注射成形硬质合金制品的缺陷及性能分析

采用粉末注射成形工艺制备硬质合金,系统研究采用2种具有相同组元和不同配比的石蜡基粘结剂时,注射成形、溶剂脱脂、热脱脂-烧结等各工序的缺陷成因及影响因素.研究结果表明:粘结剂组成对注射缺陷、溶剂脱脂缺陷与溶剂脱脂率有很大影响,从而对最终的烧结合金性能和显微组织结构产生重大影响.通过采用降低热脱脂温度和缩短热脱脂时间,并在1 410℃时进行气压烧结的2种热脱脂-烧结工艺,可解决合金碳含量偏低的问题并提高合金致密化程度,制备出性能优异的YGl0X硬质合金.其抗弯强度分别达到2 723 MPa和2 370 MPa,比传统模压-烧结法制备的硬质合金提高670～1 023 MPa.     

挤出式3D打印工艺制备WC-10Co硬质合金的显微结构与力学性能

传统方法制备复杂构件的硬质合金产品难度大,成本高,影响了硬质合金的持续发展。采用挤出式3D打印成形硬质合金打印样,经溶剂脱脂、热脱脂和气压烧结制备WC-10Co硬质合金样品,研究打印参数、脱脂工艺和烧结温度对样品的显微组织与力学性能的影响。结果表明,采用不同的喷嘴尺寸,可调节打印样的表面粗糙度与尺寸精度,使用溶剂-热脱脂两步法脱脂后脱脂坯形状与尺寸稳定,烧结后该合金的组织分布均匀,在1 450℃烧结后合金硬度为87.3 HRA,抗弯强度超过3 500 MPa,性能媲美常规粉末冶金方法制备的合金。     

梯度硬质合金结构与性能的关系

采用真空烧结-渗碳处理工艺制备了梯度结构硬质合金,通过力学性能测试、物理性能测试和光学显微分析研究了渗碳处理前的真空烧结工艺和渗碳处理时间对合金抗弯强度、冲击韧性、密度、矫顽磁力以及表层双相区厚度的影响。结果表明:在渗碳的开始阶段,合金的抗弯强度、冲击韧性以及表面硬度均随渗碳时间的延长而增大;继续延长渗碳时间,合金的力学性能开始下降;合理控制渗碳时间以便得到适当厚度的WC+Co两相区是获得高性能梯度结构硬质合金的关键因素之一;在渗碳过程中,合金的矫顽磁力和密度随渗碳时间的增加而下降,表层WC+Co两相区的厚度随渗碳时间的增加而增加。     

WC-10Co-1TaC硬质合金异形刀片注射成形与合金性能的研究

采用粉末注射成形工艺制备了合金成分为WC-10Co-1TaC的硬质合金抗弯试样和可转位异形刀片。采用电子扫描显微镜、光学显微镜、万能电子力学试验机、钴磁测量仪等对样品的形貌、组织以及力学性能进行研究分析。研究结果表明:采用溶剂脱脂+热脱脂的脱脂方式,可以很好地控制脱脂过程产生的开裂、变形;理想的溶剂脱脂温度为40℃,溶剂体积与样品体积比为7∶1,脱脂时间为6h,脱脂率为50%;理想的热脱脂工艺为:以2℃/min的升温速率从室温升到420℃并保温45min。烧结样品的抗弯强度为2200MPa,硬度(HV30)为1350MPa,矫顽磁力(Hc)为10.7kA/m,钴磁(Com)为9.4,达到制品的性能要求。     

YG8硬质合金的粉末注射成形技术

研究了WC-8％Co硬质合金的粉末注射成形工艺。结果表明:溶剂脱脂+75％N_2/25％H_2混合气体热脱脂工艺,不仅能大幅度提高脱脂速率,而且有利于合金碳含量的控制;提高预成形坯固体粉末体积含量有利于提高制品密度和尺寸精度。在1460℃烧结,保温2 h,PIM硬质合金试样的抗弯强度、硬度、密度分别达到2480MPa,HRA90和14.72 g·cm~(-3);烧结后制品保形性良好,尺寸偏差达到±0.02mm;经金相检查没有发现明显缺陷、石墨夹杂和第三相,合金组织均匀,平均晶粒度为2μm,孔隙度为A02B00。     

FeAl金属间化合物粉末注射成形工艺研究

通过机械合金化制备Fe-48at%Al金属间化合物粉末,分别按照33%、40%和50%的粉末装载量(体积分数)进行注射成形,成形坯经溶剂脱脂和热脱脂以及1 200℃真空烧结,得到FeAl金属间化合物.重点研究粉末装载量对喂料混炼、注射成形温度及压力、脱脂率及烧结组织和力学性能的影响.结果表明,机械合金化FeAl粉末由于具有不规则形状和层片结构,其注射成形喂料流动性较差;在使用高粉末装载量时应提高注射温度和压力,且溶剂脱脂率较低(7 h后为94.3%),需进一步延长脱脂时间;FeAl金属间化合物烧结试样的相对密度和抗弯强度均随粉末装载量增大而提高,当粉末装载最为50%,注射温度和注射压力分别为154℃和4.0 MPa时,材料的相对密度为92%,抗弯强度达587 MPa.     

Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr注射成形

以Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr(原子分数,%)气雾化预合金粉末为原料,采用粉末注射成形工艺制备了Ti舢合金材料,研究了该TiAl合金脱脂工艺对脱脂坯碳氧残留量和组织的影响规律及烧结工艺对烧结体显微组织、密度和压缩性能的影响规律.结果表明:在脱脂温度600℃、保温时间为1h和真空脱脂气氛条件下脱除坯体中剩余粘结剂,坯体中残余碳氧含量(质量分数)分别为0.059%和0.12%;脱脂温度从600℃升到1000℃,粉末由枝状组织转变为近γ组织;烧结温度在1410~1450℃,保温时间在1h以内,烧结体可以快速致密化;在1450℃保温30min,烧结体相对密度可以达到95%,烧结体的抗压强度为2105MPa,压缩率达到30.9%,接近铸态合金力学性能;随烧结温度升高,烧结体中的γ相逐渐减少,组织由近片层组织逐渐转变为全片层组织.     

真空烧结温度对WC-TiC-TaC-Co硬质合金组织和性能的影响

采用高能球磨、真空烧结工艺制备WC-13(TiC+TaC)-8Co-1(VC+Cr3C2)硬质合金,研究了不同烧结温度对WC-TiC-TaC-Co硬质合金微观组织、力学性能和磁性能的影响。结果表明,提高烧结温度有利于提高合金的致密度,但是过高的烧结温度会导致晶粒长大,使合金致密度下降;合金的硬度、抗弯强度和矫顽力随着真空烧结温度的提高先增大后减小;相对磁饱和强度随着烧结温度的升高呈现下降的趋势;1 400℃烧结的合金综合性能较好,合金的相对密度99.6%、抗弯强度1 992 MPa,硬度92.3 HRA,矫顽力34.3 k A/m,相对磁饱和强度为76.5%。     

注射成形纯钛脱粘和烧结工艺研究

粉末注射成形是制造复杂形状钛及钛合金零件的合适工艺。本文利用氢化脱氢（HDH）钛粉制备注射成形纯钛材料，研究了溶剂脱粘、热脱粘和真空烧结工艺对粘结剂脱除率、烧结显微组织和力学性能的影响。结果表明：溶剂脱粘的适宜温度为50～60℃，4h后可以脱除97％以上的可溶性粘结剂；在随后的真空热脱粘过程中，在200-450℃高温阶段降低升温速率、延长保温时间，有利于脱除剩余聚合物粘结剂；真空烧结温度为1250℃时，烧结致密度可高达98％，但表层易形成硬质TiC相和微量TiO2相；在该温度下烧结1．5h，制品抗拉强度和伸长率分别提高到349MPa和6．4％，继续延长烧结时间会导致拉伸性能下降。     

注射成形Ti-6Al-4V合金的显微组织和力学性能

采用金属注射成形方法制备Ti-6Al-4V合金坯体,然后利用溶剂脱脂和热脱脂工艺脱除坯中粘结剂,研究了合金在真空烧结和热等静压烧结条件下的显微组织和力学性能.结果表明:真空烧结Ti-6Al-4V合金具有典型的魏氏体组织,其初始的β晶粒粗大,β晶粒内为次生片状α和薄β相片,空隙较多,合金的强度和塑性较低;合金经热等静压处理后,组织明显细化且均匀,空隙很少或几乎没有,从而强度和塑性都有所提高.     

粉末注射成形钛合金的脱脂和烧结性能

应用粉末注射成形技术制备出高精度、高性能的异形钛合金零器件。通过多粒度粉末搭配,采用聚甲醛为主组元的多组元粘结剂,制备出高装载量催化脱脂型钛合金喂料,再经真空烧结获得制品。研究了催化脱脂工艺的影响因素以及喂料配比对烧结性能的影响。结果表明:当大（D₅₀=25.28 μm）、中（D₅₀=16.75 μm）、小（D₅₀=12.66 μm）颗粒按质量比17:6:2搭配时,钛合金混合粉末相对振实密度较大,为55%。喂料较佳的催化脱脂工艺为:脱脂温度120 ℃,N₂通入速率120 cm3·min?1,HNO₃气体通入速率1.5 cm3·min?1,脱脂时间6 h,粘结剂脱除率85%。采用全流程控制杂质含量技术,粉末注射成形钛合金制品的烧结性能可以达到相对密度95.9%,拉伸强度933 MPa,抗弯强度1282 MPa,延伸率7.5%,其中C质量分数为0.10%,O质量分数为0.21%。     

注射成形钨合金用新型粘结剂的研究

针对形状异常复杂的大钨环和大直径(≥20．00mm)的钨棒在注射成形中存在的问题。综合利用了蜡基粘结剂与油基粘结剂的优点，研究制备一种多组元油 蜡塑料体系改性粘结剂OP3010。研究对比了该种粘结剂与传统蜡基粘结剂和油基粘结剂对注射料流变性、热性能及注射坯脱脂的影响。由此种新型粘结剂组成的注射料具有流变性好、注射工艺稳定、注射压坯强度高、注射温度范围宽、易于脱模等特点，可以成功制备无缺陷的大钨环、大钨棒弹芯材料的注射坯。该粘结剂在溶剂脱脂时脱除速度快，粘结剂脱除量大，可达74％左右。而且脱脂后的毛坯强度高、不变形。可成功实现大钨棒和钨环的脱脂，并制备综合力学性能高的散弹和弹芯材料。     

粗晶硬质合金硬度和强度影响因素的分析研究

采用变量搜索试验设计方法,研究了合金碳含量、烧结工艺、钴含量、粘结相成分配比、球料比、球磨时间这六个因素及因素间两两交互作用对粗晶硬质合金硬度、横向断裂强度的影响。结果表明:钴含量、球磨时间是影响硬度的主要因素;烧结工艺、球磨工艺和粘结相成分配比是影响合金强度的主要因素。适当提高烧结温度,可得到缺陷更少、粘结相分布更为均匀故强度更高的粗晶硬质合金。     

Sm(Co,Cu,Fe,Zr)z永磁体注射成形坯溶剂脱脂工艺的研究

本文对Sm(Co0.721Cu0.08Fe0.174Zr0.025)7.5注射成形坯进行了溶剂脱脂实验,通过溶剂、温度、装载量和生坯厚度对脱脂速率的影响,分析了注射坯的溶剂脱脂工艺过程.结果表明在溶剂中添加植物油能有效地抑制脱脂过程中注射坯开裂,并且粘结剂的脱除率可达70%以上;溶剂脱脂的初期主要受扩散反应控制、随着脱脂温度升高和装载量降低,脱脂速率增加,脱脂的后期溶解成为脱脂的主要控制性环节,温度和装载量对脱脂速率的影响与起始阶段相反;注射坯越厚,粘结剂的脱除率越低.     

Fe-2Ni注射成形的溶剂脱脂

对石蜡-油-聚烯烃粘结剂溶剂脱脂相关问题进行了研究,包括溶剂和聚合物种类对脱脂过程的影响,以及脱脂坯强度、脱脂后干燥、溶剂回收等,结果表明:用二氯甲烷作溶剂,脱脂速率高于三氯甲烷;温度升高,溶剂脱脂速率增加,脱脂速率可达到2mm/h;乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)作聚合物组分,溶剂脱脂后开裂,这与EVA在溶剂中溶胀率较大有关;坯块强度随脱脂进行而降低;石蜡-油在溶剂中累积使脱速率有所降低,可通过蒸馏方法使溶剂回收,回收率可超过95％(质量分数)。     

MIM溶剂脱脂型石蜡-油-聚乙烯粘结剂的研究

对传统的石蜡－聚乙烯粘结剂进行改性,开发出了用于Fe-2Ni粉末注射成形的石蜡－油－聚乙烯粘结剂,考察了油的加入对组份相容性、生坯强度、粉末装载量、注射料热容、溶剂脱脂速率的影响,并用偏光显微镜观察到了粘结剂中各相的分布。该粘结剂用于Fe-2Ni注射成形,粉末装量达60％（体积分数）,生坯强度5．5MPa,溶剂脱脂速率2mm/h以上。     

粉末注射成形蜡基粘结剂溶剂脱脂行为研究

以YG8硬质合金为实验对象,研究了蜡基粘结剂注射成形生坯的溶剂脱脂行为,考察了时间、温度、生坯形状、厚度、表面积、粉末装载率和液固比对脱脂速率的影响,分析讨论了各因素影响脱脂速率的原因.结果表明:溶剂脱脂速率随温度升高而升高,随时间的延长而降低;脱脂初期扩散是控制性环节,温度是影响反应速率的主要因素,脱脂后期溶解成为控制性环节,浓度差减为影响反应速率的主要因素;液固比越大,脱脂速率越快,粘结剂最终脱除率越高;生坯粉末装载率越高,脱脂速率越慢,粘结剂最终脱除率越低;生坯形状对脱脂速率影响表现为样品厚度和表面积的影响,回归分析表明,脱脂速率与生坯表面积成正比,与生坯厚度的平方成反比.     

热处理对粉末注射成形钛合金的组织与性能的影响

采用粉末注射成形方法制备了钛合金坯体,利用溶剂脱脂和热脱脂方法脱除坯体中粘结剂,并在真空气氛下烧结致密钛合金样品.真空烧结后,经960℃和140MPa热等静压处理,在720~760℃进行1~1.5h退火处理获得的样品微观结构为均匀的双态组织,由许多等轴较小的α晶粒和少量尺寸较小的β晶粒组成.XRD分析结果表明,当退火温度高于800℃时,样品存在Ti₃Al杂质相.