微波无压烧结Fe-Cu-WC基金属结合剂

叶小磊， 郭胜惠， 高冀芸， 杨 黎， 王 梁 ， 侯 明， 郭 雨

(1. 复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室， 昆明 650093)(2.国家超硬材料先进制备技术国际联合研究中心， 昆明 650093)(3. 微波能工程应用和装备技术国家地方联合工程实验室， 昆明 650093)(4. 昆明理工大学冶金与能源工程学院， 昆明 650093)(5. 云南民族大学化学与环境学院， 昆明 650500)

金刚石工具以良好的机械性能，较高的导热效率和突出的切削能力，被广泛用于建筑、地质钻探、精密零件加工等行业[1-2]。目前制备金刚石工具刀头主要采用的方法有热压烧结法[3]和无压烧结法。然而，热压烧结技术能耗高、流程烦琐、模具消耗大、劳动力密集，在国家产业政策升级的情况下，其发展面临的局限越来越多；无压烧结法可避免石墨模具的消耗[4]，但存在烧结周期长、烧结温度高、能耗高、烧结体组织不均匀等问题，且不适用于高熔点配方。因此，需要开发出新的强化烧结手段，通过改变加热方式和传热机制，为实现金刚石工具的无压生产提供新的可行途径。

微波烧结技术具有体积加热、内部加热、快速加热、对反应有催化作用等优势，在材料烧结制备及粉末冶金烧结等方面得到很好的应用：其可显著缩短烧结时间，节约成本能耗，并快速实现烧结基体致密化；同时，可实现晶粒细化和微观结构均匀，使烧结体具有良好的机械性能。因此，微波强化烧结作为一种节能高效的烧结新方法，有望替代金刚石工具刀头热压烧结工艺[5-7]。

XU等[8-9]发现在微波加热下，铜粉可以快速熔化并获得致密性好、组织均匀的烧结体，并用真空微波设备制备出颗粒扩散均匀、强度更高的铜钨合金。FAN等[10]发现微波活化热压制备Bi-Te合金时，合金在较低温度下快速烧结，并几乎完全致密化。鲍瑞等[11]采用微波烧结法制备WC-Co超细硬质合金，在更低的烧结温度及更短的保温时间下，得到了具有更高致密度的硬质合金。史晓亮等[12]采用微波烧结、放电等离子体烧结和真空烧结等方法制备WC-10Co硬质合金，并对比各烧结方法对其性能的影响，认为微波烧结超细WC-10Co复合粉末制备的硬质合金具有更优良的综合性能。REDDY[13]研究了Al/Al2O3复合材料微波烧结工艺，制备的复合材料具有极好的力学性能。

以含WC类难烧结金属的配方作为研究对象，我们考察金属胎体在微波场中的烧结行为，探讨微波烧结方法在金刚石工具无压烧结过程中的应用。以Fe、Cu、Sn、WC粉为金属胎体原料，分别采用常规无压烧结和微波无压烧结法制备金属基烧结体，对比考察不同烧结温度下胎体的微观组织及力学性能，为制定微波无压烧结工艺提供参考依据。

1 实验设计

1.1 配方设计

实验所用金属单质粉均购自河南泰和汇金粉体科技有限公司，配方中各粉体的基本颗粒尺寸和纯度(以质量分数计)和质量分数如表1所示。

表1 实验配方

按照表1的配方称取金属粉，并添加少量无水乙醇、甘油作为湿润剂，在三维混料机中混合60 min。 称取一定质量的混合粉装入冷压模具中，将其在350 MPa的压力下保压1 min，压成30 mm×12 mm×6 mm的长方体块状生坯试样。

1.2 烧结曲线

针对微波烧结和常规烧结原理的差异和特点，设计了对应的烧结曲线[5,14]，如图1所示。微波烧结的原理与常规电炉烧结的原理不同：通过物料的介电损耗和能量原位转化，实现加热物料的目的，其具有内部强化加热的特点。因此，在烧结过程中，烧结体内的温度梯度方向与气体逸出方向一致，有利于烧结组织内部的气体快速逸出；物料吸收的微波能量可以直接转化为分子内部的动能和势能，提高物料活性，降低烧结活化能，加速合金化反应进程。因此，微波烧结允许更高的升温速率和更短的保温过程。

烧结温度达到750 ℃以上时，W可在金刚石表面和金刚石反应形成强碳化物；而烧结温度超过1000 ℃时，金刚石表面热腐蚀严重，出现石墨化。因此，设定烧结温度的范围为800～950 ℃。在此区间内，以50 ℃的温度梯度，将烧结温度θs分别设定为800 ℃、850 ℃、900 ℃和950 ℃。

图1 金属基金刚石工具常规和微波无压烧结对比

2 结果与讨论

采用阿基米德排水法检测试样的密度，使用扫描电子显微镜(JEOL 6701F，1.5 kV)观察试样的微观组织形貌，使用CMT4304 液压万能材料试验机测试胎体的三点抗弯强度。

2.1 样品致密度及抗弯强度的比较分析

烧结温度超过750 ℃时，W与金刚石反应生成WC，而Fe和WC可以形成均匀的扩散层，弥补了Fe对金刚石润湿性差的不足，增强了金属基体对金刚石磨料的把持力[3]。在800 ℃左右烧结时，Cu-Sn二元系统发生包晶反应，组织主要由Cu和Cu9Sn组成，且Cu固溶体占主要部分，有利于提高样品的强度；同时，在此成分点上有较宽的固液区间，有利于液相流动，进而提高样品的致密度，最终增强样品的抗弯强度[15]。图2和图3分别表示不同烧结工艺条件下烧结体的致密度和抗弯强度随烧结温度的变化关系。

从图2中可以看出：随烧结温度的升高，烧结体的致密度先增大后减小，在烧结温度为900 ℃时达到最大值。当烧结温度为800～950 ℃时，物料整体变为液相，可在烧结体中充分流动并填补烧结体内的孔洞；温度升高会促进液相流动，加剧固相颗粒迁移，使分散更加均匀，从而提高烧结体致密度。当温度超过900 ℃时，液相含量持续增多，多余的液相来不及充分填充空隙而流出烧结体骨架，在冷却过程中形成金属结疤附在样品上，液相流失、形成缺陷；同时，液相形成过快，会阻碍烧结体内气体的逸出，从而造成孔洞、降低烧结体的致密度。

图2 不同温度、不同工艺烧结后样品的致密度

从图3中可以看出：随烧结温度的升高，样品的抗弯强度先增大后减小，在烧结温度为900 ℃时达到最大值。这和烧结体的致密度变化趋势一致，说明烧结体致密度对其抗弯强度有显著影响。

图3 不同温度、不同工艺烧结后样品的抗弯强度

结合图2和图3可以发现：当样品在同一温度下烧结时，相较于常规无压烧结的样品，微波无压烧结样品的致密度和抗弯强度更高。这是因为微波烧结时，样品温度梯度和气体逸出方向一致，有利于气体从内部逸出，减少了烧结体内部孔洞的形成；固体颗粒在液相中快速重排，削弱液相流失对样品致密度和抗弯强度的不利影响；微波作用下，金属烧结体产生微区强化，样品内元素扩散更均匀，减少成分偏析[16]。

在850 ℃微波无压烧结下获得的样品，其致密度和抗弯强度均优于在900 ℃常规无压烧结下获得的样品的致密度和抗弯强度。这说明微波无压烧结需要的烧结温度更低、烧结时间更短，这对于避免高温对金刚石的热损伤、降低能耗具有积极意义[17]。

2.2 样品形貌分析

图4反映了在850 ℃和900 ℃温度下微波无压烧结和常规无压烧结对样品形貌的影响。从图4可看出：各试样中均有孔洞，但烧结温度高的样品中，孔洞小且少；烧结温度更高的样品，其各相的分布更均匀。

烧结温度较低时，烧结体内液相少，不能充分填充空隙，因而出现大而多的孔洞；液相表面张力较弱，导致固体颗粒重排不明显，烧结体内各相分布不够均匀[17]。烧结温度升高有利于液相生成，也有利于金属原子的热运动，所以在900 ℃烧结的样品，各相分布更均匀、孔洞小而少。

进一步对比图4a～图4d可以看出：相同烧结温度下，微波无压烧结的试样中，各相分布更均匀、孔洞更小更少；在900 ℃微波无压烧结下，样品出现明显的Fe和WC扩散层，而在900 ℃常规无压烧结时扩散层并不明显。这进一步验证了上述温度梯度和固体颗粒重排的分析。微波在原子水平加热更有利Fe和WC扩散层的形成。

(a) 850 ℃常规无压烧结 (b) 900 ℃常规无压烧结(c) 850 ℃微波无压烧结 (d) 900 ℃微波无压烧结图4 不同烧结温度、不同烧结工艺的样品形貌

3 结论

以相同的金属粉为原料，在相同的烧结温度下比较了微波无压烧结和常规无压烧结得到的样品的致密度、抗弯强度等性能，并对比分析了微观组织形貌，得出如下结论：

(1)微波无压烧结更有利于样品致密度及抗弯强度的提升，900 ℃烧结后金属烧结体致密度和抗弯强度分别提高3.5%和7.7%，达到93.9%和816 MPa；从微观组织形貌上看，微波烧结有利于组织物相的均匀分布。

(2)微波烧结因其独特的加热方式而表现出生产能耗低、产品性能好的优点，具有更好的应用前景。

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