硬质合金棒的制造过程包括哪些主要步骤?

硬质合金棒,通常指整体硬质合金棒料或棒材,常用于制作钻头、立铣刀等切削工具。硬质合金棒制造过程中的主要步骤包括:

配料 → 湿法球磨混合 → 喷雾干燥制粒 → 压制成型(生坯) → 脱脂 → 高温(液相)烧结 → 精加工(磨削、切割等) → 检测包装

1. 粉末制备与配料

原料粉末:使用极细颗粒(通常亚微米级)的碳化钨(WC)粉末和钴(Co)粉末作为主要原料。根据性能要求,还可能添加其他碳化物(如TiC、TaC、NbC等)。

配方设计:根据最终产品的用途(如切削、耐磨、冲击韧性等),精确计算碳化钨和粘结相钴的比例,以及其他添加剂的量。

湿法球磨混合:将配好的粉末与有机溶剂(如酒精或丙酮)及成型剂(如石蜡或聚乙烯醇)一起放入球磨机中。通过长时间球磨,使各组分充分混合均匀,并进一步细化粉末颗粒,形成均匀的混合料浆。

2. 干燥与制粒

喷雾干燥:将混合料浆通过喷雾干燥塔。热氮气或空气使溶剂瞬间蒸发,得到流动性好、成分均匀的干燥颗粒状粉末。这些颗粒易于后续的压制成型。

3. 压制成型

模压成型:将制粒后的粉末装入精密模具中,在压机(通常为液压机或机械式压机)上施加高压(几十到几百兆帕),压制成具有一定强度和密度的生坯棒料。此时棒料很脆,像粉笔。

等静压成型(可选,用于更高要求):对于更大尺寸或要求密度更均匀的棒材,可将模压后的坯料或粉末装入柔性模具(如橡胶套),放入等静压机中,通过液体介质(油或水)施加各向同性的超高压力,使坯体密度极其均匀。

4. 预烧结/脱脂

去除成型剂:将生坯放入低温烧结炉(通常是真空或气氛保护),缓慢加热到一定温度(如300-600°C),使步骤1中加入的成型剂(石蜡等)完全挥发和分解排出。此步骤后,坯体仅有少许强度。

5. 烧结

高温烧结:这是最关键的步骤。将脱脂后的坯体放入真空烧结炉或低压热等静压(HIP)烧结炉中。

过程:在高温下(通常1300-1500°C),粘结相钴熔化,形成液相。通过液相烧结机制,碳化钨颗粒在液相钴中重新排列、溶解和析出,填充孔隙,使坯体发生显著收缩(线性收缩率可达15-20%),并获得接近理论密度的最终致密结构。

HIP烧结:在烧结的同时或后期施加高压惰性气体(如氩气),可以有效消除材料内部残留的微小孔隙,使硬质合金达到几乎100%的致密度,显著提升其力学性能。

6. 后续加工(精加工)

烧结后的棒材(烧结态)虽然已达到高硬度,但尺寸精度和表面光洁度未必满足直接使用要求,通常需要:

无心磨削:对棒材外圆进行高精度磨削,以达到精确的直径尺寸和良好的圆柱度。

矫直:对弯曲的棒材进行矫直。

切割:根据客户要求,将长棒切割成特定长度。

表面处理/涂层(可选):对于一些高端刀具用棒材,可能会直接进行表面涂层(如TiN、TiAlN等)制备,客户购买后只需加工刃口即可。

7. 质量检测

贯穿整个生产过程,对最终产品进行严格检测,包括:

物理性能:密度、硬度(HRA)。

力学性能:抗弯强度、断裂韧性。

微观结构:金相检查(观察WC晶粒度、钴相分布、孔隙度等)。

几何尺寸:直径、长度、直线度等。

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