合金等离子烧结探索

放电等离子烧结［1 －2］钢结硬质合金，目前研究较多［3 －8］的是以 WC 为硬质相。而放电等离子烧结以 TiC 为硬质相的钢结硬质合金的文章还鲜有报道。本文选取以 TiC 为硬质相的 GT35 钢结硬质合金进行放电等离子烧结以期确定其最佳烧结工艺并制备出性能优异的 GT35 钢结硬质合金。钢结硬质合金的传统制备方法烧结温度高、烧结时间长，不利于得到高致密度的烧结体。放电等离子烧结技术具有非常高的热效率，易获得晶粒细小均匀的高致密烧结体，有重要的实用意义［9］。本文利用 SPS 技术制备 GT35 钢结硬质合金，对烧结工艺进行了优化，通过对其组织和性能的检测，得出了不同的烧结工艺参数对 GT35 钢结硬质合金组织和性能的影响。

1 试验

1. 1 试验材料

试验所用材料为商用 GT35 钢结硬质合金粉末，其化学成分如表 1 所示。

1. 2 试验方法及性能测试

1. 2. 1 试验方法

将 GT35 钢结硬质合金粉末装填于石墨模具中，如图 1 所示。为便于脱模，用石墨纸将 GT35 粉末与模具内壁隔离。试样装填好后在压片机上进行简单预压，试样尺寸为 20mm × ( 4 ～ 6) mm。然后于 SPS-1030 型放电等离子烧结炉内真空烧结。鉴于前期的研究工作，确定烧结温度、烧结时间和烧结压力为本试验的试验因素，分别记作 A、B、C，进行 3因素正交试验，各因素均取 3 个水平，对 GT35 钢结硬质合金的烧结工艺进行优化。试验因素水平表如表 2 所示，烧结工艺如表 3 所示。

1. 2. 2 性能测试

用排水法测量试样的密度，并以理论密度为标准计算致密度。经计算，GT35 钢结硬质合金的理论密度为 6. 44g/cm3; 用 HRC-150 型洛氏硬度计测量试样的硬度，所有数据取 5 点算术平均值; 用 PME3-323UN 型金相显微镜观察试样的金相组织和晶粒大小; 用 S4800 型扫描电镜观察显微组织形貌。

2 结果与分析

2. 1 GT35 钢结硬质合金的烧结工艺优化

以致密度和硬度作为考核标准优化烧结工艺。表 4 为不同烧结工艺条件下 GT35 钢结硬质合金的相关性能。可见 5#试样的致密度和硬度最高，分别为 99. 53%和 73. 5HRC，可以确定 5#试样的烧结工艺为最佳烧结工艺。以致密度为标准，对实验结果进行极差分析，得烧结温度、烧结时间和烧结压力 3 因素的极差分别为 0. 20、0. 16 和 0. 18，可知烧结温度的波动对烧结试样的致密度的影响最大，烧结压力次之，烧结时间影响最小; 得到的优水平为 A2( 960℃) 、B2( 5min)和 C3( 70MPa) ，优组合为 A2B2C3。以硬度为标准，对试验结果进行极差分析，得烧结温度、烧结时间和烧结压力 3 因素的极差分别为 4. 10、0. 30 和 3. 10，可知 3 因素中烧结温度对烧结试样的硬度影响最大，烧结压力次之，烧结时间相对影响最小; 以硬度为标准得到的优水平为 A2( 960℃) 、B2( 5min) 和C3( 70MPa) ，优组合为 A2B2C3。可知无论以烧结试样的致密度为参考标准，还是以硬度为依据，得到的优组合都是 A2B2C3，于是可以得出优化后的烧结工艺为: 960℃ ×5min ×70MPa。

2. 2 烧结温度对 GT35 钢结硬质合金性能的影响

图 2 为烧结温度对 GT35 钢结硬质合金的致密度和硬度的影响。可见，随着烧结温度的升高，材料的致密度呈先增后降的趋势，960℃在 70 MPa 压力下烧结 5min 时致密度达到最大值，为 99. 53%，而在此之后随着温度的升高，材料的致密度开始下降。因为利用放电等离子烧结技术制备双金属复合材料，复合材料的形成机理是固-固扩散反应和固-液界面固溶-沉淀反应的混合机制［10］。一方面，随着烧结温度的升高，烧结的驱动力逐渐增大，粉末颗粒间相互结合速度加快，颗粒间的微小空隙被迅速填充，吸附在粉末颗粒表面的气体也大量逸散出来，对烧结致密化有利; 另一方面是由液相烧结的特性决定的，因为致密化能否进行彻底，取决于同液相性质相关的 3 个条件［11］: 液相对增强相颗粒的表面润湿性; 增强相颗粒在液相中的溶解度; 烧结温度下的液相量。随着烧结温度的升高，液相量增加，润湿性得到改善，利于硬质相 TiC 与基体 Cr-Mo 钢的结合; 液相与硬质相之间存在着的溶解-析出过程得到加剧，利于物质的迁移与扩散，使烧结试样内的孔隙减少，有利于加快致密化进程，提高烧结体的致密度; 随着烧结温度的升高，致密化进程接近完成，在 960℃时达到最大; 但由于是有压真空烧结，继续升高温度，会造成熔点较低、密度较大的基体 Cr-Mo 钢的挥发和外溢，造成“渗漏”或者“流汤”，所以，在 980℃时材料的致密度反而下降。另外，“渗漏”或者“流汤”现象的出现，也可能使硬质相骨架被冲垮，影响合金的成分与性能。从图中还可以看出材料的硬度和致密度呈相同的变化趋势。材料中的孔隙对外部压力的抵抗力低，所以孔隙度低的致密材料具有较高的硬度。因而，随着材料致密度的变化，材料的硬度也呈现先增加后降低的趋势。

2. 3 烧结时间对 GT35 钢结硬质合金性能的影响

图 3 为烧结时间对 GT35 钢结硬质合金性能的影响。可以看出，烧结时间小于 5min 时，延长烧结时间有利于致密度的提高; 而超过 5min，致密度反而有所下降。这是由于在烧结初期，粉末颗粒在脉冲能、放电脉冲压力以及焦耳热的共同作用下，表面迅速活化，粉末颗粒快速结合在一起，粉末颗粒间的空隙在脉冲电压的作用下被击穿，吸附在粉末颗粒表面以及空隙中的气体逸散出来，有利于烧结的致密化进程。烧结时间达到一定值之前，液相量随烧结时间的延长而增加，有利于物质的扩散和迁移，使致密化进程加快。但若继续延长烧结时间，就可能导致因电流集中而提前产生的液相量过多，在压力作用下被挤出模具。由于 GT35 钢结硬质合金中的硬质相 TiC 熔点较高，被挤出模具的液相绝大部分是钢基体材料，最后烧成的样品中的硬质相的相对含量超过 35%，硬质相 TiC 的密度相对较低，为4. 92g / cm3，所以测算的相对密度也有所下降; 也可能是烧结时间的延长导致溶解-析出过程加剧，硬质相颗粒长大等现象，使烧结体的致密度下降。硬度随烧结时间的变化规律与致密度随烧结时间的变化规律相似，烧结时间为 5min 时硬度达到最大值。硬度受致密度的影响，在 0 ～5min 范围内，材料的硬度上升; 之后随烧结时间的延长，复合材料的硬度下降。

2. 4 烧结压力对 GT35 钢结硬质合金性能的影响

图 4 为烧结压力对 GT35 钢结硬质合金性能的影响。可以看出，随着烧结压力的增加，烧结体的致密度和硬度都呈现逐渐增加的趋势。在本试验中，由于石墨模具的承受力有限，所以采用的最高压力为 70MPa。随施加压力的增大，烧结体的致密度和硬度都呈上升趋势，这是因为压力较低时，试样中孔隙较多，烧结难以进行彻底; 随着所加压力的增大，粉末颗粒间的接触面积增大，试样就越密实，通过SPS 瞬时产生的放电等离子使颗粒表面活化和均匀地自身发热，表面扩散的物质传递得到了促进，并且由于晶粒受脉冲电流和垂直单向压力的作用，体扩散、晶界扩散也都得到加强，有利于烧结的快速完成，缩短烧结时间，有助于烧结体的致密化［6］，所以增大烧结压力会提高烧结试样的致密度。硬度受致密度的影响随之产生相似的变化。

2. 5 GT35 钢结硬质合金的显微组织

从表 4 中可以看出，5#试样的致密度和硬度最高，性能最好。图 5 为 5#试样的金相显微组织。白色颗粒状为硬质相 TiC，黑色相为珠光体和小颗粒状碳化物［12］。由图可知，合金 TiC 骨架部分及基体钢结部分组织分布均匀。传统方法烧结的 GT35 钢结硬质合金中 TiC 偏聚长大现象严重，还有复杂碳化物相( 即所谓的桥接相) 的生成。而采用放电等离子烧结的 GT35 钢结硬质合金，由于烧结时间短，晶粒来不及长大，所以这些现象都不存在。图6 为5#试样的扫描电镜形貌照片。灰色颗粒为 TiC 相，大部分颗粒尺寸为3 ～5μm，较均匀地分布在钢基体中。

3 结论

1) 在影响烧结体的致密度和硬度的因素中，烧结温度是最主要的因素，其次是烧结压力，烧结时间的影响相对最小。2) 随烧结温度的升高、烧结时间的延长，GT35钢结硬质合金的致密度和硬度均呈先增加后降低的趋势; 随烧结压力的增大，烧结体的致密度和硬度都呈逐渐增加的趋势; SPS 制备 GT35 钢结硬质合金的最佳工艺为 960℃ ×5min ×70MPa。3) SPS 最佳工艺制备的 GT35 钢结硬质合金的致密度可达 99. 53%，硬度达到 73. 5HRC，晶粒细小，组织均匀。