硬质合金微观结构(1)课件
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《硬质合金-》课件
《硬质合金》PPT课件
硬质合金，也称为钨钢，是一种高硬度、高耐磨损的材料，广泛应用于切削 工具、矿山机械、石油钻采工具等领域。
介绍硬质合金的概念和发展历史
1 概念定义和特点
硬质合金是由金属硬质相和结合相组成的复 合材料，具有优异的硬度、耐磨性和耐腐蚀 性。
2 发展历史回顾
硬质合金的历史可以追溯到20世纪初，经过 多年的研发和改进，如今已成为重要的工程 材料。
硬质合金具有优异的硬度、耐磨性、耐腐蚀 性和热稳定性，适用于各种恶劣的工作环境。
硬质合金在高温和高压条件下仍能保持较好 的硬度和强度，适用于高速切削和重载工况。
硬质合金的应用领域和案例分析
制造行业中的应用
硬质合金广泛应用于切削工具、模具、矿山机 械等领域，提高生产效率和降低成本。
典型应用案例分析
以切削工具为例，硬质合金刀具在加工高硬度 材料和复杂形状零件时表现出色，提供了更高 的精度和寿命。
硬质合金的发展趋势和展望
1
未来发展方向
将更多先进材料和制造技术应用于硬质合金，提高硬质合金的性能和适用范围。
2
对未来的展望和分析
硬质合金在工程领域有着广阔的应用前景，随着各行业的需求增加，硬质合金的 市场潜力巨大。
总结与展望
通过本次PPT课件的学习，我们对于硬质合金的概念、组成、性能和应用有了 更深入的了解。在未来，硬质合金将持续发展，为各行业带来更多创新和突 破。
硬质合金的组成和制备式
1 主要成分介绍
硬质合金的主要成分是金属硬质相（钨碳化 物）和结合相（钴、镍等），不同成分比例 会影响其性能。
2 常见制备方式
硬质合金的制备方式包括粉末冶金、溶液法、 化学气相沉积等，每种方式都有其适用的场 景和优劣势。
硬质合金，也称为钨钢，是一种高硬度、高耐磨损的材料，广泛应用于切削 工具、矿山机械、石油钻采工具等领域。
介绍硬质合金的概念和发展历史
1 概念定义和特点
硬质合金是由金属硬质相和结合相组成的复 合材料，具有优异的硬度、耐磨性和耐腐蚀 性。
2 发展历史回顾
硬质合金的历史可以追溯到20世纪初，经过 多年的研发和改进，如今已成为重要的工程 材料。
硬质合金具有优异的硬度、耐磨性、耐腐蚀 性和热稳定性，适用于各种恶劣的工作环境。
硬质合金在高温和高压条件下仍能保持较好 的硬度和强度，适用于高速切削和重载工况。
硬质合金的应用领域和案例分析
制造行业中的应用
硬质合金广泛应用于切削工具、模具、矿山机 械等领域，提高生产效率和降低成本。
典型应用案例分析
以切削工具为例，硬质合金刀具在加工高硬度 材料和复杂形状零件时表现出色，提供了更高 的精度和寿命。
硬质合金的发展趋势和展望
1
未来发展方向
将更多先进材料和制造技术应用于硬质合金，提高硬质合金的性能和适用范围。
2
对未来的展望和分析
硬质合金在工程领域有着广阔的应用前景，随着各行业的需求增加，硬质合金的 市场潜力巨大。
总结与展望
通过本次PPT课件的学习，我们对于硬质合金的概念、组成、性能和应用有了 更深入的了解。在未来，硬质合金将持续发展，为各行业带来更多创新和突 破。
硬质合金的组成和制备式
1 主要成分介绍
硬质合金的主要成分是金属硬质相（钨碳化 物）和结合相（钴、镍等），不同成分比例 会影响其性能。
2 常见制备方式
硬质合金的制备方式包括粉末冶金、溶液法、 化学气相沉积等，每种方式都有其适用的场 景和优劣势。
硬质合金基础知识PPT课件
2021
10
2.2 ISO国际标准
这类分类方法是根据合金的使用范围分类，随着硬 质合金工业的不断发展，各个国家的命名规则不一 致，甚至即使同一国家不同厂家的命名也是各不相 同，为了方便用户，国际标准化组织规定了以下统 一分类方法：
分为三类P类、M类、K类 P类：P01、P05、P10、P15、P20、P25、P30、P40 M类：M10、M20、M30、M40 K类：K05、K10、K20、K30、K40
2021
8
晶格结构 转变温度℃ 密度g/cm3 热扩散系数k-1
熔点℃ 热导率Wμm-1k-1
电阻率μΩcm 弹性模量N/mm2
泊松比 硬度HV10
ε-Co 简单六方
α-Co 面心立方
417.25
8.85 12.5× 10-6
8.80 14.2 × 10-6
1492.6
69.21 6.24（室温）
18
WC-Co类
WC-Co（YG）类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YT类比较），这可减小切削 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，由于在熔化温度下有色金属及其合金不会与 WC产生熔解或熔解速度非常慢，即使在熔化温度下也不产生 化学相互作用，因此，YG类合金能成功地加工有色金属及其 合金。YG类合金的磨加工性较好，可以磨出锐利的刃口，因 此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的条件下作粗加工用；含 钴量较少时，其耐磨性和耐热性较高，适合于作连续切削的 精加工用。当含钴量较少时，合金的硬度较高，耐磨性也较 好。
硬质合金材料的微观结构与力学性能研究
硬质合金材料的微观结构与力学性能研究硬质合金是一种高度工程化的材料，其具有高硬度、高强度和良好的耐磨性等优良性能，被广泛应用于制造机床刀具、矿山工具和机械零件等领域。
作为一种复杂的材料，硬质合金的机理研究一直是材料科学领域的重要研究方向。
本文旨在从微观层面来探讨硬质合金材料的结构和力学性能之间的关系。
第一部分：硬质合金的组成与结构硬质合金是由一种硬质粒子和一种基体相组成的复合材料。
硬质粒子一般采用钨酸盐、钨碳化物、钨铫化物、碳化硅和氮化硅等材料，其主要作用是提高材料的硬度和耐磨性。
基体相一般采用钴、镍和铁等合金，其主要作用是提高材料的韧性和延展性。
硬质合金材料的微观结构非常复杂，其中最重要的是硬质粒子和基体相之间的界面结构。
硬质粒子与基体相之间存在不同类型的界面结构，如钴基界面、碳化物基界面、氮化物基界面等。
这些界面结构对硬质合金的力学性能具有重要影响。
第二部分：硬质合金的力学性能硬质合金的力学性能主要包括硬度、韧性、强度等指标。
硬度是硬质合金最重要的性能之一，其主要取决于硬质粒子的类型、尺寸、分布和基体相的硬度等因素。
韧性是指材料在受力作用下的抗变形能力，可用断裂韧性等指标来进行评价。
强度是指材料在受力作用下的抗拉强度、屈服强度等指标，其大小与硬质粒子与基体相之间的界面结构、分布和相对含量等因素密切相关。
在实际应用中，硬质合金的力学性能不仅仅取决于其自身的力学性能，还与应用环境、工艺工法等因素有关。
例如在制造机床刀具时，还需考虑到其使用环境的温度、润滑情况等因素，才能真正发挥其优良的工作效率。
第三部分：硬质合金力学性能的控制方法硬质合金材料的力学性能可通过多种方法来进行调控和改进。
例如通过调控硬质粒子的尺寸、分布和相对含量等因素，来改善硬质合金的硬度和耐磨性等性能。
通过优化基体相的成分和结构，可提高硬质合金的韧性和延展性等性能。
此外，还可通过加工工艺的优化，如热处理、冷加工等方法，来改善硬质合金的力学性能。
硬质材料之硬质合金与硬质合金涂层(ppt18页)(编)PPT共20页
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
20
硬质材料之硬质合金与硬质合金涂层 (ppt18页)（编）
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
硬质合金与超硬工具材料PPT课件
➢ Sun Lan, Jia Chengchang, Xian Min，A Research on the Grain Growth of WC-Co Hard Alloy，International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， submitted，Submission Confirmation for IJRMHM-D-05-00021R2
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。
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
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。
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。
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
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。
硬质材料之硬质合金与硬质合金涂层PPT课件(18张)
• 记录的极高的碳化钛等级压入硬度值并不同时具有相 应级别的抗磨损能力，大家认为明显缺乏硬度的碳化 钨在此方面的性能超过碳化钛。而且，碳氮化合物、 高级的含钽多元碳化物和涂敷的变体形式一般都能提 供更好的全面切割性能。
其它刀具材料：
钢结硬质合金：
钢结硬质合金简称钢结合金，是一种新型工模 具材料,它以碳化钨或碳化钛为硬质相，以钢为粘 结相（其体积分数一般在５０％以上），针对不 同的使用要求，可选用不同的钢种为基体，包括 铬钼工具钢、高速钢、不锈钢和高锰钢。 钢结硬 质合金硬度既具有象硬质合金的高硬度、高强度、 高耐磨性，又具有工具钢的可机械加工、热处理、 锻造和焊接等特点，是介于硬质合金与工具钢之 间的工具材料，适用于工具钢由于耐磨性不够， 而硬质合金由于韧性不够和难加工成型而受到限 制的场合。
• 硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒 粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则 硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属 决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。 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。
第四章 硬质材料
第一节 硬质合金 第二节 硬质合金涂层
硬质材料包括硬质合金，并包括组成硬质合 金的碳化钨粉、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳 化钛这些硬质粉末，以及金刚石（C） ， PcD （多晶钻）, cBN （立方氮化硼）, 和 Si3N4 氮化硅。
PcD（多晶钻）是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之 后，在高温高压环境下沉积为相干结构的人造材料。
可惜得是，碳化钛和TiC基固溶体非常脆而且不如碳化钨耐 磨。因此尽可能地将TiC的含量保持在最低水平。
在极限配方中碳化物是不含钨的并且完全是基于TiC基础之 上的，但一般的TiC成分不能超过18%。如果超过这个数值， 碳化物变得过脆并且非常难于铜焊。
其它刀具材料：
钢结硬质合金：
钢结硬质合金简称钢结合金，是一种新型工模 具材料,它以碳化钨或碳化钛为硬质相，以钢为粘 结相（其体积分数一般在５０％以上），针对不 同的使用要求，可选用不同的钢种为基体，包括 铬钼工具钢、高速钢、不锈钢和高锰钢。 钢结硬 质合金硬度既具有象硬质合金的高硬度、高强度、 高耐磨性，又具有工具钢的可机械加工、热处理、 锻造和焊接等特点，是介于硬质合金与工具钢之 间的工具材料，适用于工具钢由于耐磨性不够， 而硬质合金由于韧性不够和难加工成型而受到限 制的场合。
• 硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒 粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则 硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属 决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。 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。
第四章 硬质材料
第一节 硬质合金 第二节 硬质合金涂层
硬质材料包括硬质合金，并包括组成硬质合 金的碳化钨粉、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳 化钛这些硬质粉末，以及金刚石（C） ， PcD （多晶钻）, cBN （立方氮化硼）, 和 Si3N4 氮化硅。
PcD（多晶钻）是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之 后，在高温高压环境下沉积为相干结构的人造材料。
可惜得是，碳化钛和TiC基固溶体非常脆而且不如碳化钨耐 磨。因此尽可能地将TiC的含量保持在最低水平。
在极限配方中碳化物是不含钨的并且完全是基于TiC基础之 上的，但一般的TiC成分不能超过18%。如果超过这个数值， 碳化物变得过脆并且非常难于铜焊。
硬质合金微观结构
Xs Xc 7.3599当量总碳% 44.1568 0.1472 Xc
式中： Xs-烧结后碳化物的平均晶粒度； Xc-烧结前碳化物的平均晶粒度。
钴粘结相结构对合金性能的影响
✓ 钴在417℃左右会发生同素异晶转变，一种马氏体相变类型转变，在相变 温度Ms以上，f.c.c.结构的α相是稳定相，在相变温度Ms以下，h.c.p.结构的ε 相是稳定相。 ✓ h.c.p.结构金属往往塑性较差，而且h.c.p.结构的ε-Co，其c/a之值约等于 1.6223，所以ε-Co与α-Co相比，其独立滑移系少，形变协调性较差，塑性及 韧性较低。当Co中α相含量从26%降至4%时，试样的延伸率就从50%降至 7%。因此，应尽可能多地保留α-Co到室温而提高钴的性能。 ✓ 硬质合金中的钴相，由于溶入了W和C，其α→ε相变温度和程度会发生一 定的变化。然而，相变总会发生。例如，在硬质合金刀具表面那些变形力涉 及的部位，钴的α→ε相变不可避免，因为塑性变形会大大降低。这些ε-Co存 在无疑会对合金的物理机械性能和耐磨性产生不良影响。
WC晶粒度的影响因素
✓ 原始粒度：原始粒度越细，烧结时越易长大。当原始粉末粒度分布很广，特别是有
大量细颗粒WC存在时，烧结时出现异常长大的晶粒数较多。 ✓ 杂质：含量仅10ppm左右的Fe杂质会促使烧结时WC晶粒长大。约0.3%的Ni和Cr能 分别使烧结时WC晶粒发生明显的粗化和细化。 ✓ 碳含量：碳含量对合金碳化物晶粒的影响极为显著。普通认为随碳含量增加，烧结 时碳化物的长大更为严重。 ✓ 下式可定量描述碳含量对烧结时碳化物晶粒长大程度的影响：
硬质合金中的相：硬质相
✓ WC的颗粒形状受合金含碳量和含钴量的影响。随含碳量的增高，在 1450oC下烧结2h，WC晶粒择优生长而呈现矩形形状。
式中： Xs-烧结后碳化物的平均晶粒度； Xc-烧结前碳化物的平均晶粒度。
钴粘结相结构对合金性能的影响
✓ 钴在417℃左右会发生同素异晶转变，一种马氏体相变类型转变，在相变 温度Ms以上，f.c.c.结构的α相是稳定相，在相变温度Ms以下，h.c.p.结构的ε 相是稳定相。 ✓ h.c.p.结构金属往往塑性较差，而且h.c.p.结构的ε-Co，其c/a之值约等于 1.6223，所以ε-Co与α-Co相比，其独立滑移系少，形变协调性较差，塑性及 韧性较低。当Co中α相含量从26%降至4%时，试样的延伸率就从50%降至 7%。因此，应尽可能多地保留α-Co到室温而提高钴的性能。 ✓ 硬质合金中的钴相，由于溶入了W和C，其α→ε相变温度和程度会发生一 定的变化。然而，相变总会发生。例如，在硬质合金刀具表面那些变形力涉 及的部位，钴的α→ε相变不可避免，因为塑性变形会大大降低。这些ε-Co存 在无疑会对合金的物理机械性能和耐磨性产生不良影响。
WC晶粒度的影响因素
✓ 原始粒度：原始粒度越细，烧结时越易长大。当原始粉末粒度分布很广，特别是有
大量细颗粒WC存在时，烧结时出现异常长大的晶粒数较多。 ✓ 杂质：含量仅10ppm左右的Fe杂质会促使烧结时WC晶粒长大。约0.3%的Ni和Cr能 分别使烧结时WC晶粒发生明显的粗化和细化。 ✓ 碳含量：碳含量对合金碳化物晶粒的影响极为显著。普通认为随碳含量增加，烧结 时碳化物的长大更为严重。 ✓ 下式可定量描述碳含量对烧结时碳化物晶粒长大程度的影响：
硬质合金中的相：硬质相
✓ WC的颗粒形状受合金含碳量和含钴量的影响。随含碳量的增高，在 1450oC下烧结2h，WC晶粒择优生长而呈现矩形形状。
硬质合金-0536页PPT
美国Li Tungstun公司的钨粉分为5级，碳化钨粉分为6级(均按Fsss粒度)； 欧洲钨公司的钨粉按Fsss粒度分为8级；日本东芝公司的钨粉也分为8级；
而东京钨公司则将钨粉分为10级。 我国现在也研制了钨粉水力连续分级的技术和工艺，能按需要将工业钨粉分为 5-8个粒级，下限为0.5—2微米。
School of Materials Science and Engineering
三、改进或选用新的硬质相及粘结相
➢硬质相： 常见的硬质相是碳化钨，但由于世界上钨资源短缺。发展了以TiC，TaC，Cr3C2
等敞硬质相的合金。此外还研究了添加不同量的ZrC。HfC、Cr3C2、VC、MO2C和 NbC等碳化物以细化合金组织的改善性能。其中较为有效的是HfC、TaC、VC，
其他碳化物来说，由于粘结金属对它们的润湿性能不佳，故未能取得大的进展。
(2) 扩散障壁作用。涂层能阻止工件材料扩散到工具材料中去，因而能减少刀具与工 件之间的粘接，焊接和刀瘤的形成，减少月牙洼磨损。
( 3) 抗氧化作用。据试验，如在700℃的空气中加热10小时非涂层刀片的氧化速度比 涂层刀片要快8-10陪。所以涂层刀片的抗氧化的抗化学磨损能力显著提高。
(4) 润滑作用。涂层刀片在切削时形成的Ti20 3润滑膜可以降低刀片与工件之间的摩 擦系数，因为可降低切割力。据可乐满厂试验，切削力可降低10-25%；赛可厂试验， 切削力可降低10～15%，切削温度可降低65℃（V切削=50米／分时)和115℃(V切削 =200米／分时)。
二、改善合金的组织结构
➢ 超细晶粒合金： 碳化物晶粒度小于1μm，能同时具有较高的硬度和韧性。
➢非均质结构合金： 非均匀结构合金是将二种不同成分或不同粒度的混合料混和在一起制成的在显
而东京钨公司则将钨粉分为10级。 我国现在也研制了钨粉水力连续分级的技术和工艺，能按需要将工业钨粉分为 5-8个粒级，下限为0.5—2微米。
School of Materials Science and Engineering
三、改进或选用新的硬质相及粘结相
➢硬质相： 常见的硬质相是碳化钨，但由于世界上钨资源短缺。发展了以TiC，TaC，Cr3C2
等敞硬质相的合金。此外还研究了添加不同量的ZrC。HfC、Cr3C2、VC、MO2C和 NbC等碳化物以细化合金组织的改善性能。其中较为有效的是HfC、TaC、VC，
其他碳化物来说，由于粘结金属对它们的润湿性能不佳，故未能取得大的进展。
(2) 扩散障壁作用。涂层能阻止工件材料扩散到工具材料中去，因而能减少刀具与工 件之间的粘接，焊接和刀瘤的形成，减少月牙洼磨损。
( 3) 抗氧化作用。据试验，如在700℃的空气中加热10小时非涂层刀片的氧化速度比 涂层刀片要快8-10陪。所以涂层刀片的抗氧化的抗化学磨损能力显著提高。
(4) 润滑作用。涂层刀片在切削时形成的Ti20 3润滑膜可以降低刀片与工件之间的摩 擦系数，因为可降低切割力。据可乐满厂试验，切削力可降低10-25%；赛可厂试验， 切削力可降低10～15%，切削温度可降低65℃（V切削=50米／分时)和115℃(V切削 =200米／分时)。
二、改善合金的组织结构
➢ 超细晶粒合金： 碳化物晶粒度小于1μm，能同时具有较高的硬度和韧性。
➢非均质结构合金： 非均匀结构合金是将二种不同成分或不同粒度的混合料混和在一起制成的在显
硬质合金材料.37页PPT
财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
硬质合金材料.
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
硬质合金材料.
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
课题五 硬质合金28页PPT
课题五 硬质合金
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
45、自己异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
45、自己异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
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钴及钴相的强化
钴及钴相强化主要包括合金化和弥散强化等方法控制α-Co→ε-Co相变。 钴的合金化： • 当钴中含有1%的Fe、W、Al、Ti、Zr、Nb和Ta时，α相的含量会有不同程度的增加。
• 当钴中有6%的Fe、Ti或10%的Ta时，合金中α相含量超过80%。α相含量的增加一般 均伴有合金强度与延伸率的改善，但也有例外当钴中含有1%的Ni或W时，虽然α相含 量增加，强度和延伸率反而下降；而当含有6%Fe时，虽然合金结构以α相为主，延伸 率大大提高，但强度却有所降低。 • 一般认为，某些合金元素之所以能抑制钴的α→ε相变，增加α-Co相含量。这是因为 这些元素偏聚在钴相内的位错上，有效地提高钴的层错能，从而减少层错宽度，使 h.c.p.结构的相形核发生困难。 • X衍射分析表明，钴相中α-Co相含量比纯钴中的要多，而且钴相中α-Co→ε-Co相变 的转变温度也提高到了750℃左右。因此，钴相中溶解的W和WC对-Co有一定的稳定 作用。
WC晶粒度对合金性能的影响
WC晶粒度的增大会导致合金硬度的持续下降；而WC晶粒的增大在一定限度 内会使合金强度增高，过此限度后则会使合金强度下降。 这说明为了为什么对普通WC-Co合金，硬度和抗弯强度难以同时兼顾。 特殊方法制造的超细晶粒合金的硬度、强度均比相同成分的普通合金高。一 般硬度要高1.5~2HRA硬度值，抗弯强度要高60~80kg/mm2，高温硬度、抗压 强度也高得多。）
钴的弥散强化
适当氧化物的加入能改善钴及钴合金的高温抗蠕变性能。钴在高温下蠕变 抗力的增加是由于氧化物弥散相引起了位错的塞积，从而使位错的攀移受阻， 蠕变速度也就降低了。
当钴中含有适量氧化物时，不仅强度得到提高，其塑性也得到显著改善。 弥散相越细，分布越均匀，合金的室温和高温性能就越好。合金塑性的改善 可能是由于弥散相对位错运动有阻碍抑制了钴的α-Co→ε-Co相变。
硬质合金中的相：硬质相
WC属于不等轴相，在液相烧结过程中的溶解和析出具有方向性，从而使 得硬质合金中的WC颗粒几何形状大小不一，呈现棱角状。 棱角的存在导致应力分布极不均匀，引起应力集中，影响硬质合金的韧性。 经热处理可改善WC相的棱角结构，例如经过淬火处理，WC在Co的溶解 度增加，而其溶解通常发生在棱角处。
γ相晶粒度对合金性能的影响
γ相晶粒越细，合金的抗弯强度越高，且当钴含量越高时越明显，即γ相细化 强化机理。
影响硬质合金微观结构的因素
碳化物相、黏结相的化学成分。 碳化物颗粒的大小、形状及其分布状况。 碳化物与黏结物的相对比例。 各碳化物的相互溶解程度。 渗碳和脱碳。 扩散或偏析引起的成分和结构变化。 整个工艺过程，尤其是球磨、烧结工艺及原料的类型。 烧结后涂覆的表面层或扩散层。
Xs Xc 7.3599 当量总碳% 44.1568 0.1472 Xc
式中： Xs-烧结后碳化物的平均晶粒度； Xc-烧结前碳化物的平均晶粒度。
钴粘结相结构对合金性能的影响
钴在417℃左右会发生同素异晶转变，一种马氏体相变类型转变，在相变 温度Ms以上，f.c.c.结构的α相是稳定相，在相变温度Ms以下，h.c.p.结构的ε 相是稳定相。 h.c.p.结构金属往往塑性较差，而且h.c.p.结构的ε-Co，其c/a之值约等于 1.6223，所以ε-Co与α-Co相比，其独立滑移系少，形变协调性较差，塑性及 韧性较低。当Co中α相含量从26%降至4%时，试样的延伸率就从50%降至 7%。因此，应尽可能多地保留α-Co到室温而提高钴的性能。 硬质合金中的钴相，由于溶入了W和C，其α→ε相变温度和程度会发生一 定的变化。然而，相变总会发生。例如，在硬质合金刀具表面那些变形力涉 及的部位，钴的α→ε相变不可避免，因为塑性变形会大大降低。这些ε-Co存 在无疑会对合金的物理机械性能和耐磨性产生不良影响。
稀土氧化物的影响
当钴基体中含有0.1~1%(wt)CeO2、La2O3、Y2O3弥散质点时，钴的抗拉强 度、硬度和延伸率均得到提高，尤其0.3%CeO2的加入可使抗拉强度和延伸率 分别提高18.7%和80.4%。此外稀土氧化物含量增加的同时，α-Co的含量也 在增加，最多可增加151.8%，这与钴的强度，特别是塑性的改善有密切关系。 α-Co→ε-Co相变发生时，母相中的层错对形核作用很大。电镜观察也表明， 相的形核是层错在相邻面扩展的结果。 当钴中分布有适量的稀土氧化物弥散质点时，一方面质点以安塞尔或奥罗 万机制阻碍位错运动，从而使依赖位错运动的固态相变受阻；另一方面，这 些质点还容易钉扎在各种缺陷上，或占据母相的形变中心，从而减少了潜在 核坯数量，同时还使马氏体胚芽或马氏体片的界面不易迁移。 钴中弥散分布的稀土氧化物质点就在一定程度上抑制了α-Co→ε-Co相变， 使钴的强度和塑性得到提高。
WC晶粒度的影响因素
原始粒度：原始粒度越细，烧结时越易长大。当原始粉末粒度分布很广，特别是有
大量细颗粒WC存在时，烧结时出现异常长大的晶粒数较多。 杂质：含量仅10ppm左右的Fe杂质会促时WC晶粒发生明显的粗化和细化。 碳含量：碳含量对合金碳化物晶粒的影响极为显著。普通认为随碳含量增加，烧结 时碳化物的长大更为严重。 下式可定量描述碳含量对烧结时碳化物晶粒长大程度的影响：
硬质合金中的相：硬质相
WC的颗粒形状受合金含碳量和含钴量的影响。随含碳量的增高，在 1450oC下烧结2h，WC晶粒择优生长而呈现矩形形状。 烧结时间增加到8h时，粗大WC颗粒开始呈现三角形棱柱体状，而含碳 量低时，WC颗粒主要为阶梯状的棱柱体。
硬质合金中的相：硬质相
由于表面张力大小的差别，多元硬质合金中的TiC、TaC和NbC等 硬质相晶粒更为接近圆形或卵形。此外，金相观察显示，WC相 呈白亮颗粒，而立方相碳化物呈灰白色晶粒。