Nghiên cứu chế tạo hợp kim cứng hệ WC – co cơ tính cao bằng kỹ thuật ép

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết
quả nghiên cứu trong bản luận văn này hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc
công bố ở công trình hoặc cơ sở nào khác dƣới dạng luận văn.

Ngƣời cam đoan

Lê Danh Chung

i


LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trần
Quốc Lập và TS. Đoàn Đình Phƣơng, những ngƣời đã trực tiếp định hƣớng đề tài và
tận tình hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ phòng Vật liệu Kim loại Tiên tiến,
Viện Khoa học Vật liệu đã giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình làm thực nghiệm,
nghiên cứu và hoàn thiện luận văn.
Em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đối với các thầy cô Bộ môn Vật liệu kim loại
màu & Composite và các thầy cô Viện Khoa học & kỹ thuật vật liệu, Trƣờng Đại
học Bách khoa Hà nội đã chỉ bảo và giảng dạy em trong suốt những năm học qua
cũng nhƣ việc hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới những ngƣời thân trong gia đình đã
động viên, hỗ trợ em về mọi mặt.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên: Lê Danh Chung

ii


MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... viii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG I HỢP KIM CỨNG ...................................................................................2
1.1. Định nghĩa ........................................................................................................2
1.2. Lịch sử phát triển .............................................................................................2
1.3. Phân loại và tính chất .......................................................................................4
1.3.1. Hợp kim cứng đơn cacbit ..........................................................................4
1.3.2. Hợp kim cứng đa cacbit ............................................................................6
CHƢƠNG II CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM CỨNG.......................................8
2.1. Công nghệ luyện kim bột truyền thống chế tạo hợp kim cứng........................8
2.1.1. Công nghệ nghiền trộn hỗn hợp bột ..........................................................8
2.1.2. Công nghệ ép tạo hình ............................................................................10
2.1.3. Công nghệ thiêu kết sơ bộ .......................................................................13
2.1.4. Thiêu kết chính thức................................................................................15
2.1.4.1. Thiết bị thiêu kết ..............................................................................15
2.1.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình thiêu kết .................................16
2.1.4.3. Các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình thiêu kết [69] .......................17
2.2. Công nghệ kết hợp Ép – Thiêu kết chế tạo HKC ..........................................23
2.2.1. Kỹ thuật ép nóng trong khuôn ...................................................................23

2.2.2. Kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh .........................................................................25
2.2.3. Công nghệ kết hợp ép – thiêu kết chế tạo HKC......................................32
iii


2.2.3.1. Kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh sau thiêu kết (Post – HIP) ...................32
2.2.3.2. Kỹ thuật thiêu kết+ ép nóng đẳng tĩnh (Sinter –HIP) ......................33
CHƢƠNG 3 THỰC NGHIỆM .................................................................................36
3.1. Qui trình thực nghiệm ....................................................................................36
3.2. Nguyên vật liệu ..............................................................................................37
3.2.1. Bột WC....................................................................................................37
3.2.2. Bột Co .....................................................................................................37
3.2.3. Các loại phụ gia, dung môi .....................................................................38
3.3. Nội dung và trang thiết bị thực nghiệm .........................................................38
3.3.1. Nghiền trộn hỗn hợp bột .........................................................................38
3.3.2. Sấy rây tạo hạt hỗn hợp bột.....................................................................39
3.3.3. Ép tạo hình mẫu HKC .............................................................................40
3.3.4. Thiêu kết sơ bộ mẫu HKC ......................................................................41
3.3.5. Phân tích nhiệt mẫu hợp kim cứng WC - Co ..........................................43
3.3.6. Nghiên cứu công nghệ thiêu kết mẫu HKC trong chân không ...................43
3.3.7. Nghiên cứu công nghệ thiêu kết + ép nóng đẳng tĩnh HKC.......................45
3.4. Đặc trƣng cấu trúc và tính chất vật liệu .........................................................46
3.4.1. Xác định tỷ trọng của mẫu HKC .............................................................46
3.4.2. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu ...................................................................47
3.4.3. Xác định độ bền uốn của mẫu HKC .......................................................48
3.4.4. Xác định độ cứng của mẫu HKC ............................................................48
3.4.5. Xác định độ dai của mẫu HKC ...............................................................49
3.4.6. Xác định độ bão hòa từ ...........................................................................50
CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................51
4.1. Kết quả phân tích nhiệt mẫu HKC .................................................................51

4.2. Nghiên cứu công nghệ thiêu kết HKC trong chân không ..............................55
4.3. Nghiên cứu công nghệ thiêu kết + ép nóng đẳng tĩnh HKC..........................59
4.4. Xác định phân bố Co trong mẫu HKC bằng phƣơng pháp đo độ bão hòa từ ..65
KẾT LUẬN ...............................................................................................................68

iv


NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU ..............................................70
CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

HKC

Hợp kim cứng

CIP

Cold isostatic pressing

Ép nguội đẳng tĩnh

HIP

Hot isostatic pressing

Ép nóng đẳng tĩnh

Post-HIP

Post- Hot isostatic pressing

Kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh sau
thiêu kết

Sinter-HIP

Sinter - Hot isostatic pressing

Kỹ thuật thiêu kết+ép nóng đẳng

v


tĩnh.
MS

Microwave sintering

Thiêu kết bằng sóng siêu âm

ROC

Rapid omnidirectional compaction Kỹ thuật ép nhanh đẳng hƣớng

UPRC

ultrahigh pressure rapid hot
consolidation

Kỹ thuật ép nóng nhanh dƣới áp
lực siêu cao

SPS

spark plasma sintering

Thiêu kết bằng hồ quang plasma

PPS

Pulse plasma sintering

Thiêu kết bằng xung plasma

PECS

pulsed electric current sintering

Thiêu kết bằng dòng xung

PCAS

pulsed current activated sintering

Thiêu kết hoạt hóa xung

HFIHS

High frequency induction heat
sintering

CVD

Chemical Vapour Deposition

Thiêu kết gia nhiệt bằng dòng
cảm ứng tần số cao
Kỹ thuật lắng đọng hoá học pha
hơi

PVD

Physical Vapour Deposition

Kỹ thuật lắng đọng vật lý pha hơn

SEM

Scanning Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

TG

Thermogravimetry

Phân tích nhiệt trọng lƣợng

DSC

Differential scanning calorimetry

Phƣơng pháp quét nhiệt vi sai

VSM

Vibrating Sample Magnetometer

Máy đo từ kế mẫu rung

vi


DANH MỤC BẢNG

Trang
Bảng 2.1. Nhiệt độ và áp suất ép nóng đẳng tĩnh của một số mẫu điển hình .........28
Bảng 2.2. Điều kiện ép nóng đẳng tĩnh của một số loại vật liệu ..............................30
Bảng 2.3. Điều kiện ép nóng đẳng tĩnh của một số vật liệu .....................................31
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của bột WC .................................................................37

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của bột Co ...................................................................37
Bảng 4.1. Kết quả đo một số mẫu HKC được thiêu kết trong chân không ..............55
Bảng 4.2. Các thông số cơ lý tính của một số mẫu HKC nghiên cứu ......................59

vii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang
Hình 1.1. Phạm vi ứng dụng của HKC hệ WC – Co .................................................5
Hình 1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ cứng và độ bền gãy ......................6
Hình 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ cứng và độ bền gãy của HKC WC
– TiC – TaC – Co .......................................................................................................7
Hình 2.1. Qui trình công nghệ truyền thống chế tạo HKC ........................................8
Hình 2.2. Giản đồ Nhiệt độ - Thời gian thiêu kết sơ bộ HKC WC – Co ..................14
Hình 2.3. Mô hình lò thiêu kết chân không có kết hợp quá trình thiêu kết ..............16
Hình 2.4. Giản đồ nhiệt độ - áp suất thiêu kết HKC WC - 20%Co ..........................16
Hình 2.5. Giản đồ cân bằng hệ WC – Co ................................................................17
Hình 2.6. (a) Mô hình sát nhập các hạt có định hướng gần nhau khi thiêu kết HKC
kích thước hạt mịn và siêu mịn .................................................................................20
Hình 2.7. So sánh sự phát triển hạt WC trong quá trình nâng nhiệt .......................22
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị ép nóng trong khuôn (a) và thiết bị ép nóng
trong khuôn tại Viện Khoa học Vật liệu (b) ..............................................................23
Hình 2.9. Ảnh SEM mẫu Al2O3 sau ép nóng đẳng tĩnh ở nhiệt độ 1850oC, áp suất 12
Mpa, 1 giờ ................................................................................................................29
Hình 2.10. Quá trình tác dụng trực tiếp của khí nén lên rỗ xốp hở (a) và tác dụng
gián tiếp qua bao nung (b) .......................................................................................30
Hình 2.11. Ảnh hưởng của hàm lượng Co đến sự cải thiện độ bền của HKC .........32
Hình 2.12. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến sự cải thiện độ bền của HKC .........33

Hình 2.13. Chu trình công nghệ kết khối HKC bằng kỹ thuật .................................34
Hình 2.14. Lò thiêu kết HKC theo công nghệ Sinter –HIP ......................................35
Hình 2.15. Bi HKC dùng cho ngòi bút bi [7] (a) và mũi khoan đá sử dụng hạt cắt
bằng HKC (b) ............................................................................................................35
Hình 3.1. Qui trình thực nghiệm ..............................................................................36
Hình 3.2. Ảnh SEM của mẫu bột WC ban đầu .........................................................37
viii


Hình 3.3. Ảnh SEM của mẫu bột Co ban đầu .........................................................38
Hình 3.4. Máy nghiền trộn tang trống......................................................................38
Hình 3.5. Thiết bị sấy quay tạo hạt ..........................................................................39
Hình 3.6. Khuôn dùng để ép mẫu HKC (a) và máy ép (b) .......................................41
Hình 3.7. Hệ lò thiêu kết sơ bộ .................................................................................42
Hình 3.8. Giản đồ nhiệt độ - thời gian của quá trình thiêu kết sơ bộ mẫu HKC .....42
Hình 3.9. Thiết bị phân tích nhiệt Labsys evo ..........................................................43
Hình 3.10. Thiết bị ép nóng đẳng tĩnh AIP6-30H ....................................................44
Hình 3.11. Giản đồ nhiệt độ - thời gian của quá trình thiêu kết trong chân không .45
Hình 3.11. Giản đồ nhiệt độ-thời gian của quá trình thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh 46
Hình 3.12. Hệ cân tỷ trọng tại Viện Khoa học Vật liệu ...........................................47
Hình 3.13. Hiển vi điện tử JEOL ..............................................................................47
Hình 3.13. Thiết bị thử kéo nén vạn năng ................................................................48
Hình 3.14. Máy đo độ cứng AKV – CO/ Mitutoyo ...................................................49
Hình 3.15. Kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT (a), Xác định các vết nứt bằng
hiển vi quang học (b).................................................................................................49
Hình 3.16. Thiết bị đo từ kế mẫu rung .....................................................................50
Hình 4.1. Giản đồ TG – DSC của mẫu HKC WC – 8%Co ......................................51
Hình 4.2. Giản đồ pha Co - C ..................................................................................52
Hình 4.3. Giản đồ pha hệ Co – W ............................................................................53
Hình 4.4. Mặt cắt đẳng nhiệt của giản đồ Co-C-W tại 1000oC [52] .......................54

Hình 4.5. Một số mẫu HKC được thiêu kết trong chân không .................................55
Hình 4.6. Ảnh SEM mẫu CK31 (a), mẫu CK62 (b) và mẫu CK91 (c) .....................56
Hình 4.7. Giản đồ nhiệt độ - thời gian quá trình thiêu kết HKC trong chân không 58
Hình 4.8. Đồ thị mật độ - áp lực ép đẳng tĩnh của các mẫu HKC ...........................60
Hình 4.9. Ảnh SEM mẫu HKC được thiêu kết ở các áp lực ép khác nhau ...............60
Hình 4.10. Ảnh SEM mẫu P4....................................................................................61
Hình 4.11. Đồ thị độ cứng HV – Áp lực ép của các mẫu HKC ................................62
Hình 4.12. Đồ thị Độ dai – Áp lực ép của các mẫu HKC ........................................63

ix


Hình 4.13. Giản đồ nhiệt độ - thời gian quá trình thiêu kết mẫu HKC có ép nóng
đẳng tĩnh bổ sung ......................................................................................................64
Hình 4.14. Đồ thị Mômen từ M – Cường độ từ trường H của các mẫu nghiên cứu 65
Hình 4.15. Đồ thị M – Áp lực ép của các mẫu HKC .............................................66
Hình 4.16. Ảnh hiển vi quang học vết đâm tại tâm (a) và cạnh (b) mẫu P4 ............67

x


MỞ ĐẦU
Đƣợc phát triển từ những năm 30 của thế kỷ trƣớc, hợp kim cứng (HKC) hệ
WC-Co đã và đang ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp
(cơ khí, khai khoáng,…). Đây là loại vật liệu tổ hợp đƣợc chế tạo bằng phƣơng
pháp luyện kim bột, pha cốt là các hạt WC liên kết với pha nền Co nhờ vào quá
trình thiêu kết pha lỏng. Cơ tính của vật liệu phụ thuộc vào khả năng liên kết giữa
nền và cốt. Tuy nhiên, do ảnh hƣởng của điều kiện thiêu kết và sức căng bề mặt của
Co lỏng trên hạt WC, vẫn còn tồn tại các rỗ xốp tế vi bên trong vật liệu. Các rỗ xốp
hạn chế liên kết giữa pha nền và cốt, vì vậy làm giảm cơ tính của vật liệu. Vấn đề

đặt ra là cần tìm các biện pháp công nghệ nhằm loại bỏ các rỗ xốp, nâng cao cơ tính
của vật liệu.
Một trong những công nghệ đƣợc phát triển trong vài năm gần đây là Công
nghệ thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh (Sinter-HIP), cho phép tăng mật độ của HKC
thông qua việc giảm rỗ xốp có trong hợp kim. Dƣới tác dụng của áp lực ép, Co lỏng
bị dồn về tâm của mẫu, điền đầy các rỗ xốp có trong mẫu.
Tuy nhiên, việc thiêu kết ở nhiệt độ nào và kỹ thuật điều khiển áp suất trong lò
ra sao để đạt đƣợc hiệu quả thì cần phải có quá trình nghiên cứu, khảo sát cụ thể.
Xuất phát từ nhu cầu đó, em đã chọn đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu chế tạo hợp
kim cứng hệ WC – Co cơ tính cao bằng kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh bổ sung”.
Luận văn đƣợc thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hƣởng của ép nóng
đẳng tĩnh đến cơ tính của HKC hệ WC – Co. Qua đó xác định áp lực ép nóng có
hiệu quả, làm cơ sở để xây dựng công nghệ thiêu kết HKC có ép nóng đẳng tĩnh bổ
sung với định hƣớng ứng dụng trong công nghiệp.

1


CHƢƠNG I

HỢP KIM CỨNG
1.1. Định nghĩa
Hợp kim cứng (HKC) là vật liệu tổ hợp trong đó pha cốt là các hạt cacbit
(WC, TiC,…) đƣợc liên kết với nhau bởi pha nền là một số kim loại nhƣ Co, Ni,…
Phổ biến nhất trong số đó là HKC hệ WC – Co, hiện đang đƣợc ứng dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp nhƣ cơ khí, khai khoáng,…
1.2. Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển của HKC xuất phát từ nhu cầu cần phải tìm một loại vật liệu
có giá thành thấp, thay thế kim cƣơng để làm khuôn kéo dây tóc bóng đèn bằng
vonfram vào đầu thế kỷ 20. Năm 1923, Karl Schröter [29] đã chế tạo thành công

hợp kim cứng WC – Co trong phòng thí nghiệm và đƣợc cấp bằng sáng chế tại Đức.
Năm 1927 Công ty Fried Krupp (Đức) [52] đã cung cấp ra thị trƣờng hợp kim cứng
hệ WC – Co đầu tiên với tên thƣơng mại là Widia (ghép từ wie Diamant, tiếng Đức
có nghĩa là như kim cương) trên cơ sở sáng chế của Schröter. Đây là HKC có thành
phần gồm 94%WC và 6%Co – là một trong những mác HKC hiện vẫn đang đƣợc
sử dụng rộng rãi.
Đến năm 1929, Schwarzkopf [41] đã nghiên cứu, chế tạo HKC 3 nguyên trên
cơ sở hệ WC – Co có bổ sung thêm cacbit kim loại khác (TiC, TaC) và đã đƣợc cấp
bằng sáng chế tại Đức. HKC nhận đƣợc đem lại hiệu quả cao trong lĩnh vực gia
công cơ khí. Phát minh của Schwarzkopf về HKC đa cacbit mang tính vƣợt trội so
với HKC thông thƣờng (cứng, bền nhiệt hơn), mở ra một thời kỳ mới về dụng cụ cắt
gọt bằng HKC đa cacbit. Kể từ đó cho đến nay, hƣớng nghiên cứu về HKC đa
cacbit không ngừng đƣợc phát triển với việc bổ sung các loại cacbit khác nhƣ NbC,
VC, Cr2C3, HfC... vào trong thành phần HKC. Năm 1956, HKC hệ WC-TiCTa(Nb)C-Cr3C2-Co đƣợc công bố [52]. Mỗi một cacbit kim loại có vài trò nhất định
đến cơ lý tính của HKC nhận đƣợc, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hàm lƣợng,
kích thƣớc hạt, khả năng tạo pha với các cấu tử khác,...
2


Bên cạnh việc nghiên cứu về thành phần, hƣớng nghiên cứu về ảnh hƣởng của
kích thƣớc hạt đến tính chất của HKC cũng đã đƣợc tiến hành từ rất sớm. Năm
1948, một số các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo HKC hệ WC – Co có kích
thƣớc hạt 0,5 – 0,9 µm. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc giảm kích thƣớc hạt
có khả năng làm tăng cơ lý tính của HKC nhận đƣợc. Vì vậy, cho đến nay, đã có rất
nhiều các công trình nghiên cứu, chế tạo HKC theo hƣớng giảm kích thƣớc hạt
đƣợc công bố (hạt mịn, hạt siêu mịn, ...). Năm 1994, HKC có kích thƣớc hạt nano
đƣợc nghiên cứu chế tạo [52]. Các công trình nghiên cứu đƣợc thực hiện dựa trên
việc áp dụng các công nghệ chế tạo bột có kích thƣớc từ mịn cho đến nano: phƣơng
pháp nghiền cơ năng lƣợng cao, phƣơng pháp phun, phƣơng pháp hóa,...
Công nghệ thiêu kết đƣợc nghiên cứu ứng dụng từ năm 1927 và không ngừng

đƣợc nghiên cứu phát triển nhằm nâng cao chất lƣợng của HKC. Năm 1965, kỹ
thuật ép nóng đẳng tĩnh (Hot isostatic pressing - HIP) đƣợc sử dụng trong việc chế
tạo HKC. Tuy nhiên, phải đến năm 1983, kỹ thuật thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh
(Sinter-HIP) mới đƣợc sử dụng nhiều trong các công trình nghiên cứu về HKC. Kỹ
thuật này khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của kỹ thuật ép nóng đẳng hƣớng (Hot
pressing) nhƣ mật độ đồng đều, không cần khuôn graphit và cho phép chế tạo hàng
loại. Ngoài ra, cho đến nay, đã có rất nhiều kỹ thuật thiêu kết tiên tiến đƣợc ứng
dụng trong chế tạo HKC nhƣ: thiêu kết bằng sóng siêu âm (microwave sintering –
MS) [2], kỹ thuật ép nhanh đẳng hƣớng (rapid omnidirectional compaction – ROC)
[10], kỹ thuật ép nóng nhanh dƣới áp lực siêu cao (ultrahigh pressure rapid hot
consolidation – UPRC) [53], thiêu kết bằng hồ quang plasma (spark plasma
sintering - SPS) [8, 19, 34, 35, 48, 49, 54, 59, 60, 62, 63,], thiêu kết bằng xung
plasma (Pulse plasma sintering – PPS) [37], thiêu kết bằng dòng xung (pulsed
electric current sintering – PECS) [16], thiêu kết hoạt hóa xung (pulsed current
activated sintering – PCAS) [18] thiêu kết bằng dòng cảm ứng tần số cao (High
frequency induction heat sintering – HFIHS) [24, 25, 26].
Cũng nhƣ nhiều loại hợp kim khác, các công nghệ xử lý bề mặt cũng đƣợc
ứng dụng đối với HKC nhằm làm tăng cơ tính của vật liệu, nhất là đối với HKC
dùng làm dụng cụ cắt. Cột mốc quan trọng trong quá trình phát triển dụng cụ cắt
bằng HKC là khi phát minh ra phƣơng pháp phủ lớp TiC mỏng lên WC-Co bằng kỹ

3


thuật lắng đọng hoá học pha hơi (CVD) vào đầu những năm của thập niên 1960.
Dao cắt đƣợc phủ TiC bằng kỹ thuật CVD cho phép cắt với vận tốc cao hơn và bền
hơn. Từ năm 1992, kỹ thuật lắng đọng vật lý pha hơn (PVD) và sau này là Plasma
PVD cũng đƣợc phát triển để phủ các lớp cacbit, nitrit lên bề mặt HKC hệ WC-Co.
Cuối cùng là phủ lớp kim cƣơng và giả kim cƣơng lên bề mặt dụng cụ cắt bằng kỹ
thuật CVD nhiệt. HKC phủ kim cƣơng đƣợc đƣa ra thị trƣờng vào năm 1994 tại Hội

trợ Automotive Tool Exhibition Fair tại Chicago (Mỹ). Tuy nhiên cho đến tận ngày
nay, vấn đề độ bám dính của lớp phủ lên HKC vẫn ngăn cản mở rộng những ứng
dụng của lớp phủ kim cƣơng.
1.3. Phân loại và tính chất
1.3.1. Hợp kim cứng đơn cacbit
Nhóm HKC đơn cacbit có nhiều hệ nhƣ WC – Co, WC – Ni,… tuy nhiên quan
trọng nhất vẫn là hệ WC – Co. Tùy thuộc vào hàm lƣợng Co mà HKC WC – Co
đƣợc phân ra thành 3 loại chính:
- HKC có hàm lƣợng Co thấp: 3 – 8%
- HKC có hàm lƣợng Co trung bình: 8 – 15%
- HKC có hàm lƣợng Co cao: 15 – 30%
Hợp kim cứng hệ WC – Co đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp luyện kim bột có
ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp. Hợp kim này đƣợc dùng để cắt gọt các vật
liệu có phoi không liên tục và chế tạo các chi tiết chịu mài mòn. Khối lƣợng riêng
của hợp kim này dao động từ 13 – 15,3 g/cm3 tùy thuộc vào hàm lƣợng Co. Độ
cứng của HKC đối với các HKC có hàm lƣợng Co từ 3 – 23% đạt 830 – 1820 HV30,
độ bền uốn đạt từ 1896 – 4136 Mpa [17].
Cơ tính của HKC phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có 2 yếu tố quan trọng
là hàm lƣợng Co và kích thƣớc hạt WC. Chính vì vậy, ngoài việc phân loại HKC
theo hàm lƣợng Co, ngƣời ta còn phân loại theo kích thƣớc hạt WC nhƣ sau [55]
- Loại rất thô (hạt WC > 5µm)
- Loại thô (3,5 - 5µm)
- Loại tƣơng đối thô (2,1 - 3,4µm)
- Loại trung bình (1,4 - 2,0µm)
4


- Loại mịn (1,0 - 1,3µm)
- Loại submicro (0,5 - 0,9µm)
- Loại siêu mịn (0,2 - 0,5µm)

- Loại kích thƣớc nano (< 200 nm)
Việc kết hợp hài hòa giữa hàm lƣợng Co và kích thƣớc hạt WC cho phép chế
tạo HKC dùng cho các mục đích khác nhau. Hình 1.1 minh họa về phạm vi ứng
dụng của HKC ở hàm lƣợng Co và kích thƣớc hạt WC xác định [55]

Hình 1.1. Phạm vi ứng dụng của HKC hệ WC – Co [55]
Loại hợp kim có hàm lƣợng Co thấp thì có độ bền thấp nhƣng độ chịu mài
mòn cao hơn hợp kim có hàm lƣợng Co cao, do vậy đƣợc ứng dụng chủ yếu trong
điều kiện tải trọng tĩnh, dùng để gia công gang, các vật liệu phi kim và một số loại
thép, hợp kim chịu nhiệt. Ngoài ra, hợp kim cứng hệ này còn đƣợc dùng để chế tạo
khuôn kéo dây kim loại có tải trọng động không lớn, dùng để chế tạo dụng cụ khai
thác mỏ với điều kiện đất đá mềm và chế tạo lƣỡi của các máy xúc…
Loại hợp kim có hàm lƣợng Co trung bình đƣợc dùng chủ yếu với tải trọng
động, dùng để chế tạo mũi khoan thăm dò địa chất và khai thác mỏ, làm việc trong
điều kiện đất đá cứng hoặc chế tạo khuôn đột dập kim loại.
Đối với loại hợp kim có hàm lƣợng Co cao đƣợc sử dụng để chế tạo dụng cụ
dập kim loại làm việc với điều kiện tải trọng động lớn.
5


1.3.2. Hợp kim cứng đa cacbit
Nhóm hợp kim cứng đa cacbit gồm các hệ hợp kim có bổ sung thêm cacbit
kim loại khác vào trong thành phần của HKC hệ WC – Co, phổ biến hiện nay là hệ
WC – TiC – Co và hệ WC – TiC – TaC – Co.
Việc phân loại HKC hệ WC – TiC – Co dựa vào hàm lƣợng TiC và Co có
trong thành phần hợp kim. Hàm lƣợng TiC nằm trong khoảng 5 – 40% và hàm
lƣợng Co chiếm từ 5 – 15%. Tính chất các loại hợp kim này phụ thuộc vào hàm
lƣợng TiC và hàm lƣợng Co. Khi tăng hàm lƣợng TiC và giữ nguyên hàm lƣợng Co
thì hợp kim có độ chịu nhiệt, chịu mài mòn tăng nhƣng độ bền giảm. Dƣa trên cơ sở
đó ngƣời ta cũng chia tƣơng đối loại hợp kim này thành ba loại:

- Loại có hàm lƣợng TiC thấp: 4 – 6% TiC, 9 – 15% Co
- Loại có hàm lƣợng TiC trung bình: 10 – 20% TiC, 6 – 8% Co
- Loại có hàm lƣợng TiC cao: 25 – 40% TiC
Hợp kim hệ WC – TiC – Co có độ chịu nhiệt cao hơn hợp kim hệ WC – Co
nên thƣờng đƣợc dùng để chế tạo dụng cụ gia công thép, cho phép gia công liên tục
ở tốc độ cao. Điều này có thể thấy rõ qua đồ thị biểu diễn ảnh hƣởng của hàm lƣợng
TiC bổ sung đến cơ tính của HKC trên cơ sở WC – Co (hình 1.2)

Hình 1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ cứng và độ bền gãy
của HKC WC – TiC – Co [52]

6


Việc bổ sung thành phần TaC vào trong hợp kim làm cho độ cứng và độ bền
gãy của hợp kim WC – TiC – TaC – Co cao hơn so với hợp kim WC – TiC – Co
(hình 1.3), tăng khả năng làm việc của vật liệu và cũng đƣợc dùng để chế tạo dụng
cụ gia công thép ở tốc độ cao.

Hình 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng TiC đến độ cứng và độ bền gãy của HKC WC
– TiC – TaC – Co [52]
Trong những năm gần đây, bên cạnh việc mở rộng hƣớng nghiên cứu về hợp
kim cứng đa các bít, hƣớng nghiên cứu nhằm nâng cao cơ tính của hợp kim cứng
WC – Co vẫn đƣợc các nhà khoa học trên thế giới thực hiện theo hai con đƣờng:
-

Giảm kích thƣớc hạt WC, từ hạt siêu mịn cho đến hạt có kích thƣớc nano.

-

Ứng dụng các công nghệ thiêu kết tiên tiến: thiêu kết bằng sóng siêu âm (MS),
thiêu kết bằng hồ quang plasma (SPS), thiêu kết bằng dòng cảm ứng tần số cao
(HFIHS), thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh (Sinter-HIP)… Trong đó, công nghệ
thiêu kết+ép nóng đẳng tĩnh đang ngày càng trở lên phổ biến và đƣợc áp dụng
rộng rãi trong công nghiệp [58].
Trên cơ sở thiết bị hiện có và định hƣớng ứng dụng các kết quả nghiên cứu và

sản xuất công nghiệp, đề tài sẽ tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ thiêu kết
HKC truyền thống cũng nhƣ công nghệ thiêu kết + ép nóng đẳng tĩnh HKC, đƣợc
trình bày cụ thể trong Chƣơng 2

7


CHƢƠNG II
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM CỨNG
2.1. Công nghệ luyện kim bột truyền thống chế tạo hợp kim cứng
Về cơ bản, công nghệ luyện kim bột truyền thống chế tạo hợp kim cứng đƣợc
tiến hành theo qui trình công nghệ sau:
Bột WC

Chất trợ ép (cao
su, parafin)

Bột Co

Nghiền, trộn

Dung môi nghiền
(cồn, xăng, aceton,…)

Ép tạo hình

Thiêu kết sơ bộ

Thiêu kết chính thức

Sản phẩm

Hình42.1. Qui trình công nghệ truyền thống chế tạo HKC
2.1.1. Công nghệ nghiền trộn hỗn hợp bột
Quá trình nghiền trộn hỗn hợp bột nhằm 2 mục đích:
- Đồng đều thành phần hỗn hợp bột.
- Giảm kích thƣớc và đa cạnh hóa các hạt bột, tăng tính chảy của bột trong quá
trình ép.
8


Tùy thuộc vào thành phần của HKC cần thiêu kết mà bột WC và Co đƣợc cân
với khối lƣợng nhất định trƣớc khi nghiền, trộn. Quá trình nghiền trộn đƣợc tiến
hành trong máy nghiền bi. Do nguyên liệu cho vào có kích thƣớc hạt rất khác nhau
nên quá trình đƣợc tiến hành theo chế độ nghiền ƣớt. Quá trình nghiền nhỏ hạt có
vai trò rất quan trọng tới quá trình trộn các cấu tử với nhau. Hỗn hợp bột đƣợc trộn
đều về thành phần hóa học chỉ xảy ra khi kích thƣớc hạt đủ nhỏ. Kết hợp hai quá
trình nghiền và trộn trong môi trƣớng ƣớt dẫn tới làm thay đổi trạng thái vật lý của
các hạt, sự phân bố tƣơng đối giữa chúng và tác động tƣơng hỗ với nhau. Đặc biệt,
sự ảnh hƣởng của quá trình nghiền và trộn kết hợp đến cơ tính của hợp kim cứng
thể hiện rõ nét trong trƣờng hợp hàm lƣợng Co thấp.
Các yếu tố công nghệ chủ yếu trong quá trình nghiền trộn là tốc độ quay của
tang, thời gian, dung môi nghiền, tỷ lệ giữa dung môi nghiền và bột, kích thƣớc bi

và tỷ lệ bi:bột. Hiệu quả của quá trình nghiền là quá trình chuyển động của bi trong
tang quay và phụ thuốc vào tốc độ, đƣờng kính của tang. Thực tế đã chứng minh
rằng tốc độ của tang khoảng 50 – 70% tốc độ tới hạn (Nth). Tốc độ tới hạn đƣợc xác
định theo công thức:

Trong đó:

Nth - tốc độ quay tới hạn, (vòng/phút)
D – Đƣờng kính của tang, (m)

Thời gian nghiền trộn cũng có ảnh hƣởng rất lớn tới chất lƣợng của hợp kim
cứng. Điều này đã đƣợc nhiều công trình nghiên cứu khẳng định và đƣợc kiểm tra
bằng thực tế. Thời gian nghiền trộn thƣờng chọn từ 24 – 120 giờ tùy thuộc vào yêu
cầu chất lƣợng của sản phẩm, thời gian càng dài thì kích thƣớc hạt của hợp kim
càng nhỏ.
Quá trình nghiền ƣớt hỗn hợp bột WC và Co thông thƣờng đƣợc tiến hành
trong môi trƣờng cồn, xăng hoặc aceton. Trong quá trình nghiền, dung môi nghiền
thấm vào các kẽ nứt, xói mòn vết nứt và do vậy hạt dễ vỡ hơn, tạo thành các hạt có
kích thƣớc nhỏ hơn. Ngoài ra quá trình nghiền trộn trong môi trƣờng ƣớt tránh đƣợc

9


lực tĩnh điện giữa các hạt với nhau, do vậy tạo điều kiện kích thƣớc hạt nhỏ và đồng
đều với nhau hơn. Có 2 yêu cầu quan trọng đối với chất dùng làm dung môi nghiền
là không tác dụng với thành phần nào trong hỗn hợp bột để tạo thành hợp chất hóa
học và dễ bay hơi.
Kích thƣớc của bi nghiền cũng có ảnh hƣởng tới hiệu quả của quá trình nghiền
trộn. Thông thƣờng, trong công nghệ sản xuất hợp kim cứng, kích thƣớc của bi
đƣợc lấy theo kích thƣớc của tang nghiền (D) và đƣợc lấy trong khoảng

.

Trong trƣờng hợp lấy đƣờng kính bi nhỏ thì hiệu quả trộn tốt hơn hiệu quả nghiền
và ngƣợc lại nếu sử dụng bi có kích thƣớc lớn thì hiệu quả nghiền cao hơn hiệu quả
trộn. Vì vậy, việc lựa chọn thành phần kích thƣớc bi đƣợc tiến hành tùy thuộc vào
yêu cầu cơ lý tính của sản phẩm. Tỷ lệ kích thƣớc bi đƣợc sử dụng phụ thuộc vào
kết quả thực nghiệm.
Ngoài kích thƣớc của bi, tỷ lệ giữa bi và bột cũng có một vai trò quan trọng
đến chất lƣợng và giá thành sản phẩm. Thông thƣờng tỷ lệ bi : bột đƣợc lấy từ 2,5 –
3,5 lần. Trong một số điều kiện đặc biệt, đòi hỏi kích thƣớc hạt rất nhỏ, tỷ lệ này có
thể lên tới 5 – 6 lần.
Ngoài hai thành phần nguyên liệu chính là WC và Co, các chất phụ gia
(thƣờng có hàm lƣợng rất nhỏ) nhƣ chất ức chế phát triển hạt, chất trợ ép,…cũng
đƣợc bổ sung trong hoặc cuối quá trình nghiền trộn. Sau khi nghiền trộn xong, hỗn
hợp bột đƣợc sấy khô khỏi dung môi trong tủ sấy chân không ở nhiệt độ 70 – 80oC.
2.1.2. Công nghệ ép tạo hình
Quá trình ép tạo hình hỗn hợp bột WC – Co cũng đƣợc thực hiện tƣơng tự nhƣ
khi ép các loại bột kim loại khác. Do loại bột này có tính đàn hồi, biến dạng thấp
nên trong thành phần hỗn hợp bột thƣờng đƣợc bổ sung thêm phụ gia trợ ép. Các
chất phụ gia dùng để trợ ép phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Dễ tách khỏi mẫu ép trong quá trình sấy hay thiêu kết ở nhiệt độ thấp.
- Không để lại tạp chất trong sản phẩm.

10


Thông thƣờng, chất trợ ép dùng trong công nghệ sản xuất HKC là cao su trong
xăng hoặc parafin trong xăng (aceton). Đối với 2 loại chất trợ ép kể trên, mỗi loại
đều có ƣu nhƣợc điểm riêng.

- Chất trợ ép là cao su trong xăng có ƣu điểm là cải thiện đƣợc tính ép của bột,
phôi sau khi ép có độ bền cao nhƣng có nhƣợc điểm là dung dịch cao su sau khi
thiêu kết không bay hơi hoàn toàn mà phân hủy tạo thành cacbon, do vậy làm
ảnh hƣởng tới chất lƣợng của HKC sau này. Tuy nhiên, nếu trong quá trình tạo
cacbit chƣa triệt để đối với các hạt W có kích thƣớc lớn, pha lõi vẫn còn pha
W2C, lƣợng dƣ cacbon do cháy cao su tạo điều kiện cho W2C chuyển thành WC
trong quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao. Vì vậy, chất trợ ép cao su trong xăng vẫn
đƣợc sử dụng chủ yêu trong công nghệ luyện kim bột nói chung và trong hợp
kim cứng nói riêng.
- Chất trợ ép là parafin sau khi thiêu kết sẽ phân hủy hoàn toàn, không để lại
cacbon tự do trong sản phẩm nhƣng tính chảy, tính ép của hỗn hợp bột thấp. Do
vậy quá trình ép phải đƣợc tiến hành ở áp lực lớn, ảnh hƣởng tới độ bền của
khuôn.
Mục đích của quá trình ép là tạo ra vật ép có mật độ đồng đều trong toàn bộ
thể tích mẫu ép. Nếu mật độ của mẫu ép không đồng đều trong toàn bộ thể tích thì
độ co của mẫu sẽ khác nhau, gây biến dạng mẫu trong quá trình thiêu kết. Sự phân
bố không đồng đều về mật độ trong vật ép là do lực ma sát giữa thành khuôn và vật
ép (ma sát ngoài) và do sự ma sát giữa các hạt bột với nhau khi chuyển động trong
khuôn (ma sát trong). Sự chênh lệch về mật độ của vật ép phụ thuộc vào kích thƣớc,
hình dạng của vật ép, vật liệu làm khuôn và độ nhẵn của khuôn. Sự chênh lệch về
mật độ càng cao khi phải tiến hành ép các chi tiết có chiều cao lớn. Để giảm chênh
lệch mật độ khi ép, ngƣời ta phải giảm ma sát giữa khuôn và bột, chọn chiều cao ép
có kích thƣớc bé nhất, thay ép một chiều bằng ép hai chiều,…Tuy nhiên, dù là
phƣơng pháp nào thì cũng không thể khắc phục đƣợc hết sự đồng đều mật độ vật ép.
Đặc biệt, khi tháo mẫu ra khỏi khuôn ép bao giờ cũng tồn tại ứng suất biến
dạng đàn hồi trong vật ép. Vật ép thì nở ra trong khi khuôn lại co lại, độ dãn nở đàn

11

hồi phụ thuộc vào bản chất vật ép và áp lực ép. Đối với hỗn hợp bột WC – Co, sự
dãn nở có thể lên tới vài phần trăm, phụ thuộc vào hàm lƣợng Co và áp lực ép. Lực
ép, hàm lƣợng Co càng cao thì độ dãn nở càng lớn và ngƣợc lại. Thời gian giữ áp
lực ép càng lâu thì độ dãn nở càng nhỏ vì có sự giảm ứng suất khi tải trọng cố định.
Hiện tƣợng dãn nở đàn hồi có thể gây nên phân lớp hoặc nứt vật ép theo các chiều
khác nhau, do vậy cần phải có chế độ ép hợp lý để khắc phục các hiện tƣợng trên.
Đối với hỗn hợp bột WC – Co, trong thực tế ngƣời ta thƣờng ép với áp lực 500 –
1500 kg/cm2. Với áp lực ép 1500 kg/cm2 vật ép có độ xốp khoảng 40 – 50% thể tích
và có sự co ngót sau khi thiêu kết một chiều là 20%. Nếu ép áp lực cao hơn thì khó
tránh khỏi bị nứt hay phân lớp sau khi tháo mẫu ép khỏi khuôn, đôi khi sự phân lớp
rất nhỏ khó phân biệt bằng mắt thƣờng và chỉ thấy rõ sau khi thiêu kết chính thức.
Điều này không thể chấp nhận đƣợc vì sản phẩm không ứng dụng đƣợc.
Khi ép các chi tiết có hình dáng phức tạp thì việc đạt sự đồng đều về tỷ trọng
trong toàn bộ thể tích gặp rất nhiều khó khăn, do vậy cần phải có kết cấu khuôn ép
và phƣơng pháp ép đặc biệt thì mới có thể nhận đƣợc đồng đều về tỷ trọng. Một
trong những biện pháp công nghệ đƣợc áp dụng phổ biến là ép thành khối, sau đó
đem thiêu kết sơ bộ, gia công cơ khí, tuy nhiên phải thêm chất phụ gia vào hỗn hợp
bột. Phôi ép nhận đƣợc có thể gia công cơ dễ dàng nhƣ gia công kim loại màu, cho
phép tạo ra các chi tiết có hình dáng phức tạp. Chính điều này đã tạo cho hợp kim
cứng đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn. Thực tế đã chỉ ra rằng nếu chỉ cần gia công đơn
giản thì có thể tiến hành ngay sau ép, nhƣng để tạo ra vật ép có độ bền nhất định để
có thể gia công cơ khí phức tạp, ngƣời ta phải tiến hành thiêu kết sơ bộ ở nhiệt độ
800 – 1000oC. Ở nhiệt độ này vật ép vẫn còn tồn tại ở trạng thái xốp ban đầu, tuy độ
bền có tăng nhƣng vẫn còn giòn, nếu gia công nhƣ phay, bào, tiện, khoan sẽ tạo ra
bề mặt mặt gia công không phẳng, thậm chí có khi còn bị nứt, vỡ, phá hỏng chi tiết.
Ngoài phƣơng pháp phổ biến là ép trong khuôn, ngƣời ta còn sử dụng các
phƣơng pháp ép khác nhƣ ép rung, ép đùn, ép thủy tĩnh. Nếu ép đồng thời kèm rung
thì mật độ đạt tới mật độ yêu cầu ngay ở áp lực ép thấp. Một trong những phƣơng
pháp ép hỗn hợp bột hợp kim cứng đƣợc sử dụng phổ biến là phƣơng pháp ép đùn.

12


Bản chất của phƣơng pháp là hỗn hợp bột đƣợc hóa mềm bằng các chất phụ gia, sau
đó đƣợc đùn qua khuôn để nhận đƣợc vật có hình dáng cần thiết để thiêu kết. Thông
thƣờng, chất phụ gia đƣợc dùng là parafin với hàm lƣợng 6 – 10% trọng lƣợng bột.
Parafin đƣợc cắt nhỏ thành từng miếng cho vào hỗn hợp bột đã đƣợc nung nóng lên
80 – 120oC ở thiết bị đặc biệt và đƣợc trộn đều với nhau ở nhiệt độ không đổi. Ở
nhiệt độ này parafin đƣợc chảy lỏng, trong khi đó bột chƣa bị oxy hóa. Với cách
làm nhƣ vậy bột chƣa đƣợc đồng đều nên phải tiến hành đùn qua sàng một vài lần.
Sau cùng, ngƣời ta ép thành thỏi ngắn có đƣờng kính tƣơng đƣơng với đƣờng kính
xilanh máy ép đùn và đùn ra các chi tiết. Trong quá trình đùn, hỗn hợp cùng với
khuôn đƣợc nung nóng với nhau ở nhiệt độ 35 – 40oC. Cần lƣu ý khi thiêu kết các
chi tiết sau khi ép đùn có hàm lƣợng parafin cao là phải tách parafin ra khỏi hỗn
hợp bột khi ép, quá trình đƣợc tiến hành ở công đoạn riêng biệt trong thiết bị riêng
để cho quá trình nâng nhiệt đủ chậm sao cho parafin thoát ra đƣợc dễ dàng.
Ngoài phƣơng pháp ép đùn, ngày nay đôi khi ngƣời ta còn dùng phƣơng pháp
đúc áp lực để tạo hình. Quá trình đƣợc tiến hành nhƣ sau: hỗn hợp đƣợc nấu chảy
cùng với chất phụ gia ở nhiệt độ 80 – 90oC, sau đó dùng áp lực của khí đẩy vào hệ
thống đúc để rót hỗn hợp vào khuôn. Hỗn hợp sau khi đông cứng đƣợc lấy khỏi
khuôn đúc và đem đi thiêu kết. Tuy nhiên trƣớc khi thiêu kết phải tách parafin và
nhƣ đã trình bày ở trên. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là mật độ vật ép đồng đều
trong toàn bộ thể tích mẫu nhƣng quá trình tách parafin gặp nhiều khó khăn để đảm
bảo cho vật đúc không bị biến dạng.
2.1.3. Công nghệ thiêu kết sơ bộ
Mục đích của quá trình thiêu kết sơ bộ là để loại bỏ các phụ phẩm trong mẫu,
hoàn nguyên oxit Co và nâng cao độ bền của mẫu. Thông thƣờng, quá trình thiêu
kết sơ bộ đƣợc thực hiện với sự thay đổi về chế độ nhiệt (nhiệt độ và tốc độ gia
nhiệt) theo thời gian thiêu kết.

13


T (oC)
Thoàn

nguyên

430
230
Tphòng
Thời gian (h)
Hình52.2. Giản đồ Nhiệt độ - Thời gian thiêu kết sơ bộ HKC WC – Co
Thiêu kết sơ bộ đƣợc tiến hành ở nhiệt độ 700oC – 1000oC, tuy nhiên vẫn phải
tiến hành theo từng khoảng nhiệt độ riêng biệt với mục đích riêng nhằm đảm bảo
chất lƣợng của sản phẩm thiêu kết. Ở giai đoạn từ nhiệt độ phòng đến 230oC, tốc độ
nâng nhiệt vừa phải nhằm làm bay hơi dung môi của chất phụ gia và hơi nƣớc hấp
phụ. Ở nhiệt độ 230oC - 430oC, tiến hành quá trình phân hủy chất phụ gia (cao su,
parafin), ở giai đoạn này tốc độ nâng nhiệt phải chậm để tạo điều kiện phân hủy vừa
phải nhằm tránh sự phân hủy chất phụ gia quá nhanh. Thông thƣờng ngƣời ta tiến
hành giữ nhiệt ở 430oC nhằm tạo điều kiện cho chất phụ gia phân hủy và bay hơi
hoàn toàn. Sau khi chất phụ gia bay hơi hết, tiếp tục nâng nhiệt đến nhiệt độ thiêu
kết sơ bộ, nhằm hoàn nguyên các màng oxit, tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán
WC vào Co. Quá trình thiêu kết sơ bộ đƣợc tiến hành trong khí hoàn nguyên, thông
thƣờng là H2 khô trong lò ống điện trở nằm ngang. Thuyền đựng mẫu thông thƣờng
đƣợc làm bằng graphit hoặc oxit nhôm, tùy theo điều kiện và yêu cầu công nghệ.
Khí hoàn nguyên có thể chuyển động theo chiều dài ống lò, đảm bảo đủ cho phản
ứng hoàn nguyên cũng nhƣ mang các phụ phẩm thoát ra từ vật thiêu ra khỏi vùng
thiêu kết. Mẫu nhận đƣợc sau quá trình thiêu kết sơ bộ có độ bền cao hơn mẫu tƣơi.
Các mẫu không bị nứt, không bị biến dạng mới đƣợc đem đi thiêu kết chính thức.

14


2.1.4. Thiêu kết chính thức
2.1.4.1. Thiết bị thiêu kết
Lò liên tục trong môi trường khí bảo vệ: Về cơ bản, theo chiều dài lò, có 3
vùng là vùng thiêu kết sơ bộ, vùng thiêu kết chính và vùng làm nguội. Mẫu di
chuyển theo chiều dài lò nhờ vào hệ thống băng tải, khí bảo vệ (thƣờng là H2) đƣợc
cấp ngƣợc chiều chuyển động của mẫu. Trong vùng thiêu kết sơ bộ, mẫu đƣợc gia
nhiệt đến một nhiệt độ xác định nhằm loại bỏ hơi nƣớc, chất trợ nghiền (cồn,
aceton), trợ ép (parafin) trong mẫu tƣơi. Tốc độ dịch chuyển và nhiệt độ của vùng lò
đƣợc xác định nhằm đảm bảo mẫu sau khi đi đến cuối của vùng đã đƣợc loại bỏ hết
các tạp chất và có cơ tính nhất định. Quá trình thiêu kết mẫu đƣợc thực hiện chủ yếu
trong vùng thiêu kết chính. Các thanh điện cực Molipden thƣờng đƣợc sử dụng để
gia nhiệt cho lò, cho phép duy trì nhiệt độ lò trên 1400oC. Vùng làm nguội của lò sử
dụng hệ thống nƣớc làm nguội, giảm dần nhiệt độ của mẫu ở tốc độ nhất định, đảm
bảo cho mẫu không bị cong vênh cũng nhƣ oxy hoá mẫu.
Lò mẻ trong môi trường khí bảo vệ: Đây là một loại lò hở, đƣợc gia nhiệt
bằng các thanh điện cực Molipden hoặc Wonfram. Môi trƣờng khí bảo vệ (H2) đƣợc
duy trì với áp suất dƣơng trong lò. Mẫu đƣợc đặt vào trong các thuyền nung bằng
Al2O3, đƣợc sắp xếp hợp lý trong không gian lò. Sau mỗi một mẻ thiêu kết, thuyền
nung đƣợc kéo ra khỏi lò để dỡ mẫu, trƣớc khi tiến hành xếp và thiêu kết mẻ mới.
Trong thực tế, loại lò này chỉ đƣợc dùng để thiêu kết HKC chỉ chứa WC và Co.
Lò thiêu kết trong chân không: Hình 2.3 [52] là mô hình lò thiêu kết chân
không có kết hợp cả quá trình thiêu kết và quá trình loại bỏ chất trợ ép. Quá trình
thiêu kết đƣợc thực trong môi trƣờng chân không, áp suất trong lò khoảng dƣới 150
Torr. Mẫu đƣợc đặt trong các khay bằng graphit nhằm tránh bức xạ nhiệt từ các
điện cực graphit. Toàn bộ vỏ và nắp buồng lò đƣợc làm mát bằng hệ thống nƣớc
tuần hoàn. Quá trình thiêu kết mẫu đƣợc tiến hành theo mẻ và thƣờng đƣợc tiến

hành qua 2 giai đoạn là thiêu kết sơ bộ nhằm khử chất trợ ép và thiêu kết chính
thức, đƣợc tiến hành ở nhiệt độ trên 1400oC.

15