硬质合金-06.ppt
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1、,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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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。
14、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.
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
16、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
17、(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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
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