硬质合金棒材的生产及使用

毕业论文

课    题：       硬质合金棒材的生产及使用                                

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专    业：                      

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一、前言……………………………………………………………………………1

二、棒材的生产概述………………………………………………………………2

1、定义及特点………………………………………………………………2

2、分类及主要用途…………………………………………………………2

3、型材厂棒材的主要牌号及性能要求……………………………………5

4、棒材的生产工艺流程……………………………………………………7

三、棒材的生产过程及质量控制…………………………………………………8

1、混合料制备……………………………………………………………………8

2、成型……………………………………………………………………9

3、烧结………………………………………………………………………10

4、深加工……………………………………………………………………10

四、棒材的质量检查、控制及管理…………………………………………………14

1、物理性能及组织结构………………………………………………………14

2、外观、尺寸…………………………………………………………………15

五、棒材的使用知识…………………………………………………………………17

六、实习总结…………………………………………………………………18

一、前  言

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。在国民经济和材料科学中有着重要的作用。

二、棒材生产的概述

1、定义及特点

硬质合金用粉末冶金方法生产由难容金属化合物和粘结金属所构成的组合材料。

粉末冶金是一种制取材料和制品的特殊冶金方法，它的基本过程是制备粉末，经过压制成型为一定尺寸的压坯，然后在低于物料基本组元的温度下烧结成所需的成品。

1）硬质合金原料

原料是指其只要组成元素构成制品化学组分的物质，原料绝大多数为固态。根据其在硬质合金中的作用或存在的形式，一般又可分为硬质化合物，粘结金属、改性组元和涂层材料等四大类。

硬质化合物：WC、TiC、TaC、TIiN、HfC、（TiW）C、TiCN、（WTiTa）C、（WTiTa）（CN）等。WC是用得最多的碳化物，其晶粒尺寸通常在0.2 10微米之间，一般根据粒度大小分为很多型号，型材厂的棒材主要为04、06、08型，属于超细颗粒。

粘结金属：Co、Ni、Fe。钴是应用最广泛的粘结金属。

改性组元：VC、Cr3C2，硬质合金制造过程中抑制晶粒长大的添加剂，也是我厂生产超细粒棒材生产过程中抑制晶粒长大效果最明显的。

2）工艺材料

工艺材料指参与制造过程反应或存在于中间产品中但不构成产品成份的物质和虽不直接参加反应但与制品直接接触且对产品质量产生重要影响的物质。工艺材料主要有研磨介质、成型剂、接触材料、保护气体和催化剂等。

3）消耗材料

消耗材料是指与生产设备、工艺过程发生直接关系，但与产品接触不发生明显化学反应的材料，包括环境清洁和劳动保护材料。如：摸学液、切削液、砂轮、碳化硅磨轮 、各种润滑油、酒石酸等无心磨深加工常用材料。

2、分类及主要用途

我厂硬质合金棒材作为一种切削工具广泛应用于电子工业、机械加工工业。根据加工行业的不同分为：PCB棒、整体实心工具棒、孔棒。

1）PCB棒按使用条件和材质的不同分为：PCB微钻棒、PCB微铣刀、大头钻

等，主要用来制作微钻和微铣，加工集成电路板。

2）整体实心工具棒分为标准和非标准两类，主要用来制作各种类型的铣刀的铣刀使用于汽车等机械加工和制造业。

3）孔棒分为单双直孔棒和单双螺旋孔棒，主要用来制作高附加值的非标刀具。

我厂根据棒料用途及外观尺寸采用了不同的成型方式，以满足于不同产品的规格和性能的需求，按成型方式棒材分为了：模压棒、挤压棒、等静压棒。

模压棒：采用模压成型方式生产2mm ≤ 直径 ≤ 16mm，长度 ≤120mm的材料，其毛坯一般带筋，须进行无心磨加工。主要产品为PCB棒、标准定长工具棒。

挤压棒：采用模压成型方式生产直径 ≤ 16mm，长度不受。

等静压棒：实心工具棒

不同的WC晶粒决定了棒材不同的物理性能，以满足于不同材料的加工，按WC粒度棒材分为：YU系列、YF系列、YL系列。

3、型材厂棒材的主要牌号及性能要求

牌号：对于一个特定的碳化物和粘结相的成份称为牌号，每个牌号由于其成份或碳化物的粒度不同，其物理性能有较大的区别。

目前型材厂以生产微钻用棒及整体工具棒为主 ，该两类产品均属于超细晶粒合金。微钻主材的加工。

其中YU06A、YU06、YU08E主要用于生产规格为Bф3.25*38.7的PCB整体微铣或小部分微钻；YF06主要用于生产Bф3.25*38.7的PCB整体或焊接式微钻、中钻、大头钻；YH6F属于这两年来采用新工艺研制出的一种全新牌号，其组织结构均匀紧密，晶粒大小均匀，主要用钻径0.3-0.4之间的高端微钻市场；YL10.2作为80年代中期从山特维克引进的一个牌号，现在在市场上运用了20多年，其品质稳定广泛应用于机械加工行业。

表1   型材厂主要牌号及性能要求

三、棒材的生产过程及质量控制

1、混合料制备

混合料制备是将各种难熔金属的碳化物和粘结金属及少量的抑制剂等粉末通过配料计算、球磨、干燥等工序过程制备成有准确成份、配料组分均匀分布、粒度一定的粒状混合物的生产工艺过程。是硬质合金生产的第一道工序；混合料是生产硬质合金压坯的原料，质量的好坏直接关系到硬质合金产品的内部及外观质量。

现代混合料生产工艺流程：

配料计算→配料→湿磨→喷雾干燥→混合料鉴定

1）配料计算

硬质合金生产中不同的牌号有其不同的成分，也就是说有一个标准组成。配料计算的核心内容就是根据指令如何计算牌号的总总碳及各种原料的配比重量；并采用补C/W的手段对碳量进行。以达到质量要求为止。

2）配料与湿磨

配料就是按照配料指令中所要求的各种粉末原料及辅助材料的添加按一定顺序将其投入球磨机中，然后加入研磨酒精和成型剂一起球磨。

湿磨的主要作用是将配制成固定成分的粉末原料通过该工艺过程使其具备有一定颗粒度，各组元均匀分布的混合料浆。

3）喷雾干燥

混合料料浆干燥的目的是将湿磨料浆中的液体介质与混合料分离并回收其介质，使干燥后的混合料达到一定的物理——力学性能标准，符合后续工序——压制成型对混合料的性能要求。混合料的干燥方式很多，一般根据生产工艺需要，生产规模与设备投资情况来定。我厂目前采用是规模较大、生产高精产品的现代化喷雾干燥生产工艺。

喷雾干燥最大的特点是在封闭的循环系统中用氮气进行保护下的干燥。喷雾干燥制得的粒状混合料性能稳定、流动性极好，特别适宜于高精度模压棒坯的生产。

4）混合料鉴定

混合料鉴定数据是混合料质量评定的原始数据及合金生产是原始依据。

混合料物理——力学性能检查：检查项目包括流动性、松装密度、粒度分布

以及物料外观形貌检查。

混合料PS21检查：检查项目包括C1、C2值测量，抗弯强度、硬度、密度、钴磁与矫顽磁力等；金相组织结构包括孔隙度、宏观孔隙等项目。

2、成型

成型是硬质合金生产中操作性最强的工艺过程，是保证硬质合金毛坯精度和表观质量的关键工序。是将粉末压实具有所需形状坯块的过程。其基本要求是要具有一定的强度和规定的尺寸。

1）精密模压成型

精密压制不但要有好的硬件，也要有好的软件，具体来说就是要有：高精度的压机（TPA压机）、高精度的模具、高性能的混合料、精确的压制工艺参数等基本条件，才能较好的生产出符合高精度棒材。

压摸工艺包括：压制周期，压制工艺参数机及其计算、混合料选择标准、压模选择标准、舟皿选择标准、压制品质标准、返回料的处理等内容。

2）挤压成型

挤压成型是将经过增塑处理的混合料放入挤压筒中，在挤压筒的一端安装模具，模具上有所需挤压制品面的模孔，在挤压筒的另一端插入挤压杆，挤压机的压力通过挤压杆传给混合料，使这通过模孔而成为一定形状的的制品。其优点在于：产品的长度原则上不受，而且纵向密度比较均匀，生产连续性强，效率高，设备简单，操作方便。

3）等静压成型（冷等静压成型）

冷等静压是根据帕斯卡原理，将被压制的粉末密封在一个具有一定形状和尺寸的弹性模内，然后放在一个密闭的高压容器中，通过高压泵将液体介质打入容器，介质便均匀地将压力作用于弹性模的各个表面上，弹性模内的粉末同样在各个方向受到均等的压力并安装入时的形状成比例缩小，从而使粉末密实成为具有一定形状、尺寸和足够强度的压坯。

3、烧结

烧结是硬质合金生产过程中最后的一道主要工序。烧结的目的是使多孔的粉末压坯变为具有一定结构和性能的合金。

硬质合金的烧结比较复杂，既有物理变化也有化学反应，但主要是物理过程，烧结体致密化，碳化物晶粒长大，粘结相成分的变化以及合金结构的形成等。

整个烧结过程大致可分为四个阶段：

脱蜡预烧阶段（〈800℃）

固相烧结阶段（800℃-共晶温度）

液相烧结阶段（共晶温度-烧结温度）

冷却阶段（烧结温度-室温）

4、深加工

硬质合金具有硬度高、红硬性好、耐磨性能优异等一系列优点。这是硬质合金之所以能在机械制造、工具制造、矿山凿岩、电子通讯等许多部门中得到广泛应用而独具的特点。然而硬质合金的可加工性差，在一定程度上又了它的应用范围的。

烧结后的产品形状和尺寸精度与实际使用所要求的形状和尺寸精度之间存在着不同程度的差异。此外，随着市场需求的不断发展，对产品的表面质量都有相当高的要求，烧结后的毛坯是无法满足的，由此可见，在绝大多数情况下，硬质合金必须经过深度加工，才能在形状准确性、尺寸精度、表面粗糙度方面达到使用要求。

1）磨削方法

由于硬质合金具有很高的硬度，因此可以用作烧结后加工的技术不多。棒材

的主要磨削方式有外圆磨削，最常见的外圆磨削为无心磨加工，有时也一定程度

的运用到了平面磨削（主要用于返修缺口及修整托板）。

无心磨加工是将工件从机床前面放托板和导板上推入磨削区，而后从机床后面穿出磨削的磨削加工方法。

2）磨削工具

一般来说金刚石砂轮由两部分组成——基体和磨削层。基体决定着砂轮的静态和动态的钢性以及减震性。钢基体或铝基体都具有很高的钢性和导热性，但减震性较差。与以上材料不同，铝——合成树脂的复合材料可提供好的减震性和足够的钢性，因此这种材料已在许多场合被采用。

磨削层的特征包括：磨料材质、磨料型号、磨料粒度、磨料浓度和粘结剂型号及其硬度。

磨削层中的金刚石型号对磨削结果有着明显的影响，对于硬质合金的磨削来说，合成金刚石已经取代了天然金刚石，通过选择不同的工艺参数人们可以控制合成金刚石的性能，以便满足加工要求。一般金刚石磨粒还需另外一层镍或铜，从而改善与粘结剂性能。

3）砂轮的修整

砂轮的加工效果受修整的影响，用来修整砂轮的各种方法须分别对待。砂轮的仿形修整被用来在砂轮的工作面上生成一个特殊的几何形状。锐化修整过程通过减少粘结材料和磨削，达到产生一个特殊的表面形貌和足够的排屑空间的目的，同时每个磨粒的切削刃也被磨锋利了。清理修整工艺只是将老的磨屑从磨粒的缝隙中清除出去。不同的磨料、不同的粘结系统采用不同的修整工具。

4）棒料的磨削技术

对于砂轮的磨损和工件的表面质量有极大的影响，除了粘结剂的性能外还有金刚石磨粒的粒度。在其磨削条件相同的情况下，采用细粒度砂轮可获得较好的表面质量。与之相反，采用粗粒度砂轮可获得较高的磨削比。

砂轮的金刚石磨粒的浓度被认为是又一个砂轮实际应用中最重要的特性值。砂轮的浓度越高，砂轮磨损就越小，工件的光洁度就越高。浓度高的唯一缺点是磨削力较大，磨削能力较差。

5)无心磨磨削常见的外观缺陷

磨削表面出现螺旋形花纹

表面有振纹

表面有不规则的擦伤

表面烧伤

棒材成多角形状（圆度超差）

棒材两端直径较其他地方小

以上各种缺陷均与机床的精度、砂轮、导轮、托板及送进导出锟、切削液等选用或调整不当都有很大的关系，如若我们在生产中不加强对加工设备、材料的认识，提高技术水平将会严重影响到产品的加工精度及质量。

四、棒料的质量检查、控制及管理

质量检查的只能是对半成品、成品进行的表征其性能的物理、化学、力学和机械特性值的测量与检定。其中最主要的是各种原料的验收检查、中间产品的测试和成品的抽样检查、金相室的检查等。

质量控制是通过对制造全过程的检查项目、工艺参数的设计、实施，使在线产品始终处于受控状态。控制的重点是在线检测与判定，严格执行已确定的工艺技术标准。

质量管理是通过对产品从开发、制造到市场服务的全过程的设计和控制，保证原料、工艺、装备、人员和环境始终处于受控状态，实现连续、稳定、经济生产出符合设计标准的产品的全过程行为。管理的中心环节是对上述五大要素的优化设计和优化组合，并对实施过程进行监督和不断进行改进。

1、物理性能及组织结构

实验室最主要的职责就是在线质量监督与控制，即从原料进入现场到产品包装全过程的质量检验和质量判断。

硬质合金质量的稳定性完全取决于工艺控制水平，主要控制项目是硬质相晶粒度、碳含量和显微组织，能比较敏感地反映这些控制项目的检测项目就是矫顽磁力、钴磁、密度。

进香检查中涉及的缺陷主要是孔隙、石墨、η相、混料、晶粒异常、Co池以及由η相引起的WC-Co非正常结构。

高质量的硬质合金棒材对缺陷的控制是比较严的，绝大多数产品的要求都是A02B00C00E00，实际控制水平也可以达到A00B00C00E00。宏观缺陷一般不允许存在。

因此，将显微组织、磁力、钴磁、密度四大指标结合起来进行综合分析，就能恰当地对产品质量作出评价，并可以找出出现质量问题的原因。

棒材生产过程中一般常见的质量性能问题为表3所示

      表三 常见的质量性能问题

2、 外观、尺寸

1）毛坯尺寸精度的检测是根据毛坯的类别、精度要求、尺寸特征等内容，分别采用千分尺、游标卡尺、专用检测夹具等进行检测。

（a）棒材尺寸检测：

长度的测量： 千分尺或游标卡尺（分度值为0。02mm）测量长度，样品测量部位如（图11）；

直径的测量：用Φ6mm测头的外径千分尺（分度值为0。01mm）测量圆度和圆柱度，样品测量部位如（图12）；

圆度和圆柱度的测量：哟暖和Φ6mm测头的外径千分尺（分度值为一套塞迟来测量平直度，棒在测试平台上转动，用塞尺测量棒与平台之间的最大间隙）

（b）棒材检测标准：

按图纸技术要求或用户需要。

2）毛坯棒外观质量标准（实心工具棒）

脏化孔，缝隙，裂纹极限；（未进行无心磨前的毛坯表面）见

掉边角缺陷极限：（未进行无心磨的毛坯表面）见

PCB棒的缺口只限于端口且尺寸不超过0.5＊0.5mm，表面不允许有未磨起磨面，痕迹 脏化 裂纹等缺陷。

实心工具棒的缺口也限于端头，直径10mm的缺口尺寸不超过0。30。8，直径10mm的缺口尺寸不超过0。51。0，表面不允许有未磨起 磨面 痕迹 脏化 裂纹 起泡 凹痕等缺陷。

4）无心磨加工棒材的尺寸检查标准见表6

硬质合金号称工业的“牙齿”，自1923年问世以来，迄今已有80多年的历史，80，多年来，硬质合金作为一种高效工具材料和结构材料，应用领域不断拓展，对世界工业发展和科学进步起了重要的推动作用，其市场容量有因此不断扩大，并逐步形成竞争格局。

1）牌号的选择

硬质合金按使用领域的不同分为P K G M四大类，棒材划分为K类，主要用于铸铁及有色金属 钢材 各类合金及复合材料的加工；

根据加工对象及环境的不同正确选用棒材牌号，不仅可以充分发挥其优异性能，而且对提高工作效率和质量是十分有益的。以PCB棒材为例，如果要进行高精度孔位、小孔径的FR4电路板材，这样就需要选用高韧性、高耐磨性几高导热性、刚性较好的硬质合金材质，这种情况我厂回向用户推荐YH6F牌号。

实践证明，每种牌号的棒材，都有其最佳的使用领域，能正确选用，就能获得最好的加工效果。

2）型号的选择  

硬质合金棒材的型号，代表了棒材的形状和尺寸大小，其型号的编排有一定的标准要求。正确选用棒材，不仅要选择合适的牌号，还应该选择合适的型号，很多棒材加工用户由于自身的生产工艺不同，同牌号同规格的产品要求的尺寸及精度有所不同，如YF06牌号产品，外径尺寸均为3。25mm，其中有的用户要求长度为12。7  15。6不等，用来制作不同刃长的焊接微钻；而有的用户要求长度为38。7，用来生产整体微钻；而同样为38。7的棒材，有的用户公差较宽，有的较严，这主要也与用户的具体加工工艺和市场有关。    

因此，为满足不同市场的需求，得到高精度的棒材，我们必须提高深加工能力。而深加工着重与操作者的技术水平的提高和经验的积累。

六、实 习 总 结