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        硬質合金材料(1)_材料科學_工程科技_專業資料。硬質合金的分類 ? ? WC-Co合金主要用于礦山工具、耐磨零件,及金屬的加工工具。 WC-TiC-Co合金具有較高的抗月牙洼磨損能力,適用于作為切削具 有連續切削材料的刀具。在我國,WC-TiC-C

        硬質合金的分類 ? ? WC-Co合金主要用于礦山工具、耐磨零件,及金屬的加工工具。 WC-TiC-Co合金具有較高的抗月牙洼磨損能力,適用于作為切削具 有連續切削材料的刀具。在我國,WC-TiC-Co合金的生產量僅次于 WC-Co合金,主要用于鋼材的切削加工。 加入少量(低于5%)TaC(NbC)以后,WC-TaC(NbC)-Co合金可作 為難加工鋼材,如高強度鋼、耐熱鋼等合金鋼材的加工工具,提高 了合金的通用性。 以碳化物作硬質相,鋼作粘結相所形成的復古材料叫鋼結硬質合金。 鋼結合主分兩大類:一類是TiC-鋼結合金;一類是WC-鋼結合金。 目前已廣泛用于模具、耐磨零件、耐腐蝕零件及礦山工具等。 硬質合金涂層。 ? ? ? WC-Co硬質合金 W-C-Co三元系等溫截面的特點 ? Co角有一個W和C在鈷中的固溶體相單相區。沿Co-WC線 可把界面分為兩個區域,Co-WC線左上方是三相區γ+WC+C 和狹窄的兩相區γ+C;右下方是由γ、WC、W2C、W和三元化 合物ηl、η2、K相組成的多個相區。 ? 兩個三相區γ+WC+C和γ+WC+η1被一個狹窄的兩相區γ+ WC分開。此兩相區的大小表示WC-Co合金中碳量可允許的波 動范圍,叫相區寬度。 ?此兩相區是以W-C邊線上的WC處為頂點;向Co角張開的三 角形,說明合金中Co含越高,即越接近Co角,從而合金允許 碳量的波動的范圍越大;反之,越接近W-C邊線,即合金中Co 含量越低,允許碳量的變動范圍就越小,這表示低Co合金的碳 量控制更為困難。 ? 碳量在Co-WC線之上時,合金組織中便會出現第三相-石墨。 ? 在W角附近有幾種標記的三元化合物ηl、η2、和k相,這些化 合物的通式可寫成CoxWyCz。它們均為非正常價化合物,其成 分可以在某個范圍變動(叫均相區)。此均相區越大,該化合 物越易出現,也越穩定,反之越不穩定。 中間相的成分與特點 兩相區WC+η ? 制取高質量硬質合金的必要條件之一是在其組織中不出現第三相石墨或η1 相,因為它會降低合金的機械性能和使用效果。 ? 已有研究表明,WC-Co合金兩相區的高碳邊界與Co-WC線重合。因此, 在任何Co含量的合金中,達到或超過按照Co-WC線計算的理論碳含量時。 便會出現石墨。這樣在確定兩相區寬度時,只須定出低碳邊界就夠了。 ? 低碳邊界的WC含碳量與合金Co含量的關系如下: Co(%)(重量) 80 50 30 18 16 10 C (%)(重量) 5.22 5.58 5.83 5.99 6.00 6.04 或者用線性方程來表示合金低碳邊界的碳量; C (%)(重量)=6.125%-0.0735%×Co(重量) 單相區 ? W-C-Co系中的單相區是指碳和鎢在鈷中的固溶體區。在單相區內,隨著碳 含量的降低,鎢在鈷中的溶解度可以升高約2倍,即從WC+γ高碳邊界處9.4% (重量)增加到兩相區WC+γ低碳邊界處的18.4%(重量)。 ? 鈷相中鎢的含量既影響鈷相性質,也影響合金的性質。不僅應避免η1相和 石墨的出現,還應控制好鈷相中的鎢含量。 WC-Co合金的組織 ? WC-Co合金正常組織為兩相合金,即多角形白色WC相與黑色部分Co粘結相。 當合金碳量不足時,會出現一種脫碳組織W3Co3C,常稱η1相。這種相性脆, 能夠導致合金強度的明顯下降; ? 當合金碳量偏高時,會出現石墨,但石墨的有害作用比η1相小。因此,碳含 量可稍偏高并允許少量石墨的存在,但通常不準許出現η1相。 高鈷合金既不出現石墨也不出現η1相的 碳區范圍要比低鈷合金為寬。因此,生 產優質低鈷合金要困難得多。 YG合金的組織要求、成分與性能 YG合金的物理性質 ? 矯頑磁力: ?由于鈷的存在,硬質合金具有一定的磁性。WC-Co合金的矯頑力 主要與鉆含量及其分散度有關。隨鈷含量的降低而提高。當鈷量一 定時,由于鈷相的分散程度隨碳化鎢晶粒變細而提高,使矯頑力也 隨之增大。 ?在其他條件相同的情況下,矯頑力可作為間接衡量合金中碳化鎢晶 粒大小的參數。在正常組織的合金中,隨著含碳量的降低,鈷相中 鎢含量增大,使鈷相受到較大的強化,矯頑力會因此而增大。因此, 燒結時的冷卻速度越大,矯頑力也愈大。 ? 磁飽和:合金磁飽和值只與合金合鈷量有關,而與碳化鎢相的晶 粒度無關。因此,磁飽可用于對合金進行非破壞性的成分檢查,或 鑒定已知成分的合金是否存在非磁性的η1相。 YG合金的物理性質 ? 彈性模量:由于碳化鎢具有較高的彈性模量值,相應WC-Co合金 也具有高的彈性磨量。隨著合金中鈷含量的增加,彈性模量降低;合 金中碳化鎢晶粒度對彈性模量無明顯影響。 ? 導熱率:為避免工具在使用過程因過熱而損壞,通常希望合金有較 高的導熱率。WC-Co合金有較高的導熱率,約為0.14-0.21卡/厘 米· 度· 秒,熱率一般只與合金鈷含量有關,隨鈷含量的降低而提高。 ? 熱膨脹系數:WC-Co合金的線膨脹系數隨含鈷量的增加而增大。 但合金的線膨脹系數值比鋼材的線膨張系數低得多,這使合金工具鑲 焊時,會產生較大的焊接壓力,如果不采取緩冷措施,往往會造成合 金裂紋。 YG合金的物理性質 ? 硬度: 硬度是硬質合金的一項主要的機械性能指標。隨著合金中鈷 含量的增加或碳化物晶粒度的增大,合金的硬度下降。 ? 當工業WC-Co合金的鈷含量從2%增加到25%時,合金的硬度HRA從93降低 到86左右,大約每增加3%的鈷,合金硬度下降1度。 ? 細化碳化鎢晶粒度能有效地提高合金的硬度。同樣鈷含量的合金,如YG6X 的硬度要比YG6高1.5~2度,YG8的硬度要比YG8C高1度多。在WC-Co合金 中添加少量其他碳化物,如TaC(NbC)、Cr3C2等時,都能擬制碳化鎢晶粒 長大,因而能提高合金的硬度。 ? 當合金中出觀性軟的石墨時,硬度略有下降;而當出現硬脆的η1相時,由于 粘結相量減少,碳化鎢晶粒變細,合金硬度明顯提高。 ? 隨著使用溫度的提高,合金硬度急劇下降。 YG合金的物理性質 ? 抗彎強度 ? 通常,合金抗彎強度隨鈷量的增多而提高。但超過25%后,抗彎強 度反而下降。工業生產WC-Co合金,在0~25%鈷含量范圍內,其抗 彎強度隨鉆含量的增加而升高。 ? 合金抗彎強度與碳化鎢晶粒度的關系較為復雜。一般而言,低鈷(10 %以下)粗晶粒合金的抗彎強度比細晶粒合金高;高鈷(15%以上)細晶 粒合金的抗彎強度比粗晶柱合金高;但鈷含量(10~15%)合金抗彎強 度較特殊,鈷含量和碳化鎢晶粒度以及碳含量之間要有適當的配合。 ? 合金滲碳、脫碳及孔洞、裂紋等缺陷都會顯著地降低試樣的強度。 ? 隨著使用溫度的提高,合金的抗彎強度降低。 YG合金的物理性質 ? 抗壓強度:合金的抗壓強度是合金抵抗壓縮負荷的能力。WC-Co 合金抗壓強度隨合金含鈷量的增加而下降,隨合金中碳化鎢相晶粒 變細而提高。因此,鈷含量較低的細晶粒合金有較高的抗壓強度。 ? 沖擊韌性:沖擊韌性是礦用合金的一項重要技術指標,對于苛刻 條件下的斷續切削刃具也具有實際意義。WC-Co合金沖擊韌性隨鈷 含量的增加而增大,隨碳化鎢晶粒度的提高而增大。因此,礦用合 金大多是較高鈷含量的粗晶粒合金,如YG8C等。 ? 彈性模量:由于碳化鎢具有較高的彈性模量值,因此,WC-Co合 金也具有高的彈性模量。隨著合金中鈷含量的增加,彈性磨量降低。 合金中碳化鎢晶粒度對彈性模量無明顯影響。 WC-Co硬質合金的生產工藝特點 ? 控制好合金的碳含量:現有各類硬質合金中,其組織和性能對碳 量為敏感,特別是低鈷細晶粒合全更為突出。除必須嚴格控制好 碳化鎢的含碳量以外,還必須使整個生產工藝過程出于穩定狀態。 ? 控制好合金的組織結構:由于碳量的嚴格控制,在不出現第三相 或只有微量石墨情況下,還必須使碳化鎢相晶粒度以及分布的均勻 性符合條件。這就要求原始碳化鎢粉末粒度組成范圍要窄,均勻性 好,還必須輔以強化球磨,進一步使碳化鎢破碎。為了防止燒結過 程中碳化鎢晶粒過分長大,添加少量TaC、NbC或Cr3C2是有益的。 而采用真空燒結則有利于獲得細晶粒合金。 ? 嚴格控制過程工藝參數:現代硬質合金工不僅要求有高的技術 水平,還必須要有科學的管理能力。任何工序工藝參數的不正常波 動都會影響到合金的質量。 WC-TaC(NbC)-Co硬質合金 WC-TaC(NbC)-Co硬質合金 ? WC-TaC(NbC)-Co本質上仍然是一種碳化鎢基合金,所不同的是在 WC-TaC(NbC)-Co合金中出現了一個以TaC(NbC)為基的新的固溶體 相(TaC-WC或NbC-WC)。 ? TaC(NbC)在碳化鎢中幾乎是不溶解的,而碳化鎢在碳化鉭(碳化鈮) 中卻有限溶解,因而形成有限固溶體。在通常的燒結溫度下,WC在 TaC(NbC)中的溶解度約為10%(重量),且隨溫度的降低而降低。因此, WC-TaC(NbC)-Co合金正常組織由三相組成:即碳化鎢相,固溶體相 和鈷相。 ? 合金中的石墨或η相屬于非正常組織。 這類合金均為細晶粒合金。 WC-TaC(NbC)-Co合金的性質 ?比重:同鈷含量的WC-TaC(NbC)-Co合金比重比WC-Co合金低,而 且隨著TaC(NbC)添加量增加,合金比重下降愈多。 ?硬度:添加少量碳化鉭(碳化鈮)可抑制碳化鎢晶粒燒結時的長大, 細化合金晶粒并提高WC-TaC(NbC)-Co合金硬度。 ?抗彎強度:WC-TaC-Co合金抗彎強度較同鈷量的WC-Co合金略有 降低;WC-NbC-Co合金降低的更顯著。這主要由于鈮比鉭在鈷中的 溶解度高,使鈷相韌性降低較多,因而使合金抗彎強度明顯降低。含 碳量對WC-TaC(NbC)-Co合金強度的影響與WC-Co類似,即缺碳和 過剩碳都會使合金強度降低。 ?高溫性能:合金有較高的高溫性能,而對其他性能影響不大。 實例 ? 添加TaC的合金有較高的強度,而添加NbC的合金硬度較高。 ? 應根據合金的實際使用要求和其它經濟技術指標,來生產各種含TaC, NbC或既含TaC,又含NbC的WC-TaC(NbC)-Co合金。 WC-TiC-Co硬質合金 WC-TiC-Co硬質合金 ? 從理論上講,WC-TiC-Co狀態圖應該是WTi-C-Co四元狀態圖的某一特殊界面。由于在 通常的燒結溫度下,WC和TiC基本上不分解, 因此可以看作是一個單獨組元。 ? WC-TiC-Co狀態圖在1350℃的等溫截面比 較簡單,只有三個相區:一個單相區(γ固溶 體),一個兩相區[(TiW)C+γ]和一個三相區 [(TiW)C+WC+γ]。因此,正常的WC-TiC-Co 合金只有兩種組織狀態:一為(TiW)C+兩相合 金,一為(TiW)C+WC+Y三相合金。 ? 通常碳化鈦含量低干30%的WC-TiC-Co合 金,WC不能完全進入鈦相(TiW)C,而稱為三 相合金;而當碳化鈦含量高于30%時,碳化 鎢作為能完全鈦相,得到的為兩相合金。 ? 我國生產的YT30屬于兩相合金,YT5, YTl4,YTl5屬于三相合金。 WC-TiC-Co合金的正常組織 ? 對兩相合金而言,燒結時既有(TiW)C在鈷中溶解,還有碳向鈷溶解。 ? 對三相合金而言,則還有WC向鈷中溶解。因此,在三相合金的燒結體中, 應該有WC+γ 、Co+ γ、(TiW)C+γ二元共晶、WC+(TiW)C+γ、WC+γ+C 等三元共晶。而在兩相合金的燒結體中,一般不會有WC+γ二元共晶及 WC+(TiW)C+γ,WC+γ+C三元共晶存在。 顯微組織 ? a是三相WC-TiC-Co合金YTl5的金相顯微組織照片。WC相為三角形、四 角形或多角形晶體,而(TiW)C相則是接近于圓形或卵形的晶粒。WC的表 面張力較小,從液相中結晶出多角形晶粒,而(TiW)C的表面張力較大,因 而從液相中結晶出近似于球形的晶粒。 ? 兩相WC-TiC-Co合金YT30的組織示于圖b。合金中基本上沒有WC相。 WC-TiC-Co合金的非正常組織 與WC-Co合金類似,在碳量不適當時,合金中也會出現石墨或η1相,只是由 于加入碳化鈦以后,合全所允許的碳量波動范圍要比WC-Co合金寬一些。 此外,在WC-TiC-Co合金中還可能出現兩種非正常組織。 ? 環形結構 ? 在WC-TiC-Co合金磨片上有時可觀察到,在(Ti, W)C固溶體晶粒上有一環 形邊界,象一層包圍核心的殼層一樣,此核心部位是碳化鈦,或者是含碳化 鎢量較高的(Ti, W)C固溶體;外層(殼層)部分是含碳化鎢量較高的(Ti, W)C 固溶體。由WC+TiC+Co混合料燒制合金時,容易產生環形結構。預先制 取(Ti, W)C固溶體來制造硬質合金時,也可能出現環形結構晶粒。這種結構 通常是因碳化溫度過低或碳化時間不是致使碳化不完全所造成的。 ? WC-TiC-Co合金中出現環形結構,使合金的強度和韌性降低。 粗晶粒碳化物的析出 ? 采用在燒結溫度下能被WC飽和的固溶體作混合料組分時,會在合金中會出 現針狀碳化物或粗大片狀碳化物,在提高燒結溫度重新燒結,其能夠消失。 ? 其可使合金強度顯著下降,采用較高燒結溫度等可防止粗晶碳化物出現。 合金成分與性質 矯頑磁力 ? 在WC-TiC-Co合金中鈷相的分散程度取決于合金中的含鈷量、兩個 碳化物相的相對合量以及晶粒度。 ? 兩相WC-TiC-Co合金中,矯頑力值由鈷含量和鈦相的晶粒度決定。 ? 三相WC-TiC-Co合金中,除含鈷量外,矯頑磁力值由兩個碳化物 相相對含量及其晶粒度決定。碳化鈦含量低的合金,其變化規律接近 WC-Co合金;碳化鈦含量高的合金則接近于兩相的WC-TiC-Co合金。 ? 在嚴重缺碳的WC-TiC-Co合金中,碳化物相晶粒較細或出現相, 都會提高告金酌矯頑磁力值,隨看含碳量增加,矯頑磁力值降低。 ? 隨著固溶體中碳化鈦含量增加,固溶體未飽和程度增加,在燒結過 程中,碳化鎢向碳化鈦中溶解的量增大,使碳化物相晶粒度變細,因 而提高了矯頑磁力。 硬度 ? 由于碳化鈦的硬度比碳化鎢高,因而使WC-TiC-Co合全的硬度普遍高于 WC-Co合金。鈷含量的減少和碳化鈦含量增多都會使合金硬度升高。 ? 但當碳化鈦含量增加到一定數量后,合金硬度就不再隨碳化鈦含量的增 加而升高。通常,合金的硬度隨碳化物相(包括WC相和Ti(W)C固溶體相) 晶粒尺寸的減小而提高。 ?(Ti, W)C固溶體成分對合金的硬度也有影響。采用在燒結溫度下呈未飽 和的固溶體(如TiC:WC=50:50等),合金可以獲得較高的硬度;而采用在 燒結溫度下呈飽和狀態的固溶體時制得的WC-TiC-Co合金硬度較低。 ? 含碳量對WC-TiC-Co合金硬度的影響與WC-Co合金相似,即隨著合碳量 的增加,合金 的硬度降低。 ? 由于WC-TiC-Co合金中合有TiC-WC固溶體,使合金強化,因而在高溫下 軟化較慢。因此WC-TiC-Co合金的高溫硬度比WC-Co合金高。 抗彎強度 ?與WC-Co合金比較,同鈷含量的WC-TiC-Co合金抗彎強度較低,并 隨碳化鈦的增加而降低。影響因素包括: ? 成分:當合金鈷合量一定時,隨著碳化鈦含量的增加,合金抗彎強度降低, 而當合金碳化鈦含量一定時,隨鈷含量的增加,合金抗彎強度提高。然而必 須指出,低碳化鈦含量的合金抗彎強度隨鈷量的增加并不顯著增大合金的抗 彎強度。含碳量對合金抗彎強度的影響與WC-Co合金類似。 ? 合金晶粒度:對于三相合金,由于(Ti, W)C相含量少,碳化鎢晶粒度的增大 可以提高合金的抗彎強度(與WC-Co合金類似);而在兩相合金中,(Ti, W)C相 晶粒增大反而會降低合金的抗彎強度,這一點類似于碳化鈦基合金。第三是 TiC-WC固溶體的飽和程度,通常在采用燒結溫度呈飽和狀態的固溶體時,合 金有較高的抗彎強度。 ? 合金中出現的不正常組織:如環形結構,針狀或粗大碳化物、滲碳和脫碳, 組織不均勻以及孔隙度高等缺陷,那會使合金抗彎強度下降。 ? 由于硬質合金的高溫強度主要取決于碳化物骨架的強度,而碳化物固溶體使 合金的碳化物骨架得到了強化。WC-TiC-Co合金的抗彎強度隨溫度升高而降 低的程度要比WC-Co合金小。 其他物理性質 ? WC-TiC-Co。合金的沖擊韌性、抗壓強度、彈性模量均比WC-Co 合金低。因此—TiC—Co合金低。因此WC-TiC-Co合金通常不用作 礦山工具、模具或耐磨零件,而主要用作普通鋼材的切削工具。 ? WC-TiC-Co合金導熱率比WC-Co合金小,但作為加工鋼材等長切 削材料,由于連續切削可以帶走刀刃上的熱量,因此仍然可以避免 刀刃過熱而損壞。 ? WC-TiC-Co合金的熱膨脹系數雖然比WC-Co合金大,但仍然比鋼 材要低得多,而且由于WC-TiC-Co合金的強度比WC-Co合金低,因 此在道具鑲焊時,產生裂紋的傾向較大,這點應該注意。 生產工藝特點 ? 性能較高的WC-TiC-Co合金的含碳量低于理論值,但碳化鈦含碳 量高達20%,因而使WC-TiC-Co合金含碳量提高,合金組織對碳量 敏感程度降低。 ? 所加入的碳化鈦應該以固溶體的形式加入, 以防止出現環形結 構等組織缺陷。根據不同牌號的使用性能要求,制不同成分的固 溶體。 ? TiC硬度高,相應地混合料的硬度高,其壓制性也比WC-Co合金 混合料差。但WC-TiC-Co合金通常用來制造切削刀片,形狀較簡單。 因此,稍差的壓制性并不多大影響。 ? 由于真空燒結可以使合金性能明顯提高,目前國內外絕大多數 家均采用真空燒結來生產WC—TiC—Co硬質合金。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬質合金 WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬質合金 WC-TiC-Co硬質合金通常只能加工普通鋼材,而加入TaC(NbC),以后的 WC-TiC-TaC(NbC) -Co合金不但可以切削普通鋼,而且可以加工高合金鋼、 不銹鋼及合金鑄鐵等難加工材料,是一種通用性較好的合金。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的組織 ? WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的組織與WC-TiC-Co合金類似,所不同的是碳化 物固溶體相的成分不同。在WC-TiC-Co合金中,固溶體相是(Ti, W)C;而在 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中,固溶體相是(Ti, W, Ta/Nb)C。 ? 與WC-TiC-Co合金一樣,正常的WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金有兩種組織形式, 一種是(Ti, W, Ta/Nb)C+γ二相合金,一種是(Ti, W, Ta/Nb)C+WC+γ三相合金。 當合金中TiC、TaC(NbC)、WC三個份的含量超過中單相區的界限時,合金便 稱為三相組織,否則為兩相組織。 ? 與WC-TiC-Co合金類似,平衡時的WC-TiC-TaC(NbC)-Co應該有各種共晶存 在,在兩相合金中應該有Co-C共晶、(Ti, Ta/Nb)C+γ共晶和(Ti, W, Ta/Nb)C+γ+C三元共晶存在;在三相還應該有WC+γ共晶和(Ti, W, Ta/Nb)C+WC+γ共晶存在。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金組織 金相組織觀察表明,WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中的(Ti, W, Ta/Nb)C相同(Ti, W)C相類似,也是呈近似圓形的晶粒,很容易與多角形的WC相區別開來。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的成分及性質 工業WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的成分及性質見表。由此可見,WC-TiCTaC(NbC)-Co合金的基本性質與WC-TiC-Co合金差別并不大。 硬度 ? 與WC-Co合金和WC-TiC-Co合金類似,WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金 的硬度隨著合金中鈷含量的提高而降低; ? 當固溶體含量相同時,WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的硬度并不比 WC-TiC-Co合金高; ? 合金中碳化鈦含量一定時,加入TaC(NbC)可稍微提高合金的硬度, 這主要是由于固溶體相體積的增加,以及碳化物相晶粒變細所致。 ? 這類合金成分更為復雜而使得合金碳化物骨架更為強化,相應WCTiC-TaC(NbC)-Co合金比WC-TiC-Co合金具有更高的高溫硬度。 抗彎強度 ? 抗彎強度隨合金鈷含量的增加。 ? 由于TaC(NbC)能改善固溶體中相對于粘結相的潤濕性及減少固溶體 的體積所致,對于兩相(Ti,W,Ta/Nb)C+合金,抗彎強度則隨著固溶體相 中TaC含量的增大而升高。 ? 對于三相WC+(Ti, W, Ta/Nb)C+合金,強度則隨固溶體相含量的增大 而降低。 ? NbC含量較高時,合金強度會下降,但是在(Ti, W, Ta)固溶體中, 用30%NbC取代TaC卻不會降低合金的性質。 ? 預先制成WC-TiC-TaC(NbC)-Co固溶體比單獨添加TaC(NbC)所得到 (Ti, W, Ta/Nb)C相成分的均勻性要好些,因而合金的強度和硬度均較高。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的生產工藝特點與WC-TiC- Co合金類似。
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