结合情况，探索锤头的淬火工艺。22研究的技术路线本实验的研究路线如图21所示，图中表示本实验研究的内容。图21研究的技术路线图3TIC钢结硬质合金的制备31实验材料本实验的原材料有羟基铁粉，TIC粉，碳粉。32实验器材和设备本实验需要用到的实验器材如下所示压制试样的模具，可以压制尺寸为10MM10MM（1030）MM的试样。如图31所示。图31模具电子天平用于称量材料的工具。手动液压机用于压制试样的仪器。干燥箱用于烘干试样的仪器。真空烧结炉。在真空状态下高温加压，可制造复合材料，还能在真空状态下具有高温烧结等多种功能。主要用于对无机材料、纳米材料在真空热压条件下进行烧结处理，以便获得高致密度、细晶粒的无机或金属材料。如图32所示。图32真空烧结炉线切割机用于切割试样的设备。电阻炉主要用于试样的热处理设备。XRD分析仪本实验主要应用于样品的物相定性和定量分析。SEM扫描电镜该实验主要应用于金属块体形貌观察与成分的分析，见图33。金相设备用于观察试样金相组织的设备。维氏硬度测试机测试硬度的设备。33实验过程及工艺331实验方案的选择影响TIC钢结硬质合金的主要因素是，硬质相的比例，烧结温度。因此本实验的化学成分设计3个比例FE20TIC（TIC质量分数为20）,FE30TIC,FE40TIC。烧结温度设置3个变量1300,1400，1500。保温2H，一共得到9个方案。如表31所示。表31实验方案332称量及混料按照实验设计的9个方案，用电子天平称量铁粉，碳粉和TIC粉末。称量好了之后手动搅拌10分钟，努力搅拌均匀。333压制成型根据硬质相的比例不同，配好料，混合均匀，放入压制模具之中，通过液压压力机，压制成不同形状的不同尺寸试样。如图34所示。图33扫描电镜FE20TICFE30TICFE40TIC烧结温度1300方案一方案四方案七烧结温度1400方案二方案五方案八烧结温度1500方案三方案六方案九图34压制成型的试样334烘干将压制成型的试样放于干燥箱中，在50的温度烘8个小时。335真空烧结路线一般地讲，烧结可以分为两大类不施加外压力的烧结和施加外压力的烧结，简称不加压烧结和加压烧结。不加压烧结分固相烧结和液相烧结。本实验属于固相烧结，即将松散的粉末或经压制具有一定形状的粉末压坯被于不超过其熔点的设定温度中，在一定的气氛保护下，保温一段时间的操作过程14。因单元系没有相成分和相组织的变化，所以烧结中只发生颗粒的烧结、颗粒界面的消失、晶界的迁移和晶粒长大以及孔隙形状和孔隙联通状态的变化。在实际生产中，一般将烧结划分为3个阶段15低温预烧阶段。这个阶段的温度还没有达到最低烧结温度，这个阶段主要发生金属的回复、吸附气体和水分的挥发、成型剂的分解和排除。中温烧结阶段。这个阶段的温度已经超过了最低烧结温度，颗粒之间开始烧结，形成烧结颈，同时还发生颗粒表面氧化物的还原和粉末颗粒内的再结晶。高温烧结阶段。在这个阶段将发生烧结颈的长大、晶界迁移、颗粒合并、烧结体收缩、孔隙封闭和球化等过程。根据真空烧结的工艺，试样烧结具体操作为将样品放入真空炉中，一切准备就绪后，打开循环水水泵开关和总控制柜电源，打开烧结炉控制柜电源，按“机械泵开”按钮，缓缓打开“50上”阀，待真空度至15MPA，按“扩散泵开”按钮，打开“50下”阀，进行预热45MIN，然后打开“200”阀，关“50上”阀，进行抽真空至2102MPA，再按“加热开”按钮和加热开始按钮，选择自动执行程序，烧真空烧结炉便按烧结工艺曲线进行烧结。由于本实验涉及三个烧结温度，则有三种烧结工艺烧结温度为1300的方案一、方案四、方案七的烧结工艺为A20400加热30MIN，保温10MIN；B400900，加热30MIN，保温10MIN；C9001300，加热30MIN，保温2H。烧结工艺温度曲线见图35。图351300烧结工艺温度曲线烧结温度为1400的方案二、方案五、方案八的烧结工艺为A20400加热30MIN，保温10MIN；B400900，加热30MIN，保温10MIN；C9001400，加热30MIN，保温2H。烧结工艺温度曲线见图36。烧结温度为1500的方案三、方案六、方案九的烧结工艺为A20400加热30MIN，保温10MIN；B400900，加热30MIN，保温10MIN；C9001500，加热30MIN，保温2H。烧结工艺温度曲线见图37。图361400烧结工艺温度曲线图371500烧结工艺温度曲线待烧结程序结束，温度冷却至400及以下时，关“200”阀，按“扩散泵停”按钮，开“50上”阀，待温度冷却到200及以下时，关“50上”阀、“50下”阀，再关闭烧结炉控制柜电源，最后关闭循环水水泵开关和总控制柜电源。336后续处理线性切割由于烧结的试样为10MM10MM50MM左右的长条形试样，在硬度测试，金相观察等时，试样尺寸过大，所以我们将试样用线切割机切割。将每个实验方案，切割两个10MM10MM10MM的试样块。切割的试样块如图38所示。图38线切割后的试样试样淬火按实验方案需要热处理的试样，用铁丝捆绑好，放入电阻炉内，随炉升温至860，保温20分钟，然后取出，进行水淬。制备金相试样由于光学金相显微分析，要求将待观察的试样表面磨制成光亮无痕的镜面，再经过侵蚀才能分析组织形态。如果待观察表面有划痕、凹坑、水迹、变形层等都会影响正确的分析。另外用于SEM扫描电镜观察检测时，也要求观察表面光滑平整，因此，需要将烧结得到的试样进行一定程度的打磨，部分样品还需要抛光后侵蚀。打磨采用的工具是砂轮机上，目的是将试样休整成平面，并磨成合适的外形，以便下一工序的进行。打磨后表面上有很多磨痕，为了消除这些磨痕，需要用金相研磨纸从粗往细磨，至1000W为止。磨完后还需要使用抛光机进行抛光，抛光的目的是消除试样磨面上经细磨后所留下的微细磨痕，以获得光亮的镜面。抛光后将观察金相的试样用4的硝酸酒精浸蚀五秒，最后经处理过的TIC钢结硬质合金如图39所示。图39打磨抛光处理后的TIC钢结硬质合金34本章小结本章介绍的是TIC硬质合金的制备及其后期的处理。在实验前认真学习相关仪器操作，了解相关预防措施。在实验中，整个做实验的过程都比较顺利。真空烧结的时候也没有停电的现象。但也存在一些问题。在使用烧结炉进行时，发现烧结炉内随发热体的上下位置变化，温差较大，我们采取将试样放置在发热体中层，以尽量消除此干扰因素。由于制样过程中使用手工搅拌，难免混合不均匀，因此可能导致成分偏析。为了尽量消除此因素带来的干扰，我在混料时增加混料时间。其他仪器均能正常使用。我在做实验过程中，小心谨慎，尽量控制其他因素的干扰，同时确保安全第一。4TIC钢结硬质合金性能的检测结果与分析41前期宏观及微观形貌检测结果及分析将烧结温度分别为1300的一部分试样进行宏观形貌观察；且将一部分试样磨制金相试样，在光学显微镜下进行观察，所观察的图片如图41所示。图42（A），在肉眼观察下，1300温度下烧结的试样无明显的金属光泽，颜色呈暗灰色。烧结后的试样尺寸的较未烧结时的尺寸并无明显变化，理论上粉末冶金的烧结前后会有较大的尺寸变化16。用锤头轻轻敲击试样，试样从中部断裂，然而断裂的表面也未有金属断裂面的特征。将其磨制金相试样，在500倍光学显微镜下，金相图片上有呈金属光泽的部分，深黑色部分和灰色部分。该图片无明显的晶界，无烧结好的迹象。图42（A）1300烧结的试样和图42（B）1400烧结的，有较好力学性能的试样的金相图片不相同。试验中的呈多边形的金相较为均匀的分布于基体中，有明显的晶界，晶粒。有一些黑色物质，经过后面的扫描电镜的观察，该部分实为粉末冶金产生的孔隙。图411300下烧结的试样图42金相图（A）1300烧结的试样500（B）1400烧结的试样500图43，1500温度下烧结试样明显融化，不再有压制成型的尺寸，形状了，说明烧结温度过高，超过了适合该材料粉末冶金的烧结温度。综上所述，经过前期的宏观及微观观察，在1300烧结的试样，未能有良好的烧结现象，没有足够的强度，试样的尺寸未发生变化，烧结的试样不符合良好的粉末冶金的指标要求，所以接下来的检测不在考虑该温度下烧结的试样。在1500烧结的试样，在肉眼的观察下，试样明显融化了，不符合本论文探讨的粉末冶金制TIC硬刚结硬质合金的探究内容，所以接下来的检测，分析不予考虑1500烧结的试样。42微观形貌及物相分析421金相检测与分析本实验将不同的钢结硬质合金样品，经过金相观察，在100倍下，对于不同TIC含量1400下的TIC钢结硬质合金的金相组织，得到合金相图如图44所示。图441400下烧结试样金相图100（A）FE20TIC（硬质相质量分数为20）BFE30TICCFE40TIC从图44可以知道，以上三个不同含量硬质相的合金的金相显微结构中，有图431500温度下烧结试样明显的晶体结构，基本骨架已经形成，颗粒无明显的团聚现象。图45是FE30TIC的试样在光学显微镜下放大500倍观察的金相图片，图片上显示晶粒分布均匀，晶界明显，有良好的粉末冶金现象但通过后面的扫面电镜观察证实图片中的得黑色物质为硬质合金的孔隙，那么该实验制作的试样有孔隙。通过查找文献，材料可以通过高能球磨，热等静压处理和合理的锻模锻造工艺来改善材料的孔隙缺陷17。图45FE30TIC的金相图片500422XRD物相及分析图46是FE30TIC的XRD图谱，由图可以知道，试样由FE和TIC两种物相组成。由文献18可以知道对于FETIC体系，FE转变为FE的温度为730800（由FEC二元相图可知，纯FE在912时发生同素异构转变，即FE转变为FE），转变温度的降低主要是由于C在FE中的扩散。研究表明，合金在高温烧结的过程中存在TIC和FE，两者都是FCC结构，TIC颗粒可以作为凝固过程中的形核核心19。TIC与FE有良好的润湿性和流动性，在凝固过程中图46FE30TIC的XRD物相可以作为非均匀形核的位置，因此TIC的添加量对刚结硬质合金的致密化、合金组织和性能产生重要影响。烧结后随炉冷却过程中硬质合金的FE转变为FE。423扫描电镜检测与分析将烧结温度为1400，保温2H，热处理前和热处理后的硬质相含量为30的试样的钢结硬质合金合金做扫描电镜，得到如下图47所示的结果。图47（A）是硬质相含量为30的TIC刚结硬质合金的SEM图片。可以看出深灰色的颗粒分布于浅灰色的基体中，经过能谱分析（见图48）深灰色的区域主要成分为T,C元素，浅灰色主要是FE元素。深灰色的颗粒状增强相变边缘整齐，与基体有着良好的界面。烧结后的材料组织中，硬质相较为细小（约5MM）数量较多，且均匀分布在基体中，但是有着较为明显的棱角20。图47（B）是热处理后相同含量的TIC刚结硬质合金的SEM图片。深灰色的边缘更加整齐，与基体有着更好的界面；硬质相更加均匀的分布于基体中。通过图48和表41可以看出硬质相中的TI元素扩散至基体中了，硬质相和基体有着不太明显TI元素的浓度梯度。鉴于以上的观察结果，实验发现硬质相和基体之间的润湿性不是很好，通过查阅资料知道金属基符合材料中，可以用过添加合金元素来改善增强颗粒和基体的润湿性21。现已查明，在适合于铁基合金的工业添加剂中，MO、CR、W等可以改善润湿性。从金属强度的影响程度来看，添加MO最为合适。图47（A）硬质相含量为30的TIC刚结硬质合金1000（B）热处理后硬质相含量为30的TIC刚结硬质合金1000图48扫描电镜点扫描位置标记图表41扫描电镜点扫描分析结果处理选项已分析所有元素已归一化按重量百分比显示的所有结果谱图在状态CTIFE总的1是19448056100002是100010000最大194480561000最小194480561000将烧结温度为1400，保温2H，热处理前的硬质相含量为30的试样的钢结硬质合金合金做扫描电镜线扫描分析，得到如下图410所示的结果。经过上面的能谱分析及XRD物相分析（见表41和图46），我们知道试样的浅灰色部分主要有FE元素，为FE相，为硬质合金的基体；色彩较深的部分主要是TI、C元素，为硬质合金的TIC硬质相。从图410可以看到硬质合金中的基体中也有一定的TI元素，分析可以知是硬质相中的TI元素从硬质相扩散至硬质合金基体层，证明其冶金结合良好；图中显示的C元素含量从基体层到硬质相逐渐升高，在靠近硬质相边缘时，该元素的含量也有下降；同时也显示硬质相中含有少量的FE元素；基体中的CR元素也扩散到硬质相。就上面的分析结果可以知道，该硬质合金在1400的烧结效果良好，冶金结合紧密。图49扫描电镜线扫描位置图图410扫描电镜线扫描结果图43力学性能检测的结果与分析431硬度本实验采用1400烧结温度，保温2H的未热处理试样，进行显微硬度（HV）的测试，测试所加载载荷为196N，加载时间20S。测量其硬度，其测量结果如下图411所示。如上图所示，随着TIC硬质相的含量的增加，钢结硬质合金的硬度不断提高，最高硬度为653HV/30/20，其硬质相含量为40。说明硬质相的含量对钢结硬质合金的硬度有显著的影响。在一定的程度范围，随着TIC含量的增加，TIC钢结硬质合金的硬度增大。吴强等人22在钢结硬质合金中的硬质相一文中提出，含碳量变化对固溶体的物理和化学性能有很大影响。由缺碳的提TIC制取的合金的金相组织中残存铁素体，合金的硬度，抗弯强度均随着TIC缺碳程度升高而降低，因此为了得到优质的钢结硬质合金，最好采用接近化学计量的TIC。432抗冲击性能本实验是在1400，保温2H的试样，测量其抗冲击性能。得到如下表42所示的数据。表42TIC硬质合金抗冲击性能测试结果表试样厚（MM）宽（MM）冲击功（J）FE20TIC12142650FE30TIC101024FE40TIC12142925根据上图实验所得数据，由抗冲击公式A（公式1）310BHW式中A试样的冲击强度。J/2MW破坏试样所吸收的能量。H试样厚度，MM；B试样宽度，MM；根据上述公式，带入数据。例如图4111400热处理前不同硬质相比例的试样硬度变化柱状图230/412CMJATICFE通过计算可以得到图412所示，在1400，保温2H条件下烧结的试样的抗冲击性能柱状图。图4121400不同硬质相比例的试样抗冲击性能的柱状图由上图412可知，在相同烧结温度下，试样的抗冲击性能随着硬质相的增加，先升高，后降低，抗冲击性能最好的是硬质相为30的TIC硬质合金。44本章小结根据上面对TIC钢结硬质合金用光学电镜、扫描电镜、XRD物相分析、测试硬度、抗冲击性能等一系列的检测，可以得出下列结论。在1400的烧结温度下，硬质相含量20，30，40的烧结效果良好，所制金相试样金相良好，但有一定的孔隙缺陷。在1400的烧结温度下，试样的在扫描电镜观察下，发现硬质相和基体的元素扩散正常，冶金结合良好。在1400的烧结温度下，在一定范围内，随硬质相含量的增加，TIC钢结硬质合金的硬度增加。在1400的烧结温度下，在一定范围内，随硬质相含量的增加，TIC钢结硬质合金的抗冲击性能先上升，后下降。5耐磨锤头头部的制备及性能检测51镶铸钢结硬质合金的耐磨耐磨锤头的制备511铸造方法及铸造工艺编制该锤头的制备的地点是新津县金华镇铸造厂。我们选用该铸造厂的现有铸造方法，即黏土石英砂手工造型法。采用1000KG中频电炉进行熔炼，再根据相关书籍和知识书写耐磨锤头的铸造工艺，根据相关文献，铸件采用顶注式浇铸系统23。512浇注系统及镶块位置示意图图51浇注系统及镶块位置示意图513TIC钢结硬质合金试样实验选用烧结温度为1400，硬质相含量为30，烧结效果良好的试样。514耐磨锤头头部的制备按照普通的铸钢件的生产工艺，先混砂、造型、放置硬质合金试样、合箱、浇注、冷却、落砂，由于该锤头没有孔、槽，不制备砂芯。实验制备镶铸TIC钢结硬质合金的耐磨锤头头部的现场图，图52。制备的锤头如图53所示。图52制备锤头头部现场图52耐磨锤头头部的相关参数耐磨锤头头部的质量为105KG，轮廓尺寸150MM150120MM。每个硬质合金试样重约0056KG。12/铸件镶块G53耐磨锤头的测试试样制备用线切割机将锤头切成有合金和基体结合面的10MM10MM10MM的试样。其后根据需要，制备金相试样，进行试样微观观察。制成的试样如图54所示。图54耐磨锤头的测试试样54耐磨锤头的测试试样的淬火处理按实验方案需要热处理的试样，用铁丝捆绑好，放入电阻炉内，随炉升温至860，保温20分钟，然后取出，进行水淬。图53落砂后的锤头55结合区的宏观特征经过打磨、抛光及热处理的镶铸试样表面肉眼看以看到，在母材和硬质合金的结合面，结合良好，无任何缝隙，镶铸侧的硬质合金轮廓已不太清楚，有一条051MM的衍生带，初步表明了界面发生了熔融和相互渗透；且界面上无夹杂物，无气孔，初步证明该镶铸铸造工艺是比较合适的。如图55所示。图55有衍生带的镶块试样56铸造工艺分析该铸件的基体材料与硬质合金的重量比大致为501，浇铸出来的镶块试样显示基体和硬质合金结合良好；浇铸温度1450铸件的镶块试样在型腔的底部，铸件几乎没气孔出现。基体材料与硬质合金的重量比对界面质量的影响最大，质量比小于31时，符合效果最差，没法满足使用要求；质量比大于151时，符合效果最好但质量比过大，硬质合金数量太少，共建的耐磨性无法得到满足；提高浇铸温度或铸型温度，均可提高界面质量，但浇铸温度过高，钢液中夹杂物和气体数量多，导致铸件的质量下降。此外，浇注温度过高，铸件表面易发生沾砂等缺陷。铸型的预热温度过高，生产难度较高，铸件的质量有所下降24。57微观观察及分析本实验采用上面制备好的未热处理的耐磨锤头试样，采用金相设备，观察试样的金相组织，其观察结果如下图56（A）、图56（B）、图56（C）所示。图56锤头金相图从上述三个金相图可以看到，耐磨锤头的基体、硬质合金和基体的交界、硬质合金三个部分晶粒分布均匀，晶界清晰。硬质合金和基体的交界部分晶界过渡自然，有相互扩散的迹象，显然合金和基体的结合是冶金结合。57耐磨锤头交界金相图57（A）未热处理20057（B）淬火处理后200将未处理的耐磨锤头试样，和淬火处理后耐磨锤头的试样，在金相设备200倍镜下观察耐磨锤头的交界处，观察结果如图57（A）和图57（B）所示。57（A）所示试样的交界处，基体和合金在锤头浇注时释放的热量作用下，两者相互扩散，结合，但是扩散的比较混乱,没有一定的梯度。57（B）所示的热处理后试样的交界处，相比较未热处理的试样，两部分相互扩散充分，结合更加紧密。图56（A）未热处理耐磨锤头基体部分500图56（B）未热处理耐磨锤头交界部分500图56（C）未热处理耐磨锤头硬质合金部分500AB图58镶块硬质合金部分扫描电镜图的1000图59镶块结合区的扫描电镜图1000图59是采用扫秒电镜观察过渡区的微区分析结果。图中的右侧为钢结硬质合金镶块组织，其特征为以F相为粘结相，在F的基体上分布着呈多边形的TIC,大的有10UM，小的只有1UM，该相为实验硬质合金的硬质相。与硬质合金的原始组织（见图58）相比，偏离交界线一定距离的硬质合金在镶铸过程中没有发生明显变化。结合区宽度在7090UM之间，在结合区，有在硬质合金中脱落的TIC颗粒进入镶块基体层。虽然基体的含碳量不高，但在结合区，由于高温钢水注入型腔后，钢水的强烈热作用使母液接触的硬质合金层界面上的F相迅速熔化，硬质相在高温的作用下溶解较多，较多的TI、C元素在结合区富集25。将热处理后的耐磨锤头试样，在基体和硬质合金的交界处，放大100倍，进行一次扫描电镜线扫描，线扫描位置如510所示，图上所标的A侧为硬质合金，B侧为镶块基体层。检测结果由图511可以看出，在浇铸的热量作用下，两者的C元素相互扩散，且在线扫描的范围内C元素分布较为均匀。图511中，显示硬质合金的TI元素在浇铸的热量作用下，其中的一部分也扩散到基体层中基体层F中的CR元素有一部分从基体层扩散到硬质合金层两部分中的FE元素相互扩散，且在线扫描的范围内FE元素分布较为均匀。根据固体金属的扩散条件，说明两者界面有足够的迁移力量；固态的扩散是依靠原子的热激活能而进行的过程，上面分析结果证明，该热处理方案的温度设置达到了很好要求；同时也符合扩散理论的时间要求；扩散原子也达到了很好的固溶。综合上面的四个个表的分析结果可以得到如下结论硬质合金通过浇铸镶铸在锤头内，浇铸时释放的热量。在微观的观察下，我们发现热量已经使锤头的基体和硬质合金块达到冶金结合，两者的元素也扩散到另一部分。图510热处理后镶块试样线扫描位置图图511各项元素含量随位置变化图58结合区的显微硬度的测试及分析本次测试采用上面制备好的耐磨锤头未热处理和热处理后的两个试样，在上面画一条线，每隔05MM，在其标记处测一次硬度。A侧为镶块的基体层，B侧为镶块试样的硬质合金层。其测量方案如图512所示。图512耐磨锤头的硬度测试方案对未热处理镶块试样的交界面进行显微硬度（HV）的测试，测试所加载载荷为196N，加载时间20S。显微硬度曲线如图513所示。从硬质合金部分（B侧）到基体（A侧）部分的过渡，硬度大幅跃升，结合区的硬度既不同于硬质合金，BA也不同于母材26。根据上面的金相和扫描电镜的观察。可以推测交界处，由于浇铸的热量作用，硬质合金层扩散到基体层，基体层扩散到硬质合金，冶金结合，晶粒扩散，导致了锤头交界处硬度由顺序的变化。热处理后的试样，也按上述方法，测其硬度，其测量结果如下图514所示。可以看出，淬火后试样的硬质合金层（B侧）的硬度上升了大概600HV，硬度超过了基体层（A侧）的硬度；同时基体的硬度也有上升，相比之下上升的不是很多。硬质合金层（B侧）到基体层（A侧）的硬度下降趋势更缓慢。经过分析，硬质合金在热处理后，晶粒扩散范围更大，程度越强，成分过渡更自然，导致硬度变化更加缓慢。图513未热处理试样的硬度折线图59本章小结采用上述方法制备的硬质合金镶铸锤头头部，用各种微观观察方法及硬度的测试，可以知道镶铸的TIC硬质合金和基体间达到了冶金结合，元素扩散合理，冶金结合良好；硬度分布有一定的梯度。同时也证明该镶铸工艺效果较好。图514热处后理试样的硬度折线图经过上述的淬火工艺处理下镶块试样，经过各种微观观察方法及硬度的测试，可以知道锤头结合面元素扩散更均匀，冶金结合更好；硬度分布更加合理。同时证明该淬火工艺合理，效果较好。6结论本文以羟基铁粉，TIC粉，碳粉为原料，采用粉末冶金法制备TIC钢结硬质合金，研究烧结温度和TIC硬质相的含量对抗冲击性能、硬度、微观组织的影响，经过实验，可以得出下列结论。烧结温度为1300时，试样未能烧结好，没有达到冶金结合；烧结温度为1500时，试样熔化，不满足本文的粉末冶金要；烧结温度为1400时，烧结的试样效果良好，达到很好的冶金结合。烧结温度为1400时，在一定范围内，增加硬质相含量，TIC钢结硬质合金的硬度增加，未热处理前最高可达洛氏硬度653HV/30/20，抗冲击性能先增加后降低。综合性能最好的是硬质相含量的TIC钢结硬质合金试样。采用上述的镶铸工艺制备的镶铸TIC硬质合金锤头头部的硬质合金块和基体冶金结合良好，硬度呈梯度分布；淬火处理后的元