顏少平

● （海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，湖北 武漢 430084）

某艉軸管密封裝置硬質(zhì)合金動環(huán)燒結(jié)工藝研究

顏少平

● （海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，湖北 武漢 430084）

通過對某型艉軸管密封裝置硬質(zhì)合金動環(huán)冷壓氣壓燒結(jié)工藝的研究，有效的解決了熱壓燒結(jié)工藝中存在的缺陷，改善了產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)，提高了綜合技術(shù)性能。

硬質(zhì)合金；動環(huán)；燒結(jié)；工藝；研究

0 引言

硬質(zhì)合金[1]是由難熔金屬碳化物與粘結(jié)相金屬，采用粉末冶金法制得的復(fù)合材料，具有較高的硬度、抗彎強度、抗腐蝕和耐磨性。同時鈣合金具有較低的彈性模量、熱膨脹系數(shù)和較好的高溫性能，即使在1000℃時也能超過碳素鋼的常溫硬度。因而，被廣泛應(yīng)用于金屬切削來加工刀具、礦山鉆探工具、耐磨耐腐蝕零件，耐高溫、高壓和高沖擊模具等各個領(lǐng)域。艉軸管密封硬質(zhì)合金動環(huán)，由于其工作性質(zhì)和環(huán)境的要求，具有耐磨、耐高溫和耐腐蝕的特點。由于在前期制作中大型冷壓機的缺乏，對于外形幾何尺寸較大的該硬質(zhì)合金動環(huán)，只能采用熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)。隨著世界工業(yè)的快速發(fā)展，對硬質(zhì)合金綜合性能和結(jié)構(gòu)也提出了越來越高的要求，通過配備先進水平的壓力燒結(jié)爐、大噸位壓機，可確保大尺寸制品壓坯通過冷壓成型使其具有一定幾何形狀、密度和密度分布的均勻性，利用壓力燒結(jié)爐改善合金組織結(jié)構(gòu)、降低合金孔隙度，提高合金綜合性能。這種冷壓-氣壓燒結(jié)[2]生產(chǎn)技術(shù)能滿足外形幾何尺寸達500mm、質(zhì)量100kg的硬質(zhì)合金產(chǎn)品的技術(shù)性能要求。為提高該硬質(zhì)合金動環(huán)的綜合性能，改善金相組織結(jié)構(gòu)，有必要開展冷壓-氣壓燒結(jié)工藝的研究。動環(huán)物理力學(xué)性能及金相組織結(jié)構(gòu)技術(shù)要求，見表1。

表1 動環(huán)物理力學(xué)性能及金相組織結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

1 幾種硬質(zhì)合金成型工藝及其特點分析

1.1 熱壓燒結(jié)工藝

該工藝采用混合料直接放入石墨模具中，通過對石墨模具邊通電加熱邊加壓而一次成型并合金化，適合單件和數(shù)量少的大規(guī)格異型產(chǎn)品的生產(chǎn)。其優(yōu)點是生產(chǎn)工藝流程簡單，生產(chǎn)周期短，同時在加熱狀態(tài)下，粉末料的塑性大大改善，加速了粉末的致密化過程，需要的成型壓力小。缺點是：物料在成型過程中，主要依靠空氣中的氧氣與石墨模具中的碳高溫反應(yīng)形成CO作為保護氣氛，粉末在熱壓過程中易出現(xiàn)氧化還原的逆反應(yīng)，不利于質(zhì)量控制；多孔的石墨模具吸附合金中的粘結(jié)相，同時邊加壓邊升溫容易造成鈷(鎳)流失，產(chǎn)品內(nèi)外出現(xiàn)粘結(jié)相成分梯度，最終形狀靠人工修磨和深度加工；熱壓成型過程中對溫度的監(jiān)控測量依靠光學(xué)測溫儀人工觀測，人為誤差造成工藝控制難度大。

1.2 冷壓成型真空燒結(jié)工藝

該工藝采用摻有成型劑的混合料，在室溫條件下壓制成具有一定幾何形狀、尺寸及強度的壓坯，在脫膠爐內(nèi)完全脫除成型劑后，在全自動程控真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)成合金。其優(yōu)點是：模壓成型的幾何形狀、尺寸精度可通過模具完全控制，適合大批量生產(chǎn)；成型劑的完全脫除可通過檢測合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)判定；燒結(jié)爐內(nèi)氣氛純凈，同時負(fù)壓有利于低熔點雜質(zhì)揮發(fā)，改善了粘結(jié)相對硬質(zhì)相的濕潤性，有利于產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)均勻，性能穩(wěn)定，并能獲得較高的強度；脫除成型劑及燒結(jié)工藝依靠編程自動控制，減少人為影響。缺點是：模具制造費用高，單件和小批量生產(chǎn)成本高；負(fù)壓燒結(jié)易出現(xiàn)鈷(鎳)的揮發(fā)損失。

1.3 冷壓成型氣壓燒結(jié)工藝

該技術(shù)基本原理是產(chǎn)品在真空燒結(jié)進入液相燒結(jié)階段后，打入高壓惰性氣體，對產(chǎn)品進行加壓燒結(jié)，基本原理與熱等靜壓相似[2]。氣壓燒結(jié)中，粘結(jié)相快速流動，加速WC相的遷移，促使孔隙被鈷(鎳)填充。與普通真空燒結(jié)相比，避免了鈷(鎳)揮發(fā)流失，合金結(jié)構(gòu)均勻性提高，孔隙度下降，強度提高約30%。實際上，熱壓燒結(jié)過程的本質(zhì)與冷壓氣壓燒結(jié)沒有區(qū)別，只是熱壓燒結(jié)是混合料在受熱狀態(tài)下，受壓力的作用而成型并合金化。而冷壓燒結(jié)是將混合料先壓制成型后在爐氣純凈的氣氛中真空預(yù)燒結(jié)，再加壓進行最終階段的燒結(jié)。應(yīng)當(dāng)指出，硬質(zhì)合金的致密化過程主要是通過固相燒結(jié)和液相燒結(jié)過程來完成的，即隨著燒結(jié)溫度的提高，碳化鎢向固體鈷(鎳)中擴散以及鈷(鎳)相顆粒間的焊接作用的加強，制品在此階段發(fā)生激烈的收縮，在同等溫度下更為充分的密實壓坯較松散的粉末。在液相出現(xiàn)后，由于粘性流動的加強，致密化過程迅速完成而得到組織結(jié)構(gòu)均勻的致密合金。

2 艉軸管密封硬質(zhì)合金動環(huán)冷壓氣壓燒結(jié)工藝研究

2.1 小批試驗

根據(jù)前期熱壓燒結(jié)法生產(chǎn)的艉軸管密封硬質(zhì)合金動環(huán)的成功經(jīng)驗，結(jié)合其物理技術(shù)性能要求，確定研制方案：按一定比例配料，以酒精為濕磨介質(zhì)，球料比為 4∶1。濕磨后的料漿過300目篩網(wǎng)卸料、干燥，溫度控制在90～100℃，得到的混合料摻成型劑后壓機壓制成型，得到國標(biāo)B試樣壓坯。壓坯經(jīng)脫除成型劑工藝試驗，確定合理的升、保溫曲線，并預(yù)燒到600℃。燒結(jié)采用小型真空燒結(jié)爐，溫度控制在 1400℃～500℃，最高真空度達 0.5Pa。經(jīng)反復(fù)試驗研究，確定YSN20合金合理的成分配比為：WC：88.48%，Ni+Cr：11.52%，其中 Cr3C2：0.68%，物理力學(xué)性能及金相組織結(jié)構(gòu)見表2。

表2 小批試驗物理力學(xué)性能及金相組織結(jié)構(gòu)

2.2 大批試驗

根據(jù)小批試驗的結(jié)果，進行中批生產(chǎn)試驗，并依此確定艉軸管密封硬質(zhì)合金動環(huán)試制及大批生產(chǎn)的工藝流程如下：WC、Ni+Cr3C2→配料濕磨→卸料干燥→物理機械性能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)鑒定→摻膠混合→小樣質(zhì)量檢查→冷壓成型→壓坯檢查→脫膠→氣壓燒結(jié)→毛坯檢查→加工→成品檢查→合格后包裝入庫。在生產(chǎn)工藝執(zhí)行過程中嚴(yán)格控制以下幾個環(huán)節(jié)。

1）混合料質(zhì)量的好壞，關(guān)系到最終合金制品的性能和組織結(jié)構(gòu)。采用可傾斜式濕磨機和雙錐干燥器，確保混合料質(zhì)量達到受控要求。

2）混合料鑒定是對生產(chǎn)的混合料逐批取樣進行化學(xué)分析，確保配料準(zhǔn)確性，并按大批生產(chǎn)工藝條件制備國標(biāo)B試樣，真空燒結(jié)后，進行物理力學(xué)性能和金相組織結(jié)構(gòu)檢驗，需達到表3中的技術(shù)要求，方可轉(zhuǎn)摻成型劑混合。

表3 混合料物理力學(xué)性能和金相組織結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

表4 φ20mm×30mm試樣物理力學(xué)性能和金相組織結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

表5 冷壓氣壓燒結(jié)工藝與熱壓燒結(jié)產(chǎn)品性能比較

3）摻成型劑混合、干燥、擦碎，并按五點取樣法隨機取樣壓制成 φ1mm×15mm 壓坯，按大批脫成型劑和真空燒結(jié)工藝制備試樣，檢驗合金斷口無臟化、滲C、脫C等，方可轉(zhuǎn)料壓制。

4）壓制采用大噸位壓機成型，檢查壓坯幾何形狀和尺寸精度在控制范圍，無裂紋、分層、未壓好、掉邊角等缺陷。壓坯與合金的線收縮比 1.25，壓制壓力 11MPa～12MPa。

5）脫成型劑預(yù)燒采用多點測溫儀測試爐內(nèi)溫度分布達到內(nèi)控要求，編制升、保溫程序曲線，在300℃～500℃進行成型劑的完全脫除和700℃預(yù)燒，確保生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。

6）燒結(jié)采用全自動編程控制并可氣氛調(diào)節(jié)的真空壓力燒結(jié)爐，根據(jù)同類產(chǎn)品燒結(jié)工藝及大批量生產(chǎn)實際經(jīng)驗，燒結(jié)溫度控制在1460℃～1480℃，保溫60min～90min。

7）預(yù)先用同批號混合料制備 φ20mm×30mm 試樣，并隨同大批密封環(huán)一起脫除成型劑、預(yù)燒、燒結(jié)，檢查試樣的物理力學(xué)性能和金相組織，達到表4中的要求。同時，對密封環(huán)進行探傷，無裂紋、孔洞，表面檢查掉邊≤0.2mm，無麻面、滲脫碳，幾何形狀、尺寸檢查達到公差要求。

8）深度加工采用數(shù)控磨床等進行外圓、平面、內(nèi)孔、倒角加工，確保獲得幾何形狀、形位公差達到技術(shù)要求。

3 冷壓氣壓燒結(jié)工藝與熱壓工藝產(chǎn)品性能比較

對原熱壓燒結(jié)法和新工藝生產(chǎn)的艉軸管密封硬質(zhì)合金動環(huán)采用線切割、磨削加工方法制備B試樣，檢驗物理力學(xué)性能及金相組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果比較見表5。可看出，采用冷壓氣壓燒結(jié)法生產(chǎn)的密封動環(huán)在綜合性能和組織上優(yōu)于熱壓燒結(jié)法，保證了產(chǎn)品耐磨性、抗蝕性的技術(shù)指標(biāo)，又避免了熱壓生產(chǎn)存在的不足。冷壓氣壓燒結(jié)的產(chǎn)品金相結(jié)構(gòu)WC增粗并結(jié)晶完整、使得粘結(jié)相厚度增加。因而合金強度和韌性增強，有利于密封動環(huán)使用的可靠性提高。采用先進的氣壓燒結(jié)爐，全程控制溫度的脫蠟爐，溫場均勻且控制手段先進，動環(huán)組織結(jié)構(gòu)致密、均勻。

[1]黃培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社,1981.

[2]黃英華. 硬質(zhì)合金燒結(jié)方法的新近展[J]. 上海金屬,2005 (1): 42-46.

Sinter Technology Research for Certain Trail Axis Pipe Airproof Hominess Alloy Moving Ring

YAN Shao-ping
(Naval Representation Office Stationed at 461 Factory , Wuhan 430084, China)

According to the sinter technology research of cold pressure and air pressure for a certain trail axis pipe airproof hominess alloy moving ring, the disfigurement is effectual resolved existing in the heat pressure sinter technology. The structure configuration of production is improved, and the integrate technique performance is increased.

hominess alloy; moving ring; sinter; technology; research

TG113

A

顏少平（1964-），男，高級工程師。研究方向：艦船機械及兵器應(yīng)用。