硬质合金-05.ppt
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1、,第四章 如何改善硬质合金的性能,第一节 改善硬质合金性能的途径,一、提高原材料的质量 1提高原材料的纯度 据认为,含量在200PPm以下的Na、Li、B、F、A1、P、K等微量元素对N粉的还原、碳化和硬质合金的烧结均有不同程度的影响,而对合金性能和组织结构的影响也很值得研究。 高强度,高冲击韧性的合金(如矿用合金和铣削刀具)要求高, 冲击载荷不大但要求加工精度高的连续切削刀具合金则对原料纯度的要求不大高。 2控制原料的粒度及其分布 防止缺陷:应避免碳化物或钴粉原料中出现过大的颗粒,防止合金在烧结时生成粗大碳化物晶粒和钴池。 优化性能:同时控制原料的粒度与粒度组成,以满足不同产品的需要。如切削
2、工具应选用费氏粒度小于2微米的碳化钨粉,耐磨工具应选用2-3微米的碳化钨粉,而矿山工具则应当选用大于3微米的碳化钨粉。 分级: 英国Hurex公司生产的钨粉及碳化钨粉均按Fsss粒度分为6级; 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0.52微米。,超细晶粒合金: 碳化物晶粒度小于1m,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
3、同成分或不同粒度的混合料混和在一起制成的在显微组织上或成分不均匀的特殊品种的硬质合金,它往往兼有粗晶粒合金的高韧性和细晶粒合金的高耐磨性,或兼有高钴合金的高韧性和低钴合金的高耐磨性。 超结构合金 通过特殊生产工艺使合金的组织由那些富钴的金属脉连结起来的定向不等轴碳化钨单晶薄片区域组成,这种合金在遭受反复压缩冲击时有突出的耐磨性和极高的耐用度。 梯度合金: 成分有梯度变化的合金,导致硬度、韧性呈现梯度变化,二、改善合金的组织结构,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、M
4、O2C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。 粘结相 常用钴如添加合金元素,添加某些超细的惰性氧化物来强化粘结相; 采用Ni,Fe或其他金属来取代钴作粘结相,单独以Ni和Fe作粘结剂。在对硬质相的润湿性、对硬质相的溶解度等方面有不一定理想 合金粘结相。FeCoNi合金 、(Fe、Ni)合金、CraC2(Ni,p)作粘结相的硬质合金,以铜合金、NiMO合金,NbCo合金,NbNi合金等作粘结剂的硬质合金 由于钴具有良好的综合性能,它对硬质合金,特别是碳化钨为基的硬质合金,还是效果最好
5、的粘结金属。,三、改进或选用新的硬质相及粘结相,其它方法,四、表面硬化处理:解决硬质合金的耐磨性与韧性,硬度与强度之间的矛盾, 涂层:以物理或化学的方法在韧性较好的硬质合金的表面沉积一层TiC或TiN以增加合金的耐磨性, 渗硼、氮化、电火花堆敷等目前发展最迅速的是涂层硬质合金。 五、添加元素或化合物 方法:添加高熔点金属或其化合物,稀有金属或其碳化物,稀土金属或其氧化物,以及其他金属或惰性氧化物。 作用:在于减少合金中的孔隙与夹杂,改善合金的烧结性能,细化合金的组织,强化合金的粘结相,改善合金中硬质相与粘结相的结合特性。 六、硬质合金的热处理 强化粘结相、细化晶粒 强度本质:硬质化合物和粘结金
6、属所组成的一种特殊复合材料,硬质合金的韧性主要是由粘结相所赋与的,而耐磨性则主要由碳化物相赋与。 ,WcCo硬质合金的热处理是一项值得注意和应用的新技术,它可明显地改善合金的强度和韧性,使硬质合金工具的使用寿命成倍地增长。,第二节 硬质合金的表面硬化,一表面涂层技术概述,涂层的目的: 切削刀具必须满足二方面的要求表面的和整体的要求。 刀具表面必须能耐磨和抗崩刃,而整体又必须是韧性的,能阻止在表面发生裂纹。 发展由韧性硬质基体和耐磨涂层所构成的复合刀具 涂层硬质合金的发展阶段: 第一代涂层刀片的基体均选用常用的硬质合金;涂层材料为TiC及部分TiN。 第二代涂层刀片的基体除了用常用的硬质合金外,
7、还有部分特殊基体;涂层材料为TiC、Ti(C、N)、HfN、A12O3及双、三涂层。 第三代涂层刀片广泛采用适宜性能的特殊基体,涂层往往由多层作用不同的细晶粒的薄层组成。,目前的涂层已能大大改善硬质合金的质量,能使切削速度提高一个数量级,刀具寿命延长1-5倍。现在,涂层除了用在刀具上外,还可用于冲头和模具。,涂层刀具的作用,(1) 热障壁作用。因为潦层材料(如TiC)有较低的导热性,所以能阻碍切削产生的热进入刀具内部。据测定。涂层使刀具温度降低的程度相当于冷却剂效果的10-15%。 (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
8、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1015%,切削温度可降低65(V切削=50米分时)和115(V切削=200米分时)。 (5) 时效作用。当涂层被磨掉后,刀片仍有较好的耐磨性,这就是涂层的时效作用,其原因是涂层下有一受涂复影响的耐磨性较好的过渡层,而且在切削的高温下,涂层材料(如TiC
9、)会发生变形并移向月牙洼底部,保持月牙洼区域的耐磨性。,由于涂层所引起的这些作用大大改善了刀片的抗磨损能力,所以涂层刀片与非涂层刀片相比具有如下的特点 (1) 通用性好; (2) 可改善工件切削表面精度; (3) 在相同的工具寿命下提高切削速度; (4) 在相同的切削速度下显著提高工具寿命;,涂层刀具的特点,1CVD法原理 CVD法是目前硬质合金涂层的主要方法。在CVD法中,将待涂复的硬质合金放入常压或负压的加热室中加热,然后通入化合物蒸气和反应气体,使之在被涂复物表面上反应而生成所需的涂层。以沉积碳化钛、氮化钛和氧化铝为例:,二化学蒸气沉积(CVD)涂层,金属源:金属的卤化物 非金属源:C源
10、甲烷,丙烷,四氯化碳,甲苯等。 N源N2,NH3, B源BCl3 O源CO2 H2,因为氢具有很强的还原力,所以能还原被涂复表面的氧化物,改善涂层与基体的粘附能力,并且,在某些情况下还能显著降低卤化物的分解温度。,许多化学气相沉积反应都能通过气相均匀发生,但却生成不希望出现的粉末,而不是涂层。,金属与合金涂层的沉积条件,化合物涂层的沉积条件,气相沉积系统示意,带中间层的碳化物沉积,带中间层碳化物沉积是指在硬质合金表面上沉积一中间层材料,再在其上面沉积碳化物。 目的:改善碳化物涂层与基体的粘附强度 避免产生相的反应,出现脆性层和显微孔隙 中间层材料的要求: 沉积温度下不熔化,并且不与基体材料或涂
11、层材料形成液相 可进行气相沉积 热膨胀系数与基体和涂层接近,最好介于两者之间 有适当的延性可松弛因热膨胀引起的应力 在最终产品使用温度下有良好的硬度和强度 中间层材料 金属;V, Nb, Ta, Cr, Mo, Ti, Zr, Hf, 氮化物:TiN, ZrN, HfN 厚度:小于5m (涂层厚度210m),中间层气相沉积系统,涂层反应:TiNVN, TiCTiN,固溶体沉积,涂层颜色比较:通过比较固溶体的颜色可以识别其大体的碳含量,即碳化钛含量。 黄 色: 表示其碳化钛含量低, 金红色: 当TiN:TiC为4:I时, 紫色深蓝色: 碳化钛含量的增加,(1)发展重荷和铣削用的涂层合金 目前涂层
12、刀片在铣削条件下使用效果不太好,其主要原因是抗机械震动和抗热振性较差。如能克服这一缺点,涂层刀片将获得更广泛应用。 (2)发展低温CVD和中温CVD法 一般CVD法多在1000左右的高温下进行,易生成相和破坏基体韧性。而低温CVD一般在650以下进行,可以避免高温引起的涂层张应力和涂层与基体界面上相的形成。 中温CVD一般在700900下进行,以乙腈为含碳气体原料,沉积出Ti(C,H)涂层。 由于此法沉积温度较低,涂层生长快,沉积时间短,所以相大大减少,刀片韧性好,抗冲击性好,耐磨性也不比高温CVD涂层差。 (3)发展组合涂层和固溶体涂层 早期只进行单层TiC或TiN涂层,但很快发展到TiCT
13、iN积层涂层,甚至三层涂层,比如由TiC(或Ti(C,N)及A12O3组成的复合涂层。由于组合涂层能分别以不同的涂层材料来满足抗磨损性能,与基体结合性能等不同的要求,故能获得比单一涂层好得多的性能。 (4),发展氧化物涂层 氧化物涂层常用在陶瓷工具经常使用但有容易崩刃和破损的场合,其工具寿命可比陶瓷长34倍。英国可乐满厂研制了里层为TiC,外层为A12O3的涂层,美国材料技术公司也研制了铝与钛氧化物共沉积的涂层。,3CVD涂层的发展方向,物理气相沉积(PVD),CVD与PVD的比较: CVD的缺点: CVD涂层要在1000左右的高温下进行,容易损害基体材料韵纫织与性能; 难以避免基体与涂层件的
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