哪些因素會(huì)影響熱等靜壓工藝處理硬質(zhì)合金刀具的效果？

來源：發(fā)布時(shí)間：2024-10-24

1. **溫度因素**

- **原理**：熱等靜壓過程中的溫度對(duì)硬質(zhì)合金刀具的微觀結(jié)構(gòu)演變有著關(guān)鍵作用。溫度影響原子的擴(kuò)散速率，在合適的溫度下，硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)相（如WC）和粘結(jié)相（如Co）原子能夠充分?jǐn)U散，促進(jìn)孔隙的閉合和材料的致密化。如果溫度過低，原子擴(kuò)散緩慢，孔隙閉合不完全，無法達(dá)到理想的致密化效果。例如，對(duì)于WC - Co硬質(zhì)合金刀具，當(dāng)熱等靜壓溫度低于1300℃時(shí)，Co粘結(jié)相的流動(dòng)性較差，難以充分填充WC顆粒間的孔隙。

- **溫度范圍及影響**：不同成分的硬質(zhì)合金刀具有其適宜的熱等靜壓溫度范圍。一般來說，WC - Co硬質(zhì)合金刀具的熱等靜壓溫度在1350 - 1400℃之間較為合適。在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，材料的致密化程度提高，刀具的硬度和強(qiáng)度等性能也隨之提升。然而，如果溫度過高，超過1450℃，可能會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，使刀具的韌性下降。對(duì)于WC - TiC - Co硬質(zhì)合金刀具，由于TiC的存在增加了材料的穩(wěn)定性，熱等靜壓溫度可適當(dāng)提高到1400 - 1450℃，但同樣需要注意避免過高溫度引起的晶粒異常長(zhǎng)大。

2. **壓力因素**

- **原理**：壓力是熱等靜壓工藝的主要中心參數(shù)之一。足夠的壓力能夠使刀具材料中的孔隙在高溫下被有效壓實(shí)。壓力通過作用于材料內(nèi)部的孔隙和顆粒，促使它們相互靠近并重新排列，從而減少孔隙率。如果壓力不足，孔隙無法充分閉合，材料的密度提升有限。例如，當(dāng)熱等靜壓壓力低于100MPa時(shí)，對(duì)于一些大型或初始孔隙率較高的硬質(zhì)合金刀具，很難達(dá)到理想的致密化效果。

- **壓力范圍及影響**：熱等靜壓壓力通常在100 - 200MPa之間。在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，隨著壓力增加，刀具的密度逐漸增大，硬度和強(qiáng)度也相應(yīng)提高。例如，將壓力從100MPa提高到150MPa，硬質(zhì)合金刀具的密度可提高3% - 5%，抗彎強(qiáng)度可提高8% - 12%。但過高的壓力可能會(huì)導(dǎo)致刀具表面與內(nèi)部的應(yīng)力差異過大，產(chǎn)生新的缺陷，或者對(duì)設(shè)備要求過高，增加生產(chǎn)成本。

3. **時(shí)間因素**

- **原理**：熱等靜壓時(shí)間決定了材料在高溫高壓環(huán)境下的組織演變程度。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，材料內(nèi)部的孔隙閉合、原子擴(kuò)散等過程更加充分，刀具的性能得到更好的優(yōu)化。如果熱等靜壓時(shí)間過短，材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)調(diào)整不徹底，孔隙率仍然較高，性能提升不明顯。例如，對(duì)于直徑為10mm的硬質(zhì)合金刀具，若熱等靜壓時(shí)間少于1小時(shí)，內(nèi)部孔隙可能無法完全消除。

- **時(shí)間范圍及影響**：熱等靜壓時(shí)間一般在1 - 3小時(shí)左右。在這個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)，刀具的密度和性能會(huì)隨著時(shí)間逐漸優(yōu)化。開始階段，密度和性能提升較為明顯，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，變化速率逐漸減緩。當(dāng)時(shí)間過長(zhǎng)，如超過3小時(shí)，雖然刀具性能可能會(huì)進(jìn)一步改善，但改善程度有限，同時(shí)會(huì)增加生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。

4. **原始材料狀態(tài)因素**

- **粉末粒度和分布**：硬質(zhì)合金刀具原始粉末的粒度大小和分布情況會(huì)影響熱等靜壓效果。較細(xì)的粉末粒度在熱等靜壓過程中更容易實(shí)現(xiàn)致密化，因?yàn)榧?xì)粉末具有更大的比表面積，原子擴(kuò)散路徑短，有利于孔隙的填充。如果粉末粒度分布不均勻，在熱等靜壓過程中，可能會(huì)出現(xiàn)局部致密化程度不一致的情況，影響刀具的整體性能。例如，當(dāng)WC粉末粒度差異較大時(shí)，在相同的熱等靜壓條件下，粒度小的粉末區(qū)域致密化效果好，而粒度大的粉末區(qū)域可能仍存在較多孔隙。

- **原始孔隙率**：刀具坯體的原始孔隙率對(duì)熱等靜壓效果也有明顯影響。原始孔隙率高的刀具在熱等靜壓過程中有更大的致密化空間，但也需要更高的壓力和更長(zhǎng)的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)良好的致密化。相反，原始孔隙率低的刀具致密化相對(duì)容易，但如果原始孔隙率過低，可能會(huì)因?yàn)槿狈ψ銐虻目臻g讓原子擴(kuò)散和顆粒重新排列，導(dǎo)致在熱等靜壓過程中出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力集中等問題。

5. **氣氛因素**

- **原理**：熱等靜壓的氣氛選擇主要是為了防止刀具材料在高溫高壓下發(fā)生氧化或其他化學(xué)反應(yīng)。在有氧氣氛中，硬質(zhì)合金中的成分（如WC）可能會(huì)氧化，形成氧化物雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)降低刀具的性能，如硬度、韌性和耐磨性。例如，WC氧化后生成WO?，WO?的存在會(huì)使刀具材料變脆，并且在刀具內(nèi)部形成應(yīng)力集中點(diǎn)。

- **氣氛選擇及影響**：通常采用惰性氣體（如氬氣）作為熱等靜壓的保護(hù)氣氛。氬氣能夠有效地隔離氧氣，防止氧化反應(yīng)的發(fā)生。在熱等靜壓過程中，保持良好的氬氣氛圍，能夠確保刀具材料的純度，使熱等靜壓工藝更好地發(fā)揮提高刀具性能的作用，如維持刀具的高硬度、高度度和良好的韌性。