大質量鋼結硬質合金坯件的研制

葉 健 譚志強 高 薇 徐玉秀 劉文宇

（1.山東省機械設計研究院，濟南 250031；2.齊魯工業大學（山東省科學院） 機械與汽車工程學院，濟南 250353；3.山東省科學院新材料研究所，濟南 250001）

鋼結硬質合金是以難熔金屬硬質化合物為硬質相、以鋼作粘結相的一種鋼基復合材料。鋼結硬質合金兼有碳化物的硬度、耐磨性以及鋼的良好力學性能，主要用作耐磨零件和機器構件等。它的組織特點是微細的硬質相均勻彌散地分布在鋼的基體中[1]。鋼結硬質合金的硬質相（主要是碳化鈦或碳化鎢）一般占合金總質量的30%～50%，其余部分為鋼基體。鋼結硬質合金可采用普通粉末冶金法、熔滲法、熱壓法和等靜壓法生產。它的性能不僅與成分有關，而且與制造工藝有關。

壓制成形是鋼結硬質合金制造工藝的重要環節，其成形毛坯的質量將直接影響最終產品的質量[2-3]。壓制工藝通常采用的是模壓成型，使用的壓機是液壓機。粉末在模壓成形時所需的壓制力由兩部分組成：一是在沒有摩擦的條件下，使粉末壓實到一定程度的壓力，稱為“凈壓力”；二是克服粉末顆粒和壓模之間摩擦的壓力[4]。在模壓成形時，由于粉末顆粒之間的互相摩擦和粉末顆粒與模壁之間的摩擦，使壓坯的各點所受到的壓力不同。一般來說，距離加壓沖頭越遠的位置，所受到的壓力越小，這種現象稱為壓力降。引起壓力分布不均勻的主要原因是粉末顆粒之間和粉末與模壁之間的摩擦力。粉末越細，形狀越復雜，壓坯中的壓力降越大。當壓坯高度足夠大時，不管壓制壓力有多大，壓坯底面上的壓力都可能趨于零。實踐表明，降低壓制品的高度、實行雙向加壓或增大壓坯直徑等措施，都能降低壓制壓力的不均勻性。而對于大質量、大尺寸的鋼結硬質合金坯件，常規的液壓機模壓工藝已不能滿足成型的要求。

等靜壓技術是根據帕斯卡原理開發的一種新型粉體成型和固結技術。帕斯卡原理也稱為靜壓傳遞原理，主要內容是在密閉容器內介質（液體或氣體）的壓強可以向各個方向均等傳遞。等靜壓技術目前已廣泛應用于鑄造、原子能、塑料、陶瓷、石墨、高性能材料以及軍工等領域，按成型和固結時的溫度高低可將其分為冷等靜壓、溫等靜壓和熱等靜壓3種不同類型。冷等靜壓技術（Cold Isostatic Pressing，CIP）是一種在常溫下用橡膠或塑料作包套模具材料，以液體為壓力介質的成型固結技術，主要用于粉體材料成型，為進一步燒結、鍛造及熱等靜壓工序提供坯體。它的一般使用壓強為100～630 MPa。

本文以碳化鎢基鋼結硬質合金為例，探討30～40 kg大質量、大尺寸坯件的制作工藝。

1 實驗原材料

1.1 配料

鋼結硬質合金制備混合料所需的粉末有碳化鎢粉、鐵粉、中間合金粉末和碳黑等，其中所需碳化鎢的化學成分和技術條件如表1所示。

表1 碳化鎢的化學成分和所需技術條件

所需鐵粉一般用可以滿足要求的還原鐵粉，其化學成分如表2所示。

表2 還原鐵粉化學成分

中間合金粉末有高碳鉻鐵粉末和鉬鐵粉末等。實驗時，將碳化鎢粉、鐵粉、中間合金粉末和碳黑等粉末混在一起形成混合料進行球磨。

1.2 球磨

混合料球磨通常在不銹鋼制磨筒的球磨機中進行。磨球采用6～10 mm大小不等的鋼球，裝球量為球磨筒容積的40%～50%，球料比一般為3:1，每公斤原料中酒精加量為250～300 mL，球磨時間為24 h。

1.3 料漿的處理

球磨料漿的處理包括沉淀、干燥和過篩等工序。為了改善混合料的壓制性，通常需要在混合料中加入成形劑。在鋼結硬質合金生產中一般采用石蠟和合成橡膠作為成形劑，在攪拌并干燥過篩后即可進行壓制。

2 壓制成形

2.1 模具準備及裝粉

開始試驗前需要根據坯件的質量、形狀以及后續加工的加工余量，先設計出燒結毛坯的形狀尺寸，再根據燒結收縮比計算出壓型毛坯的尺寸，并通過CIP的收縮系數得出混合粉末的裝粉尺寸，然后利用坯件的質量和混合料的松裝密度來驗證和調整松裝尺寸，即裝粉尺寸。各尺寸間的對應關系為：松裝尺寸壓制尺寸燒結尺寸鍛造尺寸坯件尺寸。例如：對毛坯尺寸為245 mm×180 mm×85 mm的坯件，受鍛造火耗影響，其裝粉的總質量為39 kg，松裝尺寸為320 mm×260 mm×230 mm。因為要在模具高度上留有余量，所以成形模的尺寸為320 mm×260 mm×280 mm。由于液體各向傳遞壓力的帕斯卡原理，需要在各模板壁上鉆適量Φ3 mm的小孔，如圖1所示。

圖1 壓制模具

因為采用CIP制作工藝時各個方向同時壓縮，收縮系數一致，所以模具的形狀即為壓制坯的形狀。在鋪粉之前，需要將氣球平鋪并套在模具上。如果直接將混合粉裝入氣球中，壓制后會出現很多褶皺和大圓角，甚至會將氣球壓進混合料中，從而很難清理和脫出。因此，在裝粉之前，要先用一層塑料在氣球中沿模具的各個表面鋪開，并在塑料上提前扎出許多小孔，再用硬紙板將氣球及這層塑料在模具模腔中撐開，如圖2所示，隨后將混合料裝入模腔中。混合料裝粉時，要盡量將上表面攤平。待裝粉完成后，將4個硬紙板輕輕拉出，然后將事先預留的帶孔塑料平鋪在上平面，之后排出氣球中多余的空氣，并扎緊氣球的口，如圖3所示，至此裝粉完畢。

圖2 裝粉前

圖3 裝粉后

2.2 CIP壓制

壓制時的壓強為200 MPa。壓制過程中，要將壓強從0 MPa緩慢提升到200 MPa，期間用時為9 min，加壓完成后保壓3 min。卸壓過程分3個階段進行：第1階段將壓強從200 MPa降低至150 MPa；第2階段將壓強從150 MPa降低至120 MPa；第3階段將壓強從120 MPa降低至0 MPa。卸壓后，將模具從液體中取出并脫模，成型后的壓制毛坯如圖4所示。在整個壓制和卸壓過程中，一定要保證氣球扎緊，否則在較強的壓強下液體很容易從密封口進入氣球內，從而污染混合料。由于氣球的柔軟和不規則性，脫模后可以適當修磨壓制毛坯。

圖4 壓制毛坯

3 燒結及鍛造

3.1 燒結

鋼結硬質合金的壓坯燒結過程屬于液相燒結。整個燒結過程可分為低溫燒結、固相燒結和液相燒結3個階段。對于大質量、大尺寸坯件通常采用二次燒結工藝，其中最重要的是預燒結階段，主要目的是脫除成形劑。在低溫燒結階段，隨著溫度的升高，成形劑會逐漸被排出。但是，因為坯件質量和尺寸較大，成形劑的排出速度較慢，所以需適當降低升溫速度，同時增加保溫時間，否則若成形劑排除不干凈，極易形成孔洞等缺陷。待成形劑排除完畢后，可升溫至預燒結溫度，并保溫1 h，從而完成預燒結過程。第二次燒結即固相燒結和液相燒結階段。與普通件相比，這兩個階段均應延長燒結時間，使燒結體充分收縮，并保證其整體致密。燒結完成后的毛坯如圖5所示。

圖5 燒結毛坯

3.2 鍛造

為了達到所需坯件的形狀尺寸并進一步提高其致密性，燒結毛坯要進行鍛造加工。鍛造過程中各參數及毛坯尺寸分別為：始鍛溫度為1 150～1 200 ℃；終鍛溫度為900～920 ℃；鍛前（燒結坯）尺寸為214 mm×176 mm×112 mm；鍛 后 尺 寸 為245 mm×185 mm×90 mm。鍛造后需要進行退火處理，并對鍛件的6個面進行超聲波探傷。鍛件無裂紋、孔洞等缺陷方為合格。鍛造坯件如圖6所示。

圖6 鍛造坯

3.3 性能檢測

檢測鍛造完成后的坯件性能時，要從坯件上取小塊試樣進行性能檢測，并同常規粉末壓制燒結鍛造工藝制作的鋼結硬質合金件進行比較。兩種鍛造件的性能參數如表3所示，其中數據均為平均值。

表3 兩種鍛造件的性能參數

4 結論

對比分析坯件的制作過程及CIP鍛壓件與常規壓制燒結件的性能參數，得出以下結論。

（1）用CIP及鍛造的工藝完全能完成30～40 kg的大質量、大尺寸鋼結硬質合金坯件的制作，且質量合格。

（2）采用CIP制作工藝時，在軟模套（氣球）和混合料中間增加了一層扎孔的塑料薄膜，易于脫模和坯件的成型。

（3）由于坯件質量和尺寸較大，燒結時采用了二次燒結工藝。在預燒結階段，特別是脫除成形劑時，一定要降低升溫速度，增加保溫時間，以保證成形劑完全脫除。隨后的升溫速度也要放慢，以使燒結體充分收縮，并保證其整體致密。

（4）鍛造的目的在于達到坯件的最終尺寸形狀，且提高材料的綜合性能。本文中采用的制作工藝比常規制作工藝成本費用更低，且工藝相對簡單。