某艉轴管密封装置硬质合金动环烧结工艺研究

颜少平

● （海军驻武汉四六一厂军事代表室，湖北 武汉 430084）

某艉轴管密封装置硬质合金动环烧结工艺研究

颜少平

● （海军驻武汉四六一厂军事代表室，湖北 武汉 430084）

通过对某型艉轴管密封装置硬质合金动环冷压气压烧结工艺的研究，有效的解决了热压烧结工艺中存在的缺陷，改善了产品的组织结构，提高了综合技术性能。

硬质合金；动环；烧结；工艺；研究

0 引言

硬质合金[1]是由难熔金属碳化物与粘结相金属，采用粉末冶金法制得的复合材料，具有较高的硬度、抗弯强度、抗腐蚀和耐磨性。同时钙合金具有较低的弹性模量、热膨胀系数和较好的高温性能，即使在1000℃时也能超过碳素钢的常温硬度。因而，被广泛应用于金属切削来加工刀具、矿山钻探工具、耐磨耐腐蚀零件，耐高温、高压和高冲击模具等各个领域。艉轴管密封硬质合金动环，由于其工作性质和环境的要求，具有耐磨、耐高温和耐腐蚀的特点。由于在前期制作中大型冷压机的缺乏，对于外形几何尺寸较大的该硬质合金动环，只能采用热压烧结法生产。随着世界工业的快速发展，对硬质合金综合性能和结构也提出了越来越高的要求，通过配备先进水平的压力烧结炉、大吨位压机，可确保大尺寸制品压坯通过冷压成型使其具有一定几何形状、密度和密度分布的均匀性，利用压力烧结炉改善合金组织结构、降低合金孔隙度，提高合金综合性能。这种冷压-气压烧结[2]生产技术能满足外形几何尺寸达500mm、质量100kg的硬质合金产品的技术性能要求。为提高该硬质合金动环的综合性能，改善金相组织结构，有必要开展冷压-气压烧结工艺的研究。动环物理力学性能及金相组织结构技术要求，见表1。

表1 动环物理力学性能及金相组织结构技术要求

1 几种硬质合金成型工艺及其特点分析

1.1 热压烧结工艺

该工艺采用混合料直接放入石墨模具中，通过对石墨模具边通电加热边加压而一次成型并合金化，适合单件和数量少的大规格异型产品的生产。其优点是生产工艺流程简单，生产周期短，同时在加热状态下，粉末料的塑性大大改善，加速了粉末的致密化过程，需要的成型压力小。缺点是：物料在成型过程中，主要依靠空气中的氧气与石墨模具中的碳高温反应形成CO作为保护气氛，粉末在热压过程中易出现氧化还原的逆反应，不利于质量控制；多孔的石墨模具吸附合金中的粘结相，同时边加压边升温容易造成钴(镍)流失，产品内外出现粘结相成分梯度，最终形状靠人工修磨和深度加工；热压成型过程中对温度的监控测量依靠光学测温仪人工观测，人为误差造成工艺控制难度大。

1.2 冷压成型真空烧结工艺

该工艺采用掺有成型剂的混合料，在室温条件下压制成具有一定几何形状、尺寸及强度的压坯，在脱胶炉内完全脱除成型剂后，在全自动程控真空烧结炉内烧结成合金。其优点是：模压成型的几何形状、尺寸精度可通过模具完全控制，适合大批量生产；成型剂的完全脱除可通过检测合金内部组织结构判定；烧结炉内气氛纯净，同时负压有利于低熔点杂质挥发，改善了粘结相对硬质相的湿润性，有利于产品组织结构均匀，性能稳定，并能获得较高的强度；脱除成型剂及烧结工艺依靠编程自动控制，减少人为影响。缺点是：模具制造费用高，单件和小批量生产成本高；负压烧结易出现钴(镍)的挥发损失。

1.3 冷压成型气压烧结工艺

该技术基本原理是产品在真空烧结进入液相烧结阶段后，打入高压惰性气体，对产品进行加压烧结，基本原理与热等静压相似[2]。气压烧结中，粘结相快速流动，加速WC相的迁移，促使孔隙被钴(镍)填充。与普通真空烧结相比，避免了钴(镍)挥发流失，合金结构均匀性提高，孔隙度下降，强度提高约30%。实际上，热压烧结过程的本质与冷压气压烧结没有区别，只是热压烧结是混合料在受热状态下，受压力的作用而成型并合金化。而冷压烧结是将混合料先压制成型后在炉气纯净的气氛中真空预烧结，再加压进行最终阶段的烧结。应当指出，硬质合金的致密化过程主要是通过固相烧结和液相烧结过程来完成的，即随着烧结温度的提高，碳化钨向固体钴(镍)中扩散以及钴(镍)相颗粒间的焊接作用的加强，制品在此阶段发生激烈的收缩，在同等温度下更为充分的密实压坯较松散的粉末。在液相出现后，由于粘性流动的加强，致密化过程迅速完成而得到组织结构均匀的致密合金。

2 艉轴管密封硬质合金动环冷压气压烧结工艺研究

2.1 小批试验

根据前期热压烧结法生产的艉轴管密封硬质合金动环的成功经验，结合其物理技术性能要求，确定研制方案：按一定比例配料，以酒精为湿磨介质，球料比为 4∶1。湿磨后的料浆过300目筛网卸料、干燥，温度控制在90～100℃，得到的混合料掺成型剂后压机压制成型，得到国标B试样压坯。压坯经脱除成型剂工艺试验，确定合理的升、保温曲线，并预烧到600℃。烧结采用小型真空烧结炉，温度控制在 1400℃～500℃，最高真空度达 0.5Pa。经反复试验研究，确定YSN20合金合理的成分配比为：WC：88.48%，Ni+Cr：11.52%，其中 Cr3C2：0.68%，物理力学性能及金相组织结构见表2。

表2 小批试验物理力学性能及金相组织结构

2.2 大批试验

根据小批试验的结果，进行中批生产试验，并依此确定艉轴管密封硬质合金动环试制及大批生产的工艺流程如下：WC、Ni+Cr3C2→配料湿磨→卸料干燥→物理机械性能，内部结构鉴定→掺胶混合→小样质量检查→冷压成型→压坯检查→脱胶→气压烧结→毛坯检查→加工→成品检查→合格后包装入库。在生产工艺执行过程中严格控制以下几个环节。

1）混合料质量的好坏，关系到最终合金制品的性能和组织结构。采用可倾斜式湿磨机和双锥干燥器，确保混合料质量达到受控要求。

2）混合料鉴定是对生产的混合料逐批取样进行化学分析，确保配料准确性，并按大批生产工艺条件制备国标B试样，真空烧结后，进行物理力学性能和金相组织结构检验，需达到表3中的技术要求，方可转掺成型剂混合。

表3 混合料物理力学性能和金相组织结构技术要求

表4 φ20mm×30mm试样物理力学性能和金相组织结构技术要求

表5 冷压气压烧结工艺与热压烧结产品性能比较

3）掺成型剂混合、干燥、擦碎，并按五点取样法随机取样压制成 φ1mm×15mm 压坯，按大批脱成型剂和真空烧结工艺制备试样，检验合金断口无脏化、渗C、脱C等，方可转料压制。

4）压制采用大吨位压机成型，检查压坯几何形状和尺寸精度在控制范围，无裂纹、分层、未压好、掉边角等缺陷。压坯与合金的线收缩比 1.25，压制压力 11MPa～12MPa。

5）脱成型剂预烧采用多点测温仪测试炉内温度分布达到内控要求，编制升、保温程序曲线，在300℃～500℃进行成型剂的完全脱除和700℃预烧，确保生产质量稳定。

6）烧结采用全自动编程控制并可气氛调节的真空压力烧结炉，根据同类产品烧结工艺及大批量生产实际经验，烧结温度控制在1460℃～1480℃，保温60min～90min。

7）预先用同批号混合料制备 φ20mm×30mm 试样，并随同大批密封环一起脱除成型剂、预烧、烧结，检查试样的物理力学性能和金相组织，达到表4中的要求。同时，对密封环进行探伤，无裂纹、孔洞，表面检查掉边≤0.2mm，无麻面、渗脱碳，几何形状、尺寸检查达到公差要求。

8）深度加工采用数控磨床等进行外圆、平面、内孔、倒角加工，确保获得几何形状、形位公差达到技术要求。

3 冷压气压烧结工艺与热压工艺产品性能比较

对原热压烧结法和新工艺生产的艉轴管密封硬质合金动环采用线切割、磨削加工方法制备B试样，检验物理力学性能及金相组织结构，结果比较见表5。可看出，采用冷压气压烧结法生产的密封动环在综合性能和组织上优于热压烧结法，保证了产品耐磨性、抗蚀性的技术指标，又避免了热压生产存在的不足。冷压气压烧结的产品金相结构WC增粗并结晶完整、使得粘结相厚度增加。因而合金强度和韧性增强，有利于密封动环使用的可靠性提高。采用先进的气压烧结炉，全程控制温度的脱蜡炉，温场均匀且控制手段先进，动环组织结构致密、均匀。

[1]黄培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 冶金工业出版社,1981.

[2]黄英华. 硬质合金烧结方法的新近展[J]. 上海金属,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

颜少平（1964-），男，高级工程师。研究方向：舰船机械及兵器应用。