硬质合金材料(1)

硬质合金的分类WC-Co合金主要用于矿山工具、耐磨零件，及金属的加工工具。WC-TiC-Co合金具有较高的抗月牙洼磨损能力，适用于作为切削具有连续切削材料的刀具。在我国，WC-TiC-Co合金的生产量仅次于WC-Co合金，主要用于钢材的切削加工。加入少量(低于5％)TaC(NbC)以后，WC-TaC(NbC)-Co合金可作为难加工钢材，如高强度钢、耐热钢等合金钢材的加工工具，提高了合金的通用性。以碳化物作硬质相，钢作粘结相所形成的复古材料叫钢结硬质合金。钢结合主分两大类：一类是TiC-钢结合金；一类是WC-钢结合金。目前已广泛用于模具、耐磨零件、耐腐蚀零件及矿山工具等。硬质合金涂层。WC-Co硬质合金Co角有一个W和C在钴中的固溶体相单相区。沿Co-WC线可把界面分为两个区域，Co-WC线左上方是三相区γ+WC+C和狭窄的两相区γ+C；右下方是由γ、WC、W2C、W和三元化合物ηl、η2、K相组成的多个相区。两个三相区γ+WC+C和γ＋WC＋η1被一个狭窄的两相区γ＋WC分开。此两相区的大小表示WC-Co合金中碳量可允许的波动范围，叫相区宽度。此两相区是以W-C边线上的WC处为顶点；向Co角张开的三角形，说明合金中Co含越高，即越接近Co角，从而合金允许碳量的波动的范围越大；反之，越接近W-C边线，即合金中Co含量越低，允许碳量的变动范围就越小，这表示低Co合金的碳量控制更为困难。碳量在Co-WC线之上时，合金组织中便会出现第三相-石墨。在W角附近有几种标记的三元化合物ηl、η2、和k相，这些化合物的通式可写成CoxWyCz。它们均为非正常价化合物，其成分可以在某个范围变动（叫均相区）。此均相区越大，该化合物越易出现，也越稳定，反之越不稳定。W-C-Co三元系等温截面的特点中间相的成分与特点制取高质量硬质合金的必要条件之一是在其组织中不出现第三相石墨或η1相，因为它会降低合金的机械性能和使用效果。已有研究表明，WC-Co合金两相区的高碳边界与Co-WC线重合。因此，在任何Co含量的合金中，达到或超过按照Co-WC线计算的理论碳含量时。便会出现石墨。这样在确定两相区宽度时，只须定出低碳边界就够了。低碳边界的WC含碳量与合金Co含量的关系如下：Co(％)(重量)805030181610C(％)(重量)5.225.585.835.996.006.04或者用线性方程来表示合金低碳边界的碳量；C(％)(重量)＝6.125％-0.0735%×Co(重量)两相区WC+ηW-C-Co系中的单相区是指碳和钨在钴中的固溶体区。在单相区内，随着碳含量的降低，钨在钴中的溶解度可以升高约2倍，即从WC+γ高碳边界处9.4％(重量)增加到两相区WC+γ低碳边界处的18.4％(重量)。钴相中钨的含量既影响钴相性质，也影响合金的性质。不仅应避免η1相和石墨的出现，还应控制好钴相中的钨含量。单相区WC-Co合金正常组织为两相合金，即多角形白色WC相与黑色部分Co粘结相。当合金碳量不足时，会出现一种脱碳组织W3Co3C，常称η1相。这种相性脆，能够导致合金强度的明显下降；当合金碳量偏高时，会出现石墨，但石墨的有害作用比η1相小。因此，碳含量可稍偏高并允许少量石墨的存在，但通常不准许出现η1相。WC-Co合金的组织高钴合金既不出现石墨也不出现η1相的碳区范围要比低钴合金为宽。因此，生产优质低钴合金要困难得多。YG合金的组织要求、成分与性能矫顽磁力：•由于钴的存在，硬质合金具有一定的磁性。WC-Co合金的矫顽力主要与钻含量及其分散度有关。随钴含量的降低而提高。当钴量一定时，由于钴相的分散程度随碳化钨晶粒变细而提高，使矫顽力也随之增大。•在其他条件相同的情况下，矫顽力可作为间接衡量合金中碳化钨晶粒大小的参数。在正常组织的合金中，随着含碳量的降低，钴相中钨含量增大，使钴相受到较大的强化，矫顽力会因此而增大。因此，烧结时的冷却速度越大，矫顽力也愈大。磁饱和：合金磁饱和值只与合金合钴量有关，而与碳化钨相的晶粒度无关。因此，磁饱可用于对合金进行非破坏性的成分检查，或鉴定已知成分的合金是否存在非磁性的η1相。YG合金的物理性质弹性模量：由于碳化钨具有较高的弹性模量值，相应WC-Co合金也具有高的弹性磨量。随着合金中钴含量的增加，弹性模量降低；合金中碳化钨晶粒度对弹性模量无明显影响。导热率：为避免工具在使用过程因过热而损坏，通常希望合金有较高的导热率。WC-Co合金有较高的导热率，约为0.14-0.21卡／厘米·度·秒，热率一般只与合金钴含量有关，随钴含量的降低而提高。热膨胀系数：WC-Co合金的线膨胀系数随含钴量的增加而增大。但合金的线膨胀系数值比钢材的线膨张系数低得多，这使合金工具镶焊时，会产生较大的焊接压力，如果不采取缓冷措施，往往会造成合金裂纹。YG合金的物理性质硬度：硬度是硬质合金的一项主要的机械性能指标。随着合金中钴含量的增加或碳化物晶粒度的增大，合金的硬度下降。•当工业WC-Co合金的钴含量从2％增加到25％时，合金的硬度HRA从93降低到86左右，大约每增加3％的钴，合金硬度下降1度。•细化碳化钨晶粒度能有效地提高合金的硬度。同样钴含量的合金，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等时，都能拟制碳化钨晶粒长大，因而能提高合金的硬度。•当合金中出观性软的石墨时，硬度略有下降；而当出现硬脆的η1相时，由于粘结相量减少，碳化钨晶粒变细，合金硬度明显提高。•随着使用温度的提高，合金硬度急剧下降。YG合金的物理性质抗弯强度•通常，合金抗弯强度随钴量的增多而提高。但超过25%后，抗弯强度反而下降。工业生产WC-Co合金，在0～25％钴含量范围内，其抗弯强度随钻含量的增加而升高。•合金抗弯强度与碳化钨晶粒度的关系较为复杂。一般而言，低钴(10％以下)粗晶粒合金的抗弯强度比细晶粒合金高；高钴(15％以上)细晶粒合金的抗弯强度比粗晶柱合金高；但钴含量(10～15％)合金抗弯强度较特殊，钴含量和碳化钨晶粒度以及碳含量之间要有适当的配合。•合金渗碳、脱碳及孔洞、裂纹等缺陷都会显著地降低试样的强度。•随着使用温度的提高，合金的抗弯强度降低。YG合金的物理性质抗压强度：合金的抗压强度是合金抵抗压缩负荷的能力。WC-Co合金抗压强度随合金含钴量的增加而下降，随合金中碳化钨相晶粒变细而提高。因此，钴含量较低的细晶粒合金有较高的抗压强度。冲击韧性：冲击韧性是矿用合金的一项重要技术指标，对于苛刻条件下的断续切削刃具也具有实际意义。WC-Co合金冲击韧性随钴含量的增加而增大，随碳化钨晶粒度的提高而增大。因此，矿用合金大多是较高钴含量的粗晶粒合金，如YG8C等。弹性模量：由于碳化钨具有较高的弹性模量值，因此，WC-Co合金也具有高的弹性模量。随着合金中钴含量的增加，弹性磨量降低。合金中碳化钨晶粒度对弹性模量无明显影响。YG合金的物理性质控制好合金的碳含量：现有各类硬质合金中，其组织和性能对碳量最为敏感，特别是低钴细晶粒合全更为突出。除必须严格控制好碳化钨的含碳量以外，还必须使整个生产工艺过程出于稳定状态。控制好合金的组织结构：由于碳量的严格控制，在不出现第三相或只有微量石墨情况下，还必须使碳化钨相晶粒度以及分布的均匀性符合条件。这就要求原始碳化钨粉末粒度组成范围要窄，均匀性好，还必须辅以强化球磨，进一步使碳化钨破碎。为了防止烧结过程中碳化钨晶粒过分长大，添加少量TaC、NbC或Cr3C2是有益的。而采用真空烧结则有利于获得细晶粒合金。严格控制过程工艺参数：现代硬质合金工厂不仅要求有高的技术水平，还必须要有科学的管理能力。任何工序工艺参数的不正常波动都会影响到合金的质量。WC-Co硬质合金的生产工艺特点WC-TaC(NbC)-Co硬质合金WC-TaC(NbC)-Co硬质合金WC-TaC(NbC)-Co本质上仍然是一种碳化钨基合金，所不同的是在WC-TaC(NbC)-Co合金中出现了一个以TaC(NbC)为基的新的固溶体相(TaC-WC或NbC-WC)。TaC(NbC)在碳化钨中几乎是不溶解的，而碳化钨在碳化钽(碳化铌)中却有限溶解，因而形成有限固溶体。在通常的烧结温度下，WC在TaC(NbC)中的溶解度约为10％(重量)，且随温度的降低而降低。因此，WC-TaC(NbC)-Co合金正常组织由三相组成：即碳化钨相，固溶体相和钴相。合金中的石墨或η相属于非正常组织。这类合金均为细晶粒合金。比重：同钴含量的WC-TaC(NbC)-Co合金比重比WC-Co合金低，而且随着TaC(NbC)添加量增加，合金比重下降愈多。硬度：添加少量碳化钽(碳化铌)可抑制碳化钨晶粒烧结时的长大，细化合金晶粒并提高WC-TaC(NbC)-Co合金硬度。抗弯强度：WC-TaC-Co合金抗弯强度较同钴量的WC-Co合金略有降低；WC-NbC-Co合金降低的更显著。这主要由于铌比钽在钴中的溶解度高，使钴相韧性降低较多，因而使合金抗弯强度明显降低。含碳量对WC-TaC(NbC)-Co合金强度的影响与WC-Co类似，即缺碳和过剩碳都会使合金强度降低。高温性能：合金有较高的高温性能，而对其他性能影响不大。WC-TaC(NbC)-Co合金的性质添加TaC的合金有较高的强度，而添加NbC的合金硬度较高。应根据合金的实际使用要求和其它经济技术指标，来生产各种含TaC，NbC或既含TaC，又含NbC的WC-TaC(NbC)-Co合金。实例WC-TiC-Co硬质合金WC-TiC-Co硬质合金从理论上讲，WC-TiC-Co状态图应该是W-Ti-C-Co四元状态图的某一特殊界面。由于在通常的烧结温度下，WC和TiC基本上不分解，因此可以看作是一个单独组元。WC-TiC-Co状态图在1350℃的等温截面比较简单，只有三个相区：一个单相区(γ固溶体)，一个两相区[(TiW)C+γ]和一个三相区[(TiW)C+WC+γ]。因此，正常的WC-TiC-Co合金只有两种组织状态：一为(TiW)C+两相合金，一为（TiW)C+WC+Y三相合金。通常碳化钛含量低干30％的WC-TiC-Co合金，WC不能完全进入钛相(TiW)C，而称为三相合金；而当碳化钛含量高于30％时，碳化钨作为能完全钛相，得到的为两相合金。我国生产的YT30属于两相合金，YT5，YTl4，YTl5属于三相合金。对两相合金而言，烧结时既有(TiW)C在钴中溶解，还有碳向钴溶解。对三相合金而言，则还有WC向钴中溶解。因此，在三相合金的烧结体中，应该有WC+γ、Co＋γ、(TiW)C+γ二元共晶、WC＋(TiW)C+γ、WC+γ+C等三元共晶。而在两相合金的烧结体中，一般不会有WC+γ二元共晶及WC+(TiW)C+γ，WC+γ+C三元共晶存在。WC-TiC-Co合金的正常组织a是三相WC-TiC-Co合金YTl5的金相显微组织照片。WC相为三角形、四角形或多角形晶体，而（TiW)C相则是接近于圆形或卵形的晶粒。WC的表面张力较小，从液相中结晶出多角形晶粒，而(TiW)C的表面张力较大，因而从液相中结晶出近似于球形的晶粒。两相WC-TiC-Co合金YT30的组织示于图b。合金中基本上没有WC相。显微组织与WC-Co合金类似，在碳量不适当时，合金中也会出现石墨或η1相，只是由于加入碳化钛以后，合全所允许的碳量波动范围要比WC-Co合金宽一些。此外，在WC-TiC-Co合金中还可能出现两种非正常组织。环形结构•在WC-TiC-Co合金磨片上有时可观察到，在(Ti,W)C固溶体晶粒上有一环形边界，象一层包围核心的壳层一样，此核心部位是碳化钛，或者是含碳化钨量较高的(Ti,W)C固溶体；外层(壳层)部分是含碳化钨量较高的(Ti,W）C固溶体。由WC+TiC+Co混合料烧制合金时，最容易产生环形结构。预先制取(Ti,W)C固溶体来制造硬质合金时，也可能出现环形结构晶粒。这种结构通常是因碳化温度过低或碳化时