硬质合金与超硬工具材料

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特点:
1、硬度、耐磨性、HRA94, 600℃超高速钢 1000℃常温 钢硬度
2、强度、σb600MPa,900℃>1000MPa 3、E:400-700GPa
4、耐磨、耐蚀、耐酸碱
5、线膨胀系数小
硬质合金 hardmetal;cemented carbide
由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制 成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和 韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能,特别是它的 高硬度和耐磨性,即使在500℃的温度下也基本保持不变, 在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料, 如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等,用于切削铸铁、有 色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材,也 可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工 的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的 数百倍。
4.2.3 超细晶粒WC-Co硬质合金 1.概述 <1μm 性能
Hale Waihona Puke Baidu
Relative density( %)
1.00 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70
900
Hot pressing SPS
1000
1100
1200
Sintering temperature (.C)
1300
角形的WC晶粒被Co 粘结相包围
制备钨粉的方法
制备钨粉的方法有:三氧化物还原法、蓝色氧化钨还原法。 三氧化物还原法可分为一次还原法(直接还原法)和二次
还原法。一次还原法就是直接将三氧化物还原成金属钨; 二次还原法是先将三氧化物还原成褐色的二氧化钨,然后 再进一步将的二氧化钨还原成金属钨。 钨的氧化物还原成金属钨的过程经历不同的反应转变阶段。 WO3→WO2.9→WO2.72→WO2→W 在这些转变阶段中,物料不仅颜色发生变化,而且晶体形 态也发生很大变化。 在还原过程中,微量杂质对钨粉特性具有影响,还原工艺 条件对钨粉的质量骑着决定性的作用。其中还原温度是决 定钨粉粒度的关键因素。应该根据钨粉颗粒长
超细晶粒硬质合金
超细晶粒硬质合金得到了越来越广泛的采用。Kennametal 公司推出的新牌号KC5525、KC5510也采用了晶粒细化的 高钴硬质合金基体,拥有钴含量达10%的超级细化晶粒的 硬质合金基体,配以高铝含量的TiAlN PVD涂层,使刀具 在断续切削时具有很高的刃口韧性的同时,又具有极强的 抗热变形能力。ISCAR公司推出的用于整体硬质合金立铣 刀的“AL-TEC”涂层系列牌号,同样采用了超细晶粒硬质 合金基体,配以高铝含量TiAlN(PVD)涂层,使其在铣削加 工硬度高达60~62HRC的淬硬钢时,与原有的IC903牌号 相比,刀具寿命提高150%。Valenite公司的用于铸铁高速 车削加工的VP1595牌号,也是在超细晶粒硬质合金基体 上,采用MT-CVD涂覆18μm厚的TiCN/Al2O3/TiC涂层,后 刀面则涂覆了一层灰色的TiC,以便于观察刀具刃口的磨 损情况和刀片转位,该牌号在粗加工球墨铸铁时,加工效 率比其它K05~K10牌号提高50%。
冷等静压成形是将硬质合金混合料装入天然橡胶、聚氯乙烯等薄膜制的 包套中,密封后装入高压容器,施以均衡的液体压力。可以制备接近成 形品尺寸的制品,加工量小,制品的成形率高且密度均匀,烧结后可以 得到接近理论密度的制品。能够以廉价的模具费用和加工费用制备复杂 形状的制品。压坯强度高,能够进行机加工,从而降低生产成本。
挤压成形、注射成形、压注成形、粉末轧制、冲击成形、增塑毛坯成形 等工艺也用于硬质合金。
烧结
是硬质合金生产的重要工序,制品强化,达到最终要求的物理-力学性 能。
典型的液相烧结,可分为3个阶段。 第一阶段通常是指1000℃以下的烧结,主要在烧结炉的预热带进行。
该阶段所发生的主要变化有:压坯中残余应力的逐渐消失;吸附的水 分及粘结剂的挥发;钴粉表面氧化膜的还原等。
第三阶段是冷却阶段。该阶段的主要变化有:液相量随温度的降低而 减少;也许中碳化物的溶解度降低,有部分碳化物从液相析出;含碳 量过高时可能会形成游离碳,过低时可能会形成η相。
WC-Co硬质合金
WC-Co硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。加工 铸铁时,切屑呈崩碎块粒,刀具受冲击很大,切削力和切削热都集中 在刀刃和刀尖附近。YG类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性(与VT' 类比较),可减小切削时的崩刃。同时,YG类合金的导热性较好,有 利于切削热从刀尖散走,降低刀尖温度,避免刀尖过热软化。加工有 色金属及其合金时,由于在熔化温度下金属及其合金不会与WC产生 溶解或溶解速率非常慢,因此,YG类合金能成功地加工有色金属及 其合金。YG类合金的磨削性较好,可以磨出锐利的刃口,适于加工 有色金属和纤维复合材料。YG类硬质合金中含钴量较多时,其抗弯 强度及冲击韧性均较好,特别是提高了疲劳强度,因此适于在受冲击 和振动条件下作粗加工用;含钴量较少时,其耐磨性和耐热性较高, 适合于作连续切割的精加工用。当含钴量较少时,合金硬度较高,耐 磨性也较好。
复式碳化物
在制造含TiC的硬质合金时,TiC通常是以 TiC-WC固溶体(复式碳化物)的形式加入。 这主要是由于工业碳化钛一般含有较多的氧 (氮),而且TiC与TiO的晶格类型相同,并 容易形成连续固溶体。如果碳化钛直接加入 合金混合料中,形成固溶体时由于碳原子置 换TiC晶格中的氧原子和氮原子而析出CO和 N2气体,阻碍合金的正常收缩,增大合金的 孔隙度。
4.2 WC硬质合金 4.2.1 WC与复式碳化物的制造
W+C→WC
TiO2+3C→TiC+2CO WC-TiC 影响粒度的因素:温度、时间、余料粒度 4.2.2 WC基硬质合金的制造工艺与性能 生产工艺
WC + CO or → 湿磨 → 过滤 → 干燥 → 过筛 → 掺胶
WC、TiC+CO (汽油) 喷雾干燥
预先制备钨粉,然后与二氧化钛、炭黑在1700~2000℃温度下于氢气 中制取复式碳化物。能够省去制备碳化钨的程序,但化学成分难以控 制。
预先制备碳化钨,然后与二氧化钛、炭黑在1700~2000℃温度下于氢 气中制取复式碳化物。该方法被广泛采用,其优点是,当形成细小和 活性高的碳化钛颗粒后,碳化钨便以极高的速率溶解于碳化钛而生成 稳定的TiC-WC固溶体。质量稳定,且生产效率高。
制备TiC-WC复式碳化物的方法
用三氧化钨、二氧化钛、炭黑的混合料在1700~2000℃温度下于氢气 中进行碳化,直接得到TiC-WC固溶体。由于三氧化钨、二氧化钛、 炭黑的体积较大,所以采用该方法难以有效地利用炉子的工作空间。 所得复式碳化物的游离碳较高。
分别制备出WC 和TiC,然后在1600~1800℃温度下于氢气中制取复 式碳化物。该方法工序较多,而且一般又不容易制得纯度较高的碳化 钛。
分类
按照被加工材料可以分为:
P类:主要用于加工钢件(包括铸钢); K类:主要用于加工铸铁; M类:主要用于加工钢(包括奥氏体钢、锰钢)、铸铁、
有色金属。
按照成分可以分为:
WC-Co硬质合金,硬质相是WC,粘结相是Co,代号为 YG;
WC-TiC-Co硬质合金,硬质相是WC与TiC,粘结相是Co, 代号为YT;
Papers
➢ Chengchang JIA, Hua TANG,, Xuezhen MEI, et al, Spark Plasma Sintering on Nanometer Scale WC-Co Powder, Materials Letters, 2005,59(4); 2566~2569
第二阶段的烧结温度为1380~1490℃,保温时间为30~120min。钴与 碳化钨能够形成低熔点共晶体,出现液相是该阶段的主要特征。由于 液相的出现,该阶段的主要变化有:碳化物逐渐溶解于液相;粉末颗 粒由于液相的表面张力作用而逐渐相互靠拢;颗粒与颗粒之间以及颗 粒与液相之间的接触紧密程度增加。
压制与成形
普通模压成形由于操作简单、适用范围广、适用于大批量生产,所以仍 然是目前硬质合金生产中所采用的主要成形方法。现代先进的压机实现 了高精度、高速度和自动化,装备有自动拣制品的机械手和自动监控装 置。而且,所使用的模具也在不断改进。
振动压制成形的主要特点是可大幅度地降低压制压力,获得比普通模压 更加均匀的压坯密度分布,制造形状复杂的制品等。
成形
1)成形前的物料准备
为了减少成形时的摩擦阻力,提高粉末的压制性 能,需要在粉末中添加润滑剂。常用的润滑剂有 汽油合成橡胶溶液、汽油石蜡溶液、酒精甘油溶 液、酒精乙二醇溶液等。
采用自动压机成形时,由于压坯的重量是依靠模 腔的容积控制的,所以为了改善物料的流动性, 使其均匀地进入模腔,并保证压坯重量的一致性, 应该对物料进行制粒。
碳化钨的形成
碳化钨形成的总化学反应式是W+C=WC,钨粉碳 化过程是通过含碳的气体进行的。
影响碳化钨粒度的因素很多,主要是钨粉原始颗 粒的大小。一般地,钨粉颗粒越粗,所得到的碳 化钨的颗粒也较粗。钨粉的表面状态、混合料中 的碳含量对碳化钨的粒度也有一定的影响。而碳 化物度对碳化钨颗粒大小的影响并不显著。特别 是对于粗颗粒的钨粉,提高碳化物度几乎不能使 碳化钨的颗粒长大。
4. 硬质合金与超硬工具材料
4.1 概述
硬质合金是指一种或多种难熔金属的碳化物(WC、TiC等) 作为硬质相,用过渡族金属(Co等)作为粘结相,采用粉 末冶金技术制备的多相材料。作为切削刀具用的硬质合金, 常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等,常用的粘结相 有Co、Ni、Fe等。硬质合金的强度主要取决于粘结相的含 量。
混合料的制备
使碳化物与粘结相粉末混合均匀,并进一步磨细。 硬质合金成品的性能,很大程度上取决于混合料 的制备。
球磨机是制备混合料的主要设备。球磨的各项工 艺参数对混合料的质量有明显的影响。工艺参数 的选择包括:转速为接近60%的临界转速;加入 适量的液体介质(酒精、苯、丙酮等);使用硬 质合金球,球的直径为5~10mm,球料比为2.5: 1~5:1,装球量为40%~60%;球磨时间为24~ 48小时,细晶硬质合金可增加到72小时或更长。
➢ Lan Sun, Chengchang Jia, Hua Tang, Research on Two Sintered Technology of NANOMETER WC-Co Powder, Materials Science Frum, 534-536, (2007), 593-596
➢ Chengchang Jia, Lan Sun, Hua Tang, Xuanhui Qu,Hot Pressing of Nanometer WCCo Powder,International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,accepted and to be published in 2006
→ 干燥 → 制粒 → 成型 → 脱脂预烧 → 烧脂 → 成品
加工
气氛: H2、H2+N2、真空 真空特点:密度、硬度、显微结构、切削
耐用度、但强度下降,有利于排除,改善 润湿法
注意:
①Co的挥发、损失 1550℃,1h,6%→降至 4 5 6
0:1 1 10mmHg←压力 ②脱碳,表面氧化物被C还原气氛中的O 添加剂:TaC,WC-Co硬质合金的组织,多
WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金,是在YT硬质合金中添加 TaC(NbC) 。
主要生产国家
世界上有50多个国家生产硬质合金,总产量可达 27000~28000t-,主要生产国有美国、俄罗斯、 瑞典、中国、德国、日本、英国、法国等,世界 硬质合金市场基本处于饱和状态,市场竞争十分 激烈。中国硬质合金工业是50年代末期开始形成 的,60~70年代中国硬质合金工业得到了迅速发 展,90年代初中国硬质合金总生产能力达6000t, 硬质合金总产量达5000t,仅次于俄罗斯和美国, 居世界第3位。
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