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硬质合金的主要成分有哪些?起什么作用?

2016-5-13 13:06| 发布者: 文子| 查看: 3146| 评论: 0

摘要: 硬质合金的主要成分有哪些?起什么作用?硬质合金作为一种工具材料,硬质合金对世界经济的发展起着重要的推动作用。然而,很多人都知道硬质合金具有高硬度和高的抗弯强度,但是真正了解硬质合金的却不多,要了解硬质 ...
硬质合金的主要成分有哪些?起什么作用?硬质合金作为一种工具材料,硬质合金对世界经济的发展起着重要的推动作用。然而,很多人都知道硬质合金具有高硬度和高的抗弯强度,但是真正了解硬质合金的却不多,要了解硬质合金必须从硬质合金的成分开始,那么硬质合金的主要成分有哪些?下面由三鑫硬质合金小编来分享。

    硬质合金的主要成分是一种由难熔金属化合物和粘结金属所构成的组合材料。硬质合金中的的难熔金属化合物通常指的是WC(碳化钨)、TiC(碳化钛)、Ta(Nb)C(碳化但)、VC(碳酸亚乙烯酯)等,粘结金属通常指Co(钴)、Ni(铌)、Fe(铁)等,它们在硬质合金中各自起着十分重要的作用。

 

    碳化钨(WC

    从百度百科词条对于碳化钨WC的解释是这样的--碳化钨是一种由钨和碳组成的化合物,化学式为WC,英文为Tungsten Carbide,也常被简称为Carbide。为黑色六方晶体,有金属光泽,硬度与金刚石相近,为电、热的良好导体。碳化钨不溶于水、盐酸和硫酸,易溶于硝酸-氢氟酸的混合酸中。纯的碳化钨易碎,若掺入少量钛、钴等金属,就能减少脆性。用作钢材切割工具的碳化钨,常加入碳化钛、碳化钽或它们的混合物,以提高抗爆能力。碳化钨的化学性质稳定,WC(碳化钨)合金具有很好的韧性和耐磨性,但在切削钢材时,易产生刀瘤和月牙洼磨损。同时在高温下,合金硬度和强度急剧下降。所以,这类钨钴合金最适宜使用在有色金属和低塑性铸铁的加工,而不宜用于钢的切削加工。

    硬质合金始于WC(碳化钨)- Co(钴)硬质合金,它是成分最简单,使用范围最广泛的一种合金。

 

    钴(Co)

    从百度百科词条对于钴(Co)的解释是这样的—化学元素符号Co,银白色铁磁性金属,表面抛光后有淡蓝光泽,在周期表中位于第4周期、第族,原子序数27,原子量58.9332,密排六方晶体,常见化合价为+2、+3。 钴是具有光泽的钢灰色金属,比较硬而脆,有铁磁性,加热到1150时磁性消失。钴的化合价为+2价和+3价。在常温下不和水作用,在潮湿的空气中也很稳定。在空气中加热至300以上时氧化生成Co0,在白热时燃烧成Co3O4。氢还原法制成的细金属钴粉在空气中能自燃生成氧化钴。金属钴主要用于制取钴合金。

    钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。含有一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度,如今这种硬质合金已成为含金切削工具和铝间用的最重要材料。在这种材料中,钴将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起,使合金具更高的韧性,并减少对冲击的敏感性能,这种合金熔焊在零件表面,可使零件的寿命提高3~7倍。钴基合金的耐热性是因为形成了难熔的碳化物,这些碳化物不易转为固体溶体,扩散活动性小,在温度在1038℃以上时,钴基合金的优越性就显示无遗。这对于制造 高效率的高温发动机,钴基合金就恰到好处。在航空涡轮机的结构材料使用含20%~27%铬的钴基合金,可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。

 

    碳化钛(TiC

    从百度百科词条对于碳化钛TiC的解释是这样的:TiC浅灰色,立方晶系,不溶于水,具有很高的化学稳定性,与盐酸、硫酸几乎不起化学反应,但能够溶解于王水,硝酸,以及氢氟酸中,还溶于碱性氧化物的溶液中。

    相对分子质量:59.91

    密度4.93g/cm3

    熔点3160℃,沸点4820℃

    可由骨炭与二氧化钛在电炉中加热制得。是硬质合金的重要成分。用作金属陶瓷,具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点。还可用来制造切削工具。在炼钢工业中用作脱氧剂。

    碳化钛是典型的过渡金属碳化物。它的键型是由离子键、共价键和金属键混合在同一晶体结构中,因此碳化钛具有许多独特的性能。晶体的结构决定了碳化钛具有高硬度、高熔点、耐磨损以及导电性等基本特征。碳化钛陶瓷是钛、锆、铬过渡金属碳化物中发展最广的材料。

    为了解决钢材加工时产生的刀瘤和月牙洼磨损,经研究就开发出了WC-TiC-Co硬质合金。TiC具有耐磨抗氧化和抗月牙洼磨损等特性,但是,TiC及其固溶体比WC脆得多,其合金韧性差。TiC含量超过18%,合金不仅脆,而且难以焊接。

 

    Ta(Nb)C碳化但

    从百度百科词条对于碳化钨的解释是这样的:分子式:TaC;沸点:5500℃。

    性质:分子量:192.956。浅棕色金属状立方结晶粉末,属氯化钠型立方晶系。不溶于水,难溶于无机酸,能溶于氢氟酸和硝酸的混合酸中并可分解。抗氧化能力强,易被焦硫酸钾熔融并分解。导电性大,室温时电阻为30Ω,显示超导性质。

    用途:用于粉末冶金、切削工具、精细陶瓷、化学气相沉积、硬质耐磨合金刀具、工具、模具和耐磨耐蚀结构部件添加剂,提高合金的韧性。碳化钽的烧结体显示金黄色,可作手表装饰品。

    目前也用碳化钽做硬质合金烧结晶粒长大抑制剂用,对抑制晶粒长大有明显效果,密度为14.3g/cm3。

 

    为了获得既能抗刀瘤和抗月牙洼磨损,同时又具有较好的耐磨性和韧性的合金,经研究就又出现WC-TaC-Co硬质合金。TaC使合金具有较好的耐磨性、韧性、抗月洼磨损(比TiC差)和耐高温性能(改善高温强度、高温硬度和抗氧化性)。添加TaC有助于降低摩擦系数,从而降低刀具温度。其合金能在高切削刃温度下承受大的冲击负荷。然而由于TaC极为昂贵,无法大量使用。常用于切除热焊瘤。

   
    
为获得兼备WC-TiC-Co和WC-TaC-Co两类合金所具有的最佳性能的合金,研究产生了WC-TiC-TaC-Co硬质合金。它可以切削钢,也可以切削加工铸铁和有色金属,特别适用于加工高合金钢、耐热合金和合金铸铁。它一出现,就得到很快的发展,几乎取代了WC-TiC-Co合金。影响其大势发展的是涂层合金的出现。
    涂层合金的基体采用具有高韧性的合金,其表面涂层TiC、Ti(CN)、TiN、AI2O3......,则具有很好的耐磨性和抗月牙洼磨损,因此,涂层合金既具有高韧性、高耐磨性又能抗月牙洼磨损,其寿命成十倍提高。TaC、NbC、VC、Cr3C2...等在合金中除做主体成分外,还常以添加物成分加入合金中,其主要作用是:降低合金性能对烧结温度和时间的敏感性,或者说,使合金磁力(Hc)和硬度(HRA)合格的烧结温度和时间的范围增大,抑制烧结时碳化物晶粒长大;改变相组成,提高合金耐热性,添加剂能使WC-Co合金二相区变宽,减小碳对合金性能影响的敏感性;提高合金月牙洼磨损,减少刀瘤,改善断屑性能等。

 

    VC

    从百度百科词条对于碳酸亚乙烯酯(VC)的解释是这样的: 碳酸亚乙烯酯,VC分子量:86.05;分子式:C3 H 2 O 3;;熔 点: 19 -22 ℃;沸 点: 165 ℃;硬度:HV2900。

    VC在硬质合金中的应用:VC是一种难熔金属化合物,在硬质合金的粉末冶金生产时适量添加可使材料的韧性提高。

    VC加入锂离子电解液中,可改善负极SEI膜的成膜特性,改善电池循环性能。

    VVC主要作用:VC在合金中除做主体成分外,还常以添加物成分加入合金中,其主要作用是:降低合金性能对烧结温度和时间的敏感性,或者说,使合金磁力(Hc)和硬度(HRA)合格的烧结温度和时间的范围增大,抑制烧结时碳化物晶粒长大;改变相组成,提高合金耐热性,添加剂能使WC-Co合金二相区变宽,减小碳对合金性能影响的敏感性;提高合金月牙洼磨损,减少刀瘤,改善断屑性能等。

    VC在合金中以添加剂物成分加入时,其添加的量的多少应因不同基体合金成分的不同而不同,由于VC的存在可导致合金粉末的压缩性能下降,随VC含量的增大,压坯密度下降的幅度有下降的趋势。

    VC在硬质合金粉末中的存在能明显地影响粉末的压制过程,加入VC后会使密度降低,由于VC的密度(HV2900)比WC(hv2350)高,VC溶入WC后形成复式碳化物的硬度也比WC的高,加入VC后的密度下降现象说明:经长时间高能球磨后VC溶入WC的颗粒内或成极薄层均匀分布于WC颗粒周围,使颗粒表面硬度升高,从而影响粉末压缩性能下降。粉末压缩性能的下降取决于VC的含量,当VC含量下降到一定范围内变动时,压坯密度的下降幅度非常接近,当VC含量增大到一定量时,在高压制压力区,压坯密度的下降幅度更大一些,压坯密度这种随VC含量的增大呈二阶段式的、出现平台下降现象可能与VC含量少,尚未形成连续的VC薄层时的下降幅度不同于形成薄层后的下降幅度有关。

    VC在合金中的另一种作用是以抑制剂的形式出现,抑制剂能有效地阻止WC晶粒在烧结过程中的长大。在粉末冶金中众多的抑制剂(Cr3C2、NbC、TaC)中以VC的抑制效果最好。


    TiN
对粘结金属的湿润性差,所得合金孔隙度高,抗弯强度低。但具有抗热震、抗热疲劳和极好的抗月牙洼磨损等性能。
    以WC-TiC-TiN取代WC-TiC-TaC制成的合金按其抗弯强度和抗氧化性可与含TaC合金相匹敌。
    在TiC基合金中加入TiN使其强度得到明显提高。

    
自1923年硬质合金的发明始起致其近代工具材料的应用及发展使人类改造自然的效率成倍,发社会生产发展作出了卓绝的贡献。短短几十年的硬质合金发展,其触角已经伸到世界经济的各个领域,已成为现代社会和新技术领域不可缺少的工具材料。

硬质合金成分演变和发展历程

WC碳化钨基烧结硬质合金成分发展演变历程

无WC碳化钨基烧结硬质合金成分发展演变历程

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,Fe

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涂层

1957~1970

TiC-Mo2C混合物-Ni,Mo

1967~1970

亚微细WC-Co

1968~1970

(Ti-Mo)C固溶体-Ni,Mo,Cr

1974~1977

多晶金刚石涂层覆层的WC基合金

1969~1970

TiC-TiN-Ni

1973~1978

复碳化物,碳氮化物-氮化物以及碳化物-碳氮化物-氮化物-氧化物复合涂层

1968

TiC-AI3O2

1976~1979

添加Ru复杂硬质合金

1972~1975

TiC-TaN-Ni

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