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　　硬质合金材料(1)_材料科学_工程科技_专业资料。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-C

　　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 W-C-Co三元系等温截面的特点 ? 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。 中间相的成分与特点 两相区WC+η ? 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) 80 50 30 18 16 10 C (％)(重量) 5.22 5.58 5.83 5.99 6.00 6.04 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) 单相区 ? 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。 WC-Co合金的组织 ? 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。 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 YG合金的物理性质 ? 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。 WC-Co硬质合金的生产工艺特点 ? 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-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。 WC-TaC(NbC)-Co合金的性质 ?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。 实例 ? 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。 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WTi-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。 WC-TiC-Co合金的正常组织 ? 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。 显微组织 ? 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。 WC-TiC-Co合金的非正常组织 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，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间不是致使碳化不完全所造成的。 ? WC-TiC-Co合金中出现环形结构，使合金的强度和韧性降低。 粗晶粒碳化物的析出 ? 采用在烧结温度下能被WC饱和的固溶体作混合料组分时，会在合金中会出 现针状碳化物或粗大片状碳化物，在提高烧结温度重新烧结，其能够消失。 ? 其可使合金强度显著下降，采用较高烧结温度等可防止粗晶碳化物出现。 合金成分与性质 矫顽磁力 ? 在WC-TiC-Co合金中钴相的分散程度取决于合金中的含钴量、两个 碳化物相的相对合量以及晶粒度。 ? 两相WC-TiC-Co合金中，矫顽力值由钴含量和钛相的晶粒度决定。 ? 三相WC-TiC-Co合金中，除含钴量外，矫顽磁力值由两个碳化物 相相对含量及其晶粒度决定。碳化钛含量低的合金，其变化规律接近 WC-Co合金；碳化钛含量高的合金则接近于两相的WC-TiC-Co合金。 ? 在严重缺碳的WC-TiC-Co合金中，碳化物相晶粒较细或出现相， 都会提高告金酌矫顽磁力值，随看含碳量增加，矫顽磁力值降低。 ? 随着固溶体中碳化钛含量增加，固溶体未饱和程度增加，在烧结过 程中，碳化钨向碳化钛中溶解的量增大，使碳化物相晶粒度变细，因 而提高了矫顽磁力。 硬度 ? 由于碳化钛的硬度比碳化钨高，因而使WC-TiC-Co合全的硬度普遍高于 WC-Co合金。钴含量的减少和碳化钛含量增多都会使合金硬度升高。 ? 但当碳化钛含量增加到一定数量后，合金硬度就不再随碳化钛含量的增 加而升高。通常，合金的硬度随碳化物相(包括WC相和Ti（W）C固溶体相) 晶粒尺寸的减小而提高。 ?（Ti, W）C固溶体成分对合金的硬度也有影响。采用在烧结温度下呈未饱 和的固溶体(如TiC：WC=50：50等)，合金可以获得较高的硬度；而采用在 烧结温度下呈饱和状态的固溶体时制得的WC-TiC-Co合金硬度较低。 ? 含碳量对WC-TiC-Co合金硬度的影响与WC-Co合金相似，即随着合碳量 的增加，合金 的硬度降低。 ? 由于WC-TiC-Co合金中合有TiC-WC固溶体，使合金强化，因而在高温下 软化较慢。因此WC-TiC-Co合金的高温硬度比WC-Co合金高。 抗弯强度 ?与WC-Co合金比较，同钴含量的WC-TiC-Co合金抗弯强度较低，并 随碳化钛的增加而降低。影响因素包括： ? 成分：当合金钴合量一定时，随着碳化钛含量的增加，合金抗弯强度降低， 而当合金碳化钛含量一定时，随钴含量的增加，合金抗弯强度提高。然而必 须指出，低碳化钛含量的合金抗弯强度随钴量的增加并不显著增大合金的抗 弯强度。含碳量对合金抗弯强度的影响与WC-Co合金类似。 ? 合金晶粒度：对于三相合金，由于(Ti, W)C相含量少，碳化钨晶粒度的增大 可以提高合金的抗弯强度(与WC-Co合金类似)；而在两相合金中，(Ti, W)C相 晶粒增大反而会降低合金的抗弯强度，这一点类似于碳化钛基合金。第三是 TiC-WC固溶体的饱和程度，通常在采用烧结温度呈饱和状态的固溶体时，合 金有较高的抗弯强度。 ? 合金中出现的不正常组织：如环形结构，针状或粗大碳化物、渗碳和脱碳， 组织不均匀以及孔隙度高等缺陷，那会使合金抗弯强度下降。 ? 由于硬质合金的高温强度主要取决于碳化物骨架的强度，而碳化物固溶体使 合金的碳化物骨架得到了强化。WC-TiC-Co合金的抗弯强度随温度升高而降 低的程度要比WC-Co合金小。 其他物理性质 ? WC-TiC-Co。合金的冲击韧性、抗压强度、弹性模量均比WC-Co 合金低。因此—TiC—Co合金低。因此WC-TiC-Co合金通常不用作 矿山工具、模具或耐磨零件，而主要用作普通钢材的切削工具。 ? WC-TiC-Co合金导热率比WC-Co合金小，但作为加工钢材等长切 削材料，由于连续切削可以带走刀刃上的热量，因此仍然可以避免 刀刃过热而损坏。 ? WC-TiC-Co合金的热膨胀系数虽然比WC-Co合金大，但仍然比钢 材要低得多，而且由于WC-TiC-Co合金的强度比WC-Co合金低，因 此在道具镶焊时，产生裂纹的倾向较大，这点应该注意。 生产工艺特点 ? 性能较高的WC-TiC-Co合金的含碳量低于理论值，但碳化钛含碳 量高达20％，因而使WC-TiC-Co合金含碳量提高，合金组织对碳量 敏感程度降低。 ? 所加入的碳化钛应该以固溶体的形式加入， 以防止出现环形结 构等组织缺陷。根据不同牌号的使用性能要求，制不同成分的固 溶体。 ? TiC硬度高，相应地混合料的硬度高，其压制性也比WC-Co合金 混合料差。但WC-TiC-Co合金通常用来制造切削刀片，形状较简单。 因此，稍差的压制性并不多大影响。 ? 由于真空烧结可以使合金性能明显提高，目前国内外绝大多数 家均采用真空烧结来生产WC—TiC—Co硬质合金。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金 WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金 WC-TiC-Co硬质合金通常只能加工普通钢材，而加入TaC(NbC)，以后的 WC-TiC-TaC(NbC) -Co合金不但可以切削普通钢，而且可以加工高合金钢、 不锈钢及合金铸铁等难加工材料，是一种通用性较好的合金。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的组织 ? WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的组织与WC-TiC-Co合金类似，所不同的是碳化 物固溶体相的成分不同。在WC-TiC-Co合金中，固溶体相是(Ti, W)C；而在 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中，固溶体相是(Ti, W, Ta/Nb)C。 ? 与WC-TiC-Co合金一样，正常的WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金有两种组织形式， 一种是(Ti, W, Ta/Nb)C+γ二相合金，一种是(Ti, W, Ta/Nb)C+WC+γ三相合金。 当合金中TiC、TaC(NbC)、WC三个份的含量超过中单相区的界限时，合金便 称为三相组织，否则为两相组织。 ? 与WC-TiC-Co合金类似，平衡时的WC-TiC-TaC(NbC)-Co应该有各种共晶存 在，在两相合金中应该有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；在三相还应该有WC+γ共晶和(Ti, W, Ta/Nb)C+WC+γ共晶存在。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金组织 金相组织观察表明，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中的(Ti, W, Ta/Nb)C相同(Ti, W)C相类似，也是呈近似圆形的晶粒，很容易与多角形的WC相区别开来。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的成分及性质 工业WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的成分及性质见表。由此可见，WC-TiCTaC(NbC)-Co合金的基本性质与WC-TiC-Co合金差别并不大。 硬度 ? 与WC-Co合金和WC-TiC-Co合金类似，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金 的硬度随着合金中钴含量的提高而降低； ? 当固溶体含量相同时，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的硬度并不比 WC-TiC-Co合金高； ? 合金中碳化钛含量一定时，加入TaC(NbC)可稍微提高合金的硬度， 这主要是由于固溶体相体积的增加，以及碳化物相晶粒变细所致。 ? 这类合金成分更为复杂而使得合金碳化物骨架更为强化，相应WCTiC-TaC(NbC)-Co合金比WC-TiC-Co合金具有更高的高温硬度。 抗弯强度 ? 抗弯强度随合金钴含量的增加。 ? 由于TaC(NbC)能改善固溶体中相对于粘结相的润湿性及减少固溶体 的体积所致，对于两相(Ti,W,Ta/Nb)C+合金，抗弯强度则随着固溶体相 中TaC含量的增大而升高。 ? 对于三相WC+(Ti, W, Ta/Nb)C+合金，强度则随固溶体相含量的增大 而降低。 ? NbC含量较高时，合金强度会下降，但是在（Ti, W, Ta）固溶体中， 用30%NbC取代TaC却不会降低合金的性质。 ? 预先制成WC-TiC-TaC(NbC)-Co固溶体比单独添加TaC(NbC)所得到 (Ti, W, Ta/Nb)C相成分的均匀性要好些，因而合金的强度和硬度均较高。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的生产工艺特点与WC-TiC- Co合金类似。
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