硬质合金－06.ppt

,第五章 硬质合金各论,第一节 WC-Co硬质合金,1、基本特点 (1) Co角有一个W和C在钴中的固溶体相单相区。 (2) 沿Co-WC线可以把界面分为两个区域，CoWC线左上方是三相区+WC+C和狭窄的两相区+C；右下方是由、WC、W2C、W和三元化合物l、2、K相组成的多个相区。 (3) 两个三相区+WC+C和WC1被一个狭窄的两相区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：由图可知，此两相区是以WC边线上的WC处为顶点；向Co角张开的三角形，说明合全中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WC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。 （4） 碳量在CoWC线之上时，合金组织中便会出现第三相石墨。说明WCCo合金正常组织WC的碳量要低于其理论碳含量。 （5） 在W角附近有几种标记的三元化合物l、2、和k相，这些化合物的通式可写成CoxWyCz。它们不是正常价化合物，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。,等温截面的特点,中间相的成分与特点,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1相，因为它会降低合金的机械性能和使用效果。 许多研究结果表明，WCCo合金两相区的高碳边界与CoWC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)6.12500735%×Co(重量),2、两相区WC+,W-C-Co系中的单相区是指碳和钨在钻中的固溶体区。如图193所示，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2倍，即从WC+高碳边界处94(重量)增加到两相区WC+低碳边界处的18.4(重量)。 许多研究表明，钴相中钨的含量既影响钴相性质，也影响合金的性质。因此，为了制取高质量的硬质合金，不仅应避免1相和石墨的出现，还应该控制好钴相中的钨含量。,3、单相区,WC-Co合金正常组织为两相合金。如图5-4所示，多角形白色WC相与黑色部分的Co粘结相。当合金碳量不足时，会出现一种脱碳组织W3Co3C，常称l相，这种相性脆，使合金强度明显下降；而当合金碳量偏高时，则会出现石墨，合金中的石墨可近以地看成孔隙，其有害作用比1相小。因此在控制合金碳量时，宁可稍为偏高，允许少量石墨存在，也不准许出现l相。,二、WC-Co合金的组织,高钴合金既不出现石墨也不出现1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合金的组织要求与成分,1、矫顽磁力 由于硬质合金中的粘结相是铁磁性物质，因而使合金具有一定的磁性，矫顽磁力可用来控制合金的组织，是生产厂的一项内控指际。 WC-Co合主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。反之，则矫顽力降低。因此，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，钻相中钨含量增大，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。 2、磁饱和 合金试样在碰场中，随着外加磁场的增加，合金的磁感应强度也增加，当磁场强度达到一定值时，磁感应强度不再增加，即合金已经达到磁饱和了。合金磁饱和值只与合金合钻量有关，而与合金中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l相,YG合金的物理性质,3、弹性模量 由于碳化钨具有较高的弹性模量值，因此，WCCo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。 随着使用温度的升高，合金弹性模量会降低。 4、导热率 为了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。WCCo合金有较高的导热率，约为0.140.21卡厘米·度·秒， 导热率一般只与合金钴含量有关，随钴含量的降低而提高。 5、热膨胀系数 WCCo合金的线膨胀系数随含钴量的增加而增大。但合金的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。对于强度低的合金，则更为突出。,YG合金的物理性质,4、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。如当工业WCCo合主的钴含量从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1.52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、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l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，800时的硬度只有室温时的一半。通常，低钴细晶粒合金在高温下能保持较高的硬度，但当使用温度达到1200时，合金硬度值很低，而且各种牌号合金的硬度值几乎没有什么差别。,5、抗弯强度 同硬度一样，抗弯强度是硬质合金的一项主要性质。影响合金抗弯强度的因素多而复杂，凡影响合金成分，组织及试样状态的各种因素，均可导致抗弯强度值的改变。 一般来说，合金抗弯强度随钴量的增多而提高。但钴量超过25%以后，抗弯强度反而随钴量的增多而下降。就工业生产的WCCo合金而言，在025钴含量范围内，合金抗弯强度总是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；但中等钴含量(1015)合金的抗弯强度较为特殊。在此范围内，要制取最高强度的合金，钴含量和碳化钨晶粒度以及碳含量之间要有适当的配合。 断裂力学研究表明，合金渗碳，脱碳及孔洞、裂纹等现为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，这是由于合金中钴相强度下降所造成的。实践表明：低钴合金抗弯强度随温度升高而降低的程度较小， 而高钻合金却较大。因此，当试验温度达到800时，YG6合主的抗芎强度可以接近芒至超过YG20合金的抗弯强度。,6、抗压强度 合金的抗压强度是表示抵抗压缩负荷的能力。WCCo合全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。 7、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。WCCo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合量的粗晶粒合金，如YGllC，YG8C等。 8、弹性模量 由于碳化钨具有较高的弹性模量值，因此，WCCo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。 随着使用温度的升高，合金弹性模量会降低。,制取WCCo合金并不十分困难，但要获得优质产品却不容易。要制取优质WCCo合金，必须严格控制一下三点： 1、控制好合金的碳含量 在现有的各类硬质合金中，WCCo合金的组织和性能对碳量最为敏感，特别是低钴细晶粒合全更为突出。因此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，任何随意改变都是不允许的，这样才能保证最终合金含碳量的稳定性，从而有可能获得优质产品。 2、控制好合金的组织结构 由于碳量的严格控制，合金中不出现第三相或只有微量石墨的情况下，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，并经球磨以后的钴相分布均匀，这样才能获得组织均匀，晶粒度符合要求的合金。要制取扰质的细品粒合金，进一步使碳化钨制得细碳化钨粉末外，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，此外，还可以采用真空烧结，以利于获得细晶粒合金。 3、严格控制好生产过程的工艺参数 现代硬质合金工厂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。,四、生产工艺特点,第二节 WC-TaC(NbC)-Co硬质合金,WC-Co合金主要用于矿山工具、耐磨零件，以及铸铁及有色金属的加工工具。加入少量(低于5)TaC(NbC)以后，WCTaC(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。 一、WCTaC(NbC)-Co合金的组织 WCTaC(NbC)Co仍然是一种碳化钨基合金，上一节中所叙述的一些基础理论之十仍然适用。所不同的是在WCTaC(HbC)Co合金中出现了一个以TaC(NbC)为基的新的固溶体相(TaCWC或NbCWC)。 碳化钽（碳化铌)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。通常在烧结温度下，WC在TaC(NbC)中的溶解度约为10(重量)，而且随温度的降低而降低。因此，WCTaC(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。 合金中的石墨或相属于非正常组织。 这类合金均为细晶粒合金。,二、WCTaC(NbC)Co合金的性质 1、比重： 由于碳化钽的比重(14.3克厘米3)和碳化铌的比重(7.6克1厘米3)均比碳化钨比重(15.6克厘米3)低，因此，同钴含量的WCTaC(NbC)Co合金比重比WCCo合金低，而且随着TaC(NbC)添加量的增加，合金比重下降愈多。碳含量的增加特会使WCTaC(NbC)Co合金的比重下降。 2、硬度： 添加少量碳化钽(碳化铌)可以抑制碳化钨晶粒烧结时的长大，使合金晶粒细化，这样就提高了WCTaC(HbC)Co合金的硬度。有时在生产YG3X合金时，为了保证合金有细的晶粒和高的硬度，也往往采用上述原理，加入0.5TaC以保证产品质量，含碳量的增加会使合金的硬度连续下降。 3、抗弯强度： WCTaCCo合金抗弯强度较同钴量的WCCo合金略有降低；添加NbC的WCNbCCo合金则更为显著。这主要是因为铌在钴中的溶解度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。此外，加碳化铌的合金比加碳化钽的合金晶粒更细，这也是WC-NbCCo合金强度较低的一个原因。含碳量对WCTaC(NbC)-Co合金强度的影响与WCCo类似，即缺碳和过剩碳都会使合金强度降低，而在正常组织的含碳区域内，合金有最大的强度值。 4、高温性能： 添加TaC(HbC)的合金比VCC。合金有较高的高温性能，而对其他性能影响不大。,添加TaC的合金有较高的强度，而添加NbC的合金硬度较高。因而，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WCTaC(NbC)Co合金。,WCTiCCo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。,第三节 WC-TiC-Co硬质合金,从理论上讲，WC-TiC-Co状态图应该是W-Ti-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。 WCTiCCo状态图在1350的等温截面(图195)比较简单，只有三个相区：一个单相区(固溶体)，一个两相区(TiW)C+和一个三相区(TiW)C+WC+。因此，正常的WCTiCCo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WCTiCCo合金，碳化钨不能完全进入钛相(TiW)C，从而称为三相合金；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。,相图分析,WCTiCCo合金的烧结及其组织形成过程比WCCo合金复杂。 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+ 、Co 、(TiW)C+二元共晶、WC（TiW）C+、WC+C等三元共晶。而在两相合金的烧结体中，一般不会有WC+二元共晶及WC+(TiW)C+，WC+C三元共晶存在。,二、WCTiCCo合金的正常组织,a是三相WCTiCCo合金YTl5的金相显微组织照片，从照片中可以很容易地将WC相与(TiW)C区别开来，其中，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，两者形状的差别主要是由于表面张力大小不同而造成的，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。此外，在显微镜下观察发现；WC相呈白亮晶粒，而（TiW)C相颜色较深，呈灰白色晶粒。 两相的WCTiCCo合金YT30的纽织示于图b，从中可以看出，合金中基本上没有WC相。,显微组织,与WCCo合金类似，在碳量不适当时，合金中也会出现石墨或1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。 1、环形结构 在WC-TiC-Co合金磨片上有时可观察到，在(TiW)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(TiW)C固溶体；外层(壳层)部分是含碳化钨量较高的(TiW）C固溶体。由WC+TiC+Co混合料烧制合金时，最容易产生环形结构。预先制取(TiW)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。 WCTiCCo合金中出现环形结构，使合金的强度和韧性降低。因此， 应避免它的出现。近来，发现某些环形结构能成倍提高合金的耐磨性。但生产上还未利用这一点来提高合金的耐磨性。,三、WCTiCCo合金的非正常组织,实践表明，采用在烧结温度下能被碳比钨咆和的固落体作混合料组分时，往往在合金中会出现针状碳化物或粗大片状碳化物，在提高烧结温度返烧以后，这种碳化物就可以消失，使合金组织正常。曾经有人认为这种碳比物是碳化钨，但是最近的研究表明，这种碳化物不是单纯的碳化钨，而可能是一种TiCWC固溶体，其成分与基体固溶体不同。 粗晶碳化物的出现使合金强度显著下降，采用较高的烧结温室等措施可以防止粗晶碳化物的出现。,2、粗晶粒碳化物的析出,3、矫顽磁力 如前所述，钴相的分散程度愈高，合金的矫顽磁力值愈大。在WCTiC-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；合金中合钴量低，碳化物相的晶粒度细，使钴相分散程度增高，因而陵矫顽磁力增大。 在两相的WC-TiCCo合金中，矫顽力值由钴含量和钛相的晶粒度决定，但是与合钴量(重量)和碳化物相晶粒度相同的WCCo合金比较，由于碳化钛比重低，钴所占的体积比小，分散程度就高，四而其矫顽磁力也较高。例如YT30合金的矫顽磁力就比YO4合金高。 在三相的WC-TiCCo合金中，除含钻量外，矫顽磁力值由两个碳化物相的相对含量及其晶粒度共同决定。碳化钛含量低的合金，其变化规律接近WCCo合金；碳化钛含量高的合金则接近于两相的WCTiC-Co合金。 含碳量的影响与WC-Co合金相似，在严重缺碳的WCTiCCo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。,3、硬度 由于碳化钛的硬度比碳化钨高，因而使WCTiC-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。但合金的硬度的减少和碳化钛含量增多都会使合金硬度升高。 但合金的硬度并不与碳化钛的含量成比例增大，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。 （TiW）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(如TiC：WC=29：71)。制得的WC-TiC-Co合金硬度较低。 含碳量对WCTiC-Co合金硬度的影响与WCCo合金相似，即随着合碳量的增加，合金 的硬度降低。 由于WCTiC-Co合金中合有TiCWC固溶体，使合金强化，因而在高温下软化较慢。因此WCTiC-Co合金的高温硬度比WCCo合金高。,4，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WCTiCCo合金强度的因素较多。 首先是成分，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WCCo合金类似。 其次是合金的晶粒度，对于三相合金，由于(TiW)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WCCo合金类似)；而在两相合金中，(Tiw)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TiCWC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。 此外，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。 WCTiCCo合金的抗弯强度随温度升高而降低的程度要比WCCo合金小，特别是两相合金，即使工作温度达到1000，而抗弯强度几乎不降低，这是由于硬质合金的高温强度主要取决于跋化骨架的强度，而碳化物固溶体使合金的碳化物骨架得到了强化。,5、其他性质 WC-TiC-Co。合金的冲击韧性、抗压强度、弹性模量均比WCCo合金低。因此TiCCo合金低。因此WC-TiCCo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。 WCTiCCo合金导热率比WCCo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。 WCTiCCo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WCTiCCo合金的强度比WCCo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。,性能较高的WCTiC-Co合金的含碳量低于理论值，这一点与WC-Co合金相似，但由于合金中含有一定数量的碳比钛，同时碳化钛的含碳量高达20.05，团而使WCTiCCo合金含碳量提高，这样使合金组织随碳量的敏感程度降低，也就是说，同WC-Co合金相比，WCTiC-Co合金出现脱碳相或石墨的可能世要小一些。 在生产WC-TiCCo合金时，所加入的碳化钛应该制备成固溶体的形式加入， 以防止出现环形结构等组织缺陷，以保证合主有较高的性能。在生产上，还应根据不同牌号的使用性能要求，制备出不同成分的固溶体。通常除两相合金外，都采用末饱和态固溶体，以防止烧结过程中碳化物析出。 由于碳化钛硬度高，因而使含有(WTi)C固溶体粉末的混合料粒硬度高，其压制性比WCCo合金混合料差，较易损坏模具。但是由于WC-TiCCo合金通常都是用来制造切削刀片，形状比较简单，因此，稍差的压制性并不多大影响。 如前所述，由于真空烧结可以使合金性能明显提高，因此，国内外绝大多数厂家都呈采用真空烧结来生产WCTiCCo硬质合金。,五、生产工艺特点,第四节 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。,一、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(TiW)C；而在WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中，固溶体相是(TiWTa/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(TiWTa/Nb)C+二相合金，一种是(TiWTa/Nb)C+WC+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、(TiWa/Nb)C+共晶和(TiWTa/Nb)C+C三元共晶存在；在三相还应该有WC+共晶和(TiWTa/Nb)C+WC+共晶存在。,金相显微镜观察表明，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中的(TiWTa/Nb)C相同(TiW)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。,工业WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的成分及性质见表。由此可看出，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的基本性质与WC-TiC-Co合金差别并不大。,二、WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的成分及性质,1、比重 WC-TiC-TC(HbC)-Co。合金的比重也可以近各种成分的含量，用加和法计算。从理论上说，着重计算方法是不合理的，但实际上误差并不大。比重数据的波动，往往还是由于化学成分的波动所造成的。 2、硬度 与WC-Co合金和WC-TiC-TaC(NbC)-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，VCTiC-TaC(NbC)Co合盒的硬度并不比WC-TiC-Co合金高； 而当合金中碳化钛含量一定时，在合金中加入TaC(NbC)可以稍甜提高合金的硬度，这主要是由于固溶休相体积增加，以及碳化物相晶粒变细所致。 由于这类合金成分更为复杂，合金碳化物骨架更为强化，因而WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金比WC-TiC-Co合金具有更高的高温硬度。,3、抗弯强度 抗弯强度随合金钴含量的增加而提高这一规律，仍然适用于这一类合金。 此外对于两相(TiWTa.Nb)C+合金，抗弯强度随固溶体相中TaC含量的增大而升高，这是由于TsC(NbC)能改善固溶体相对粘结相的润湿性，以及减少固溶体体积所致； 对于三相WC+(TiWTa/Nb)C+合金，强度则是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（TiWTa）固溶体中，用30%NbC取代TaC却不会降低合金的性质，因此，使用品位较低的NbC部分代替TaC，仍可制得性质优良的合金。 预先制成WC-TiC-TaC(NbC)-Co固溶体比单独添加TaC(NbC)所得到(TiWTa/Nb)C相成分均匀性要好些，因而使合金强度和硬度都较高些。 WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的生产工艺特点与WC-TiC- Co合金类似。,第五节 碳化钛基硬质合金,一、Ti-Ni-C三元系 1、水平截面 由图可知，在Ti-Ni-C系中没有三元化合物存在，浓度三角形的大部分区域都按TiC+C+相区占住，它是在1270下由共晶反应产生的。 液TiC+C 共晶成分大约是8.6%(分子)TiC1.0。两相区+相(TiC)接近镍角区，稍偏向Ni-Ti边线，两相区右下方与TiC+TiNi3相连。尽管Ti-Ni-C三元系的相区虽多，但在硬质合金生产中，只需注意TiC+两相区及其毗邻的两个三相区就够了。,2、NiTiCx（x1)垂直截面 缺碳的Ni-TiCx伪二元状态图 用缺碳的TiC(18.28%化合碳，0.75%游离碳)作出的Ni-TiCx状态图如图所示。共晶反映(液TiC+)的温度是1280，共晶成分是9.2%(分子)TiC或为9.3(重量)TiC。TiC在管Ni中的溶解度随温度降低而减少。 数值如下： 温度() 1280 1250 1050 900 700 TiC wt% 6.2 5.2 3.8 2.5 2.0 此系合金的烧结过程与WC-Co合金类似。,二、TiC-Mo-Ni系 由于镍对碳化钛的润湿性较差，因此TiC-Ni合金的性能较低，引入钼后，改善了粘结相对碳化物的润湿性，使碳化钛基硬质合金性能有了大幅度的提高。然而在钼的参与下，碳化钛基硬质合金的烧结及其组织结构的形成过程要复杂得多。 钼是四、五、六族元素中最容易碳化的金属，当温度超过500就开始形成碳化二钼(Mo2C)。由于在烧结体中总有游离碳存在，因此在烧结初期会生产Mo2C。Mo2C量增多，当温度升至1000以上时，钼几乎完全转变为Mo2C，与此同时Mo2C还不断溶解于碳化钛中，由于Mo2C在TiC中的溶解可达90，所以在1100以上，Mo2C就会全部进入TiC中，形成TiC-Mo2C固落体，俗称中间相。另外，钼还可以少量地进入粘结相中。,三、碳化钛基硬质合金的正常组织 TiC-Mo-Ni合金在烧结时形成Mo2C，并在TiC晶粒上由表及里扩散，形成了不平衡的TiC-Mo2C固溶体，得到一种环形结构晶粒。这种晶粒外壳钼量高、钛量低，而重心部位缺钼或低钼，钛量则较高。这种TiC-Mo2C中间相晶粒结构与WC-TiC-Co合金中的环形结构类似。由于这种结构形成，镍相对TiC-Mo2C润湿性改善，避免了镍相与碳化钛的直接接触，使合金性能有了突破性的提高。因此，在碳化钛基合金中，这种环形结构就是合金的正常组织。 在碳化钛基合金中加入少量碳化钨(低于15%)时，由于能形成未饱和态的TiC-WC固溶体，因此，即使是单独碳化钨形态加入，合金组织也不存在碳化钨相。 碳化钽、碳化铌与碳化钛形成连续固溶体，因此添加少量碳化铌或碳化钽也不会改变合金的相数。,含碳化钨、碳化铌的YN10合金的组织照片。显然，合金组织由镍相和环形结构的碳化物相所组成。,四、碳化钛的非正常组织 碳化钛合金的非正常组织主要表现为片板状固溶体晶粒及碳和脱碳固溶体。 当混合料不均匀，致使Mo2C分布不均匀，烧结温度过高或时间过长时，将导致合金中中间相的分布不均匀长大，形成图板状粒晶粒碳化物组织。 由于TiC-Mo2C的性质差，过分多的中间相出现，会使合金机械性能明显下降，生产上应极力避免这种片状粗大碳化物的出现。,上述各类合金类似，碳化钛基合金正常两相区碳量也有一个范围。当合金碳含量高于两相区的高碳边界时，合金中便出现石墨；当碳含量低于两相区的低碳边界时，合金中便出现缺碳相。 以YN10合金为例，在一般情况下，当合金的碳含量在其理论碳含量的96%以上时，就可以在合金中发现游离石墨。 石墨的形态与合金的烧结条件，碳量过剩程度有关。 正常组织的碳化钛基合金中碳量低于理论量，以YN10合金为例，最佳合金性能的碳量范围为理论量的9496%。但是在低于94%理论值的较大范围内，合金中并未出现脱碳相，往往要低于90%或更低的碳量时，才可以观察到类似于WC-Co合金中相那样的脱碳组织，严重缺碳相用铁氰化钾碱性溶液浸蚀显棕黄色。碳化钛合金出现脱碳相组织的这种不敏感性，除其碳化钛含量高外，还与碳化钛有较宽的碳量范围有关。,碳量与组织的关系,碳化钛硬质合金YN10的性质与其含碳量的关系如图所示。当合金的含碳量为理论量的9496时，合金有最大的强度和硬度值，显然，合金中新相的出现会明显降低合金的性能。,如前所述，碳化钛基合金组织对碳量不够敏感，但是合金的性质对碳量却是很敏感的，因此，对合金的含碳量控制仍然是十分重要的，而且不能象对待碳化钨基合金那样，仅满足于合金组织中不出现石墨或脱碳相，而是应该依靠化学分析和合金适用性质来全面衡量合金质量的优劣。 与碳化钨基合金相比，采用真空烧结对提高碳化钛基合金的质量十分有利。尽管氢气烧结也可以获得致密的碳化钛基合金，但合金的纯度低，含氧高，化合碳低，低倍组织缺陷多，烧结温度高，因而使合金性能差。只有采用真空烧结，才能确保合金的高性能。 由于碳化钛基合金在烧结过程中有生成Mo2C的反应，有Mo2C通过固相扩散形成环形结构碳化物的过程，以及碳氧反映所生成的一氧化碳气体需要在液相出现前排除出烧结体外等其他过程，这些都需要在固相烧结阶段完成。因此，烧结时宜采用较慢的升温速度，以使上述诸过程有足够的时间进行。另外；为了防止生成片板状粗晶碳化物，必须严格控制湿磨工艺制度及烧结温度，通常湿磨工艺制度及烧结温度，湿磨时间不应低于72小时；烧结温度一般采用1380，保温90- 20分钟。,六、碳化钛基合金生产工艺特点,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。我国于六十年代开始研制这种材料，目前已广泛用于模具、耐磨零件、耐腐蚀零件及矿山工具等。,第六节 钢结硬质合金,Ti-C-Fe三元系的水平截面比较复杂，而且不如W-C-Co系那样具有实际意义。TiC-Fe伪二元系状态图，是TiC-C-Fe系的一个垂直截面。显然，TiC-Fe是典型的具有有限溶解度的共晶状态图，共晶温度为1460，共晶成分为38%(重量)TiC，TiC溶于Fe中提高了-Fe转变为-Fe的温度，并在920%下发生包析反应：-Fe(0.04% TiC) +TiC-Fe(0.15%TiC)。 在共晶温度下，TiC在-Fe中的溶解度不超过0.6%。TiC在-Fe中的溶解度则更小，在920时为0.15%，在800下为0.09%，在760下降到0.04%以下，显然在室温下，Fe中几乎没有TiC；同时可以看出，无论在-Fe中还是在-Fe中，TiC的溶解度都很小，而且随温度的下降迅速减小。 TiC-Fe过共晶合金的烧结过程与WC-Co合金基本相似，但有如下差别：一是TiC在Fe中的溶解度小，因此常把TiC视为惰性相；二是TiC-Fe系的共晶温度比WC-Co系高得多；三是在9200C时有-Fe-Fe的晶型转变。,相图特点,钢结合金的实际成分较为复杂。以GT-35合金为例，合金中除TiC、Fe外，还含有2%左右的铬和钼及0.50.7%的碳。钢结合金的微区分析表明，铬和钼主要分布在碳化物相中。可以推断，在烧结过程中，钼和铬先形成碳化物，然后与碳化钛形成固溶体，这一过程与碳化钛基合金十分相似。 碳在烧结过程中，除用于脱氧和形成铬、钼的碳化物外，还部分溶于铁，溶于铁的这部分碳的行为可按Fe-C平衡图分析。 WC-钢结硬质合金可参照WC-Fe伪二元系。通常这类合金的烧结温度较低，而且对烧结温度的控制要求较严，否则容易造成欠烧或流散。,二、钢结硬质合金的化学成分 钢结合金的品种还在发展之中，随着所用的钢种不同，可以形成各种钢基体的钢结硬质合金，表5-11列出了我国常用几种钢结硬质合金的化学成分。此外，还有高锰钢结合金、高速钢钢结合金、奥氏体不锈钢结合金等。从表可以看出。在GT35中，碳化钛量为25，65为铬钼钢。也就是说，铜结合金是由数量较多的钢基体与硬质的碳化物相所组成。,三、钢结合金的热处理及其组织特点,1、退火 由于钢结合金烧结过程的冷却速度较快，相当于正火状态，因此得到的钢基体为贝氏体组织，硬度高，难以切削加工，必须进行退火处理。一般采用等温退火工艺，退火温度根据临界点而定。表5-13列出了常见几种钢结合金的临界点。对于亚共析钢钢结合金而言，其退火温度为： f退火=Ac3+（50100） (5-2) 而对于过共析钢钢结合金而言，则为 f退火=Ac1+（50100） (5-3) GT35钢结合金等温退火工艺制度如图5-18所示：当合金加热至退火沮度时，钢基体由贝氏体组织转变成奥氏体，怪冷时又发生奥氏体转变为珠光体的过程。由于退火时冷却速度极慢，因而得到较粗的球状珠光体组织。在这种状态下，钢即体硬度下降，从而使整千钢结合金硬度下降。如GT35退火态硬度为HRC35-46，有利于机械加工。,2、淬火 钢结合金的淬火是将其加热到临界点(Ac3或Accm)以上，进行充分奥氏体化，然后急速冷却，使钢基体转变为具有高强度的马氏体组织，从而使合金具有高硬度与高耐磨性。 与钢铁热处理类似，钢结硬质合金淬火处理的依据仍然是奥氏体等温转变曲线图，对于一般工件，广泛采用一次淬火法，而对于尺寸较大的复杂形状工件，为了避免造成工件硬度不均匀，尺寸公差大，甚至产生裂纹等缺陷，往往采用分级淬火法。一次淬火法是将工件奥氏体化后一次淬入油中；而分级淬火法是将工件充分奥氏体化后，先在盐浴中冷却到等温转变图中节余珠光体与贝氏体转变曲线之间“奥氏体湾”外的温度(如510-632)，并保温一段时河，然后淬入油中。,3、回火 淬火后合金的回火可使组织出于稳定状态，还可以消除工件中的内应力。回火后得到的钢基体组织为回火马氏体、回火索氏体。铬钼中合金钢钢结合金，区GT35，其硬度随回火温度的升高而单值下降；而铬、钨、钼、钒含量较高的合金，如R5等，却具有回火二次硬化现象，其硬度峰值出现在500-550；碳化钨系馅钼低合金钢钢结合金也有回火二次硬化现象。 回火工艺条件应恨据钢结合金的牌号及其用途来确定。如GT-35合金，当在磨损条件下工作时，可在较低的温度下回火，以获得较高的硬度与耐磨性；而在承受冲击负荷的条件下工作时，可在较高的温度下回火，以获得较高的强度和韧性。,四、钢结合金的性质 由于钢结合金在不同的热处理状态有不同的组织结构，因此，合金的机械性质也因不同的热处理状态而异，表5-15中列出了几种典型的工具钢筋结合金舶物理机械性质。显然，淬火后钢结合金的硬度接近或稍低于碳化钨基硬质合金的硬度，而高于工具钢的硬度。因此，钢结合金实际上是一种界于工具炯与硬质合金之间的中间材料 .,五、生产工艺特点 钢结硬质合金生产过程的质量控制要比常用硬质合金更为困难。 控制好钢结合金的含碳量仍然是生产中的重要问题。碳含量的高低不仅影响碳化物的性质，而且明显地影响到钢基体的性质，特别是硬度。以GT35合金为例，当原料成分及生产工艺条件稳定时，若适用石蜡作成形剂，合金硬度偏低；如改用橡胶作成形剂，作为由于橡胶增碳量多，而使合金中碳量增高，因而使合金各种热处理状态的硬度都升高。为了获得稳定性能的钢结合金，合金的含碳量必须稳定。影响钢结合金含碳量控制的主要因素是氧含量的波动，这就必须严格控制和选择原料的含