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硬質(zhì)合金的主要成分有哪些?起什么作用?
發(fā)布日期:2014-06-04
作者:株洲三鑫

硬質(zhì)合金的主要成分有哪些?起什么作用?硬質(zhì)合金作為一種工具材料,硬質(zhì)合金對世界經(jīng)濟的發(fā)展起著重要的推動作用。然而,很多人都知道硬質(zhì)合金具有高硬度和高的抗彎強度,但是真正了解硬質(zhì)合金的卻不多,要了解硬質(zhì)合金必須從硬質(zhì)合金的成分開始,那么硬質(zhì)合金的主要成分有哪些?下面由三鑫硬質(zhì)合金小編來分享。

    硬質(zhì)合金的主要成分是一種由難熔金屬化合物和粘結(jié)金屬所構(gòu)成的組合材料。硬質(zhì)合金中的的難熔金屬化合物通常指的是WC(碳化鎢)、TiC(碳化鈦)、Ta(Nb)C(碳化但)、VC(碳酸亞乙烯酯)等,粘結(jié)金屬通常指Co(鈷)、Ni(鈮)、Fe(鐵)等,它們在硬質(zhì)合金中各自起著十分重要的作用。

 

    碳化鎢(WC)

    從百度百科詞條對于碳化鎢(WC)的解釋是這樣的--碳化鎢是一種由鎢和碳組成的化合物,化學(xué)式為WC,英文為Tungsten Carbide,也常被簡稱為Carbide。為黑色六方晶體,有金屬光澤,硬度與金剛石相近,為電、熱的良好導(dǎo)體。碳化鎢不溶于水、鹽酸和硫酸,易溶于硝酸-氫氟酸的混合酸中。純的碳化鎢易碎,若摻入少量鈦、鈷等金屬,就能減少脆性。用作鋼材切割工具的碳化鎢,常加入碳化鈦、碳化鉭或它們的混合物,以提高抗爆能力。碳化鎢的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,WC(碳化鎢)合金具有很好的韌性和耐磨性,但在切削鋼材時,易產(chǎn)生刀瘤和月牙洼磨損。同時在高溫下,合金硬度和強度急劇下降。所以,這類鎢鈷合金最適宜使用在有色金屬和低塑性鑄鐵的加工,而不宜用于鋼的切削加工。

    硬質(zhì)合金始于WC(碳化鎢)- Co(鈷)硬質(zhì)合金,它是成分最簡單,使用范圍最廣泛的一種合金。

 

    鈷(Co)

    從百度百科詞條對于鈷(Co)的解釋是這樣的—化學(xué)元素符號Co,銀白色鐵磁性金屬,表面拋光后有淡藍光澤,在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族,原子序數(shù)27,原子量58.9332,密排六方晶體,常見化合價為+2、+3。 鈷是具有光澤的鋼灰色金屬,比較硬而脆,有鐵磁性,加熱到1150℃時磁性消失。鈷的化合價為+2價和+3價。在常溫下不和水作用,在潮濕的空氣中也很穩(wěn)定。在空氣中加熱至300℃以上時氧化生成Co0,在白熱時燃燒成Co3O4。氫還原法制成的細金屬鈷粉在空氣中能自燃生成氧化鈷。金屬鈷主要用于制取鈷合金。

    鈷基合金是鈷和鉻、鎢、鐵、鎳組中的一種或幾種制成的合金的總稱。含有一定量鈷的刀具鋼可以顯著地提高鋼的耐磨性和切削性能。含鈷50%以上的司太立特硬質(zhì)合金即使加熱到1000℃也不會失去其原有的硬度,如今這種硬質(zhì)合金已成為含金切削工具和鋁間用的最重要材料。在這種材料中,鈷將合金組成中其它金屬碳化物晶粒結(jié)合在一起,使合金具更高的韌性,并減少對沖擊的敏感性能,這種合金熔焊在零件表面,可使零件的壽命提高3~7倍。鈷基合金的耐熱性是因為形成了難熔的碳化物,這些碳化物不易轉(zhuǎn)為固體溶體,擴散活動性小,在溫度在1038℃以上時,鈷基合金的優(yōu)越性就顯示無遺。這對于制造 高效率的高溫發(fā)動機,鈷基合金就恰到好處。在航空渦輪機的結(jié)構(gòu)材料使用含20%~27%鉻的鈷基合金,可以不要保護覆層就能使材料達高抗氧化性。

 

    碳化鈦(TiC)

    從百度百科詞條對于碳化鈦TiC的解釋是這樣的:TiC淺灰色,立方晶系,不溶于水,具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性,與鹽酸、硫酸幾乎不起化學(xué)反應(yīng),但能夠溶解于王水,硝酸,以及氫氟酸中,還溶于堿性氧化物的溶液中。

    相對分子質(zhì)量:59.91

    密度4.93g/cm3

    熔點3160℃,沸點4820℃

    可由骨炭與二氧化鈦在電爐中加熱制得。是硬質(zhì)合金的重要成分。用作金屬陶瓷,具有高硬度、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好的特點。還可用來制造切削工具。在煉鋼工業(yè)中用作脫氧劑。

    碳化鈦是典型的過渡金屬碳化物。它的鍵型是由離子鍵、共價鍵和金屬鍵混合在同一晶體結(jié)構(gòu)中,因此碳化鈦具有許多獨特的性能。晶體的結(jié)構(gòu)決定了碳化鈦具有高硬度、高熔點、耐磨損以及導(dǎo)電性等基本特征。碳化鈦陶瓷是鈦、鋯、鉻過渡金屬碳化物中發(fā)展最廣的材料。

    為了解決鋼材加工時產(chǎn)生的刀瘤和月牙洼磨損,經(jīng)研究就開發(fā)出了WC-TiC-Co硬質(zhì)合金。TiC具有耐磨抗氧化和抗月牙洼磨損等特性,但是,TiC及其固溶體比WC脆得多,其合金韌性差。TiC含量超過18%,合金不僅脆,而且難以焊接。

 

    Ta(Nb)C碳化但

    從百度百科詞條對于碳化鎢的解釋是這樣的:分子式:TaC;沸點:5500℃。

    性質(zhì):分子量:192.956。淺棕色金屬狀立方結(jié)晶粉末,屬氯化鈉型立方晶系。不溶于水,難溶于無機酸,能溶于氫氟酸和硝酸的混合酸中并可分解??寡趸芰?,易被焦硫酸鉀熔融并分解。導(dǎo)電性大,室溫時電阻為30Ω,顯示超導(dǎo)性質(zhì)。

    用途:用于粉末冶金、切削工具、精細陶瓷、化學(xué)氣相沉積、硬質(zhì)耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蝕結(jié)構(gòu)部件添加劑,提高合金的韌性。碳化鉭的燒結(jié)體顯示金黃色,可作手表裝飾品。

    目前也用碳化鉭做硬質(zhì)合金燒結(jié)晶粒長大抑制劑用,對抑制晶粒長大有明顯效果,密度為14.3g/cm3。

 

    為了獲得既能抗刀瘤和抗月牙洼磨損,同時又具有較好的耐磨性和韌性的合金,經(jīng)研究就又出現(xiàn)WC-TaC-Co硬質(zhì)合金。TaC使合金具有較好的耐磨性、韌性、抗月洼磨損(比TiC差)和耐高溫性能(改善高溫強度、高溫硬度和抗氧化性)。添加TaC有助于降低摩擦系數(shù),從而降低刀具溫度。其合金能在高切削刃溫度下承受大的沖擊負荷。然而由于TaC極為昂貴,無法大量使用。常用于切除熱焊瘤。

   
    為獲得兼?zhèn)鋀C-TiC-Co和WC-TaC-Co兩類合金所具有的最佳性能的合金,研究產(chǎn)生了WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金。它可以切削鋼,也可以切削加工鑄鐵和有色金屬,特別適用于加工高合金鋼、耐熱合金和合金鑄鐵。它一出現(xiàn),就得到很快的發(fā)展,幾乎取代了WC-TiC-Co合金。影響其大勢發(fā)展的是涂層合金的出現(xiàn)。
    涂層合金的基體采用具有高韌性的合金,其表面涂層TiC、Ti(CN)、TiN、AI2O3......,則具有很好的耐磨性和抗月牙洼磨損,因此,涂層合金既具有高韌性、高耐磨性又能抗月牙洼磨損,其壽命成十倍提高。TaC、NbC、VC、Cr3C2...等在合金中除做主體成分外,還常以添加物成分加入合金中,其主要作用是:降低合金性能對燒結(jié)溫度和時間的敏感性,或者說,使合金磁力(Hc)和硬度(HRA)合格的燒結(jié)溫度和時間的范圍增大,抑制燒結(jié)時碳化物晶粒長大;改變相組成,提高合金耐熱性,添加劑能使WC-Co合金二相區(qū)變寬,減小碳對合金性能影響的敏感性;提高合金月牙洼磨損,減少刀瘤,改善斷屑性能等。

 

    VC

    從百度百科詞條對于碳酸亞乙烯酯(VC)的解釋是這樣的: 碳酸亞乙烯酯,VC分子量:86.05;分子式:C3 H 2 O 3;;熔 點: 19 -22 ℃;沸 點: 165 ℃;硬度:HV2900。

    VC在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用:VC是一種難熔金屬化合物,在硬質(zhì)合金的粉末冶金生產(chǎn)時適量添加可使材料的韌性提高。

    VC加入鋰離子電解液中,可改善負極SEI膜的成膜特性,改善電池循環(huán)性能。

    VVC的主要作用:VC在合金中除做主體成分外,還常以添加物成分加入合金中,其主要作用是:降低合金性能對燒結(jié)溫度和時間的敏感性,或者說,使合金磁力(Hc)和硬度(HRA)合格的燒結(jié)溫度和時間的范圍增大,抑制燒結(jié)時碳化物晶粒長大;改變相組成,提高合金耐熱性,添加劑能使WC-Co合金二相區(qū)變寬,減小碳對合金性能影響的敏感性;提高合金月牙洼磨損,減少刀瘤,改善斷屑性能等。

    VC在合金中以添加劑物成分加入時,其添加的量的多少應(yīng)因不同基體合金成分的不同而不同,由于VC的存在可導(dǎo)致合金粉末的壓縮性能下降,隨VC含量的增大,壓坯密度下降的幅度有下降的趨勢。

    VC在硬質(zhì)合金粉末中的存在能明顯地影響粉末的壓制過程,加入VC后會使密度降低,由于VC的密度(HV2900)比WC(hv2350)高,VC溶入WC后形成復(fù)式碳化物的硬度也比WC的高,加入VC后的密度下降現(xiàn)象說明:經(jīng)長時間高能球磨后VC溶入WC的顆粒內(nèi)或成極薄層均勻分布于WC顆粒周圍,使顆粒表面硬度升高,從而影響粉末壓縮性能下降。粉末壓縮性能的下降取決于VC的含量,當VC含量下降到一定范圍內(nèi)變動時,壓坯密度的下降幅度非常接近,當VC含量增大到一定量時,在高壓制壓力區(qū),壓坯密度的下降幅度更大一些,壓坯密度這種隨VC含量的增大呈二階段式的、出現(xiàn)平臺下降現(xiàn)象可能與VC含量少,尚未形成連續(xù)的VC薄層時的下降幅度不同于形成薄層后的下降幅度有關(guān)。

    VC在合金中的另一種作用是以抑制劑的形式出現(xiàn),抑制劑能有效地阻止WC晶粒在燒結(jié)過程中的長大。在粉末冶金中眾多的抑制劑(Cr3C2、NbC、TaC)中以VC的抑制效果最好。


    TiN對粘結(jié)金屬的濕潤性差,所得合金孔隙度高,抗彎強度低。但具有抗熱震、抗熱疲勞和極好的抗月牙洼磨損等性能。
    以WC-TiC-TiN取代WC-TiC-TaC制成的合金按其抗彎強度和抗氧化性可與含TaC合金相匹敵。
    在TiC基合金中加入TiN使其強度得到明顯提高。
    自1923年硬質(zhì)合金的發(fā)明始起致其近代工具材料的應(yīng)用及發(fā)展使人類改造自然的效率成倍,發(fā)社會生產(chǎn)發(fā)展作出了卓絕的貢獻。短短幾十年的硬質(zhì)合金發(fā)展,其觸角已經(jīng)伸到世界經(jīng)濟的各個領(lǐng)域,已成為現(xiàn)代社會和新技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的工具材料。

硬質(zhì)合金成分演變和發(fā)展歷程

WC碳化鎢基燒結(jié)硬質(zhì)合金成分發(fā)展演變歷程

無WC碳化鎢基燒結(jié)硬質(zhì)合金成分發(fā)展演變歷程

年份

成分

年份

成分

1923~1925

WC-Co

1923~1931

TiC-Mo2C-Ni,Cr,Mo

1929~1931

WC-TiC-Co

1930~1931

TaC-Ni

1930~1931

WC-TaC(VC,NbC)-Co

1931

TiC-TaC-Co

1932

WC-TiC-TaC(NbC)-Co

1931

TiC-Cr,Mo,W,Ni,Co

1938

WC-Cr3C2-Co

1938

TiC-VC-Ni,F(xiàn)e

1956

WC-TiC-Ta(Nb)C- Cr3C2-Co

1944

TiC-NbC-Ni,Co-Cr

1959

WC-TiC-HfC-Co

1949

TiC-TiB2,

1968~1969

WC-TiC-Ta(Nb)C-- HfC-Co

1950

TiC(Mo2C,,TaC)-Ni,Co-Cr

1968~1969

WC-TiC-Ta(Nb)C-- HfC-Co

1950

TiC-TiB2

1965~1978

TiC,TiN,Ti(CN),HfC,AI3O2涂層

1957~1970

TiC-Mo2C混合物-Ni,Mo

1967~1970

亞微細WC-Co

1968~1970

(Ti-Mo)C固溶體-Ni,Mo,Cr

1974~1977

多晶金剛石涂層覆層的WC基合金

1969~1970

TiC-TiN-Ni

1973~1978

復(fù)碳化物,碳氮化物-氮化物以及碳化物-碳氮化物-氮化物-氧化物復(fù)合涂層

1968

TiC-AI3O2

1976~1979

添加Ru復(fù)雜硬質(zhì)合金

1972~1975

TiC-TaN-Ni





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