硬质合金-01.ppt
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1、,硬质合金 Hard Alloys Semester B 20072008,绪 论,硬质合金的概念:用粉末冶金法生产的由难熔金属化合物(硬质相) 和粘结金属(粘结相)所构成的复合材料。 硬质合金的基本特点: 1)高硬度、高耐磨性 2)高弹性模量 3)高抗压强度 4)化学稳定性好(耐酸、碱、高温氧化) 5)冲击韧性较低 6)膨胀系数低,导热、导电与铁及其合金相近 硬质合金的应用:现代工具材料、耐磨材料、高温和耐腐蚀材料 曾经引起金属切削加工工业的技术革命,而被看作工具材料发展第三阶段的标志。,硬质合金工具的优点(与合金钢相比): 1、成倍、几十倍甚至上百倍地提高工具寿命。 金属切削加工刀具寿命可
2、提高580倍,量具寿命提高20150倍,模兵寿命提高50一10O倍。 2、成倍、几十倍地提高金属切削速度和地壳钻进速度。 3、提高被加工零件的尺寸精度和表面光洁度。 4、可以加工高速钢难以加工的耐热合金、效合金、特硬铸铁等难加工材料。 5、可以制作某些耐腐蚀或耐高温的耐磨零件,从而提高了某些机械和仪器的精度和寿命。,硬质合金的分类,1 WCCo(钨钻)类合金 : 由碳化钨和钴组成。有时在切削工具(有时也在引伸模具)中加人2以下的其它碳化物(碳化钽、碳化铌、碳化钒等)作为添加剂。 高钴:2030, 中钴:1015,低钴:38 2、WCTiCCo(钨铁钴)类合金 低钛合金:46TiC,9一15Co
3、, 中钦合金:1020 TiC , 68 Co , 高钛合金:2540 TiC ,46 Co 3、WCTiCTaC(NbC)Co类合金 WCTiCCo合金有更好的高温抗氧化性,同时也有较好的扰热震性,因而常常具有较高的刀具寿命。 TiC:5一15,TaC(NbC):210,Co515,余为WC。 4钢结硬质合金 由碳化钨或碳化钛与碳素钢或合金钢组成 5碳化钛基合金 由碳比钛、金属镍和金属鉬或碳化二鉬(Mo2C)组成。镍和鉬的总含量通常为2030。,发展历史,1、起源德国人施律太尔1923,1925发表专利 2、德国克努伯公司1926年生产 3、流传世界各地:,世界著名的硬质合金公司,德国:克努
4、伯公司维迪阿厂 (鲁尔) 美国:通用电气公司、肯纳金属公司、亚当斯碳化物公司 瑞典:山特维克公司 日本:三菱金属矿业公司、东芝坦嘎络依公司(川崎、名古屋、大阪工厂)、住友电气工业公司 英国:山特维克英国公司、美国肯纳金属英国公司 奥地利:普兰西金属工厂(三年一次普兰西国际会议) 中国:株洲硬质合金有限公司、自贡硬质合金有限公司,1、我国的硬质合金从世纪年代起步, 2、世纪年代初期,世界硬质合金年产量在万吨时,我国硬质合金年产量约吨; 3、进入世纪,世界硬质合金年产量达到了万吨,而我国硬质合金产量已经快速增长到万吨,超过世界硬质合金产量的。 4、占据国际市场份额: 年,我国硬质合金年出口量只有吨
5、; 年,出口量已经达到吨; 2007出口量可超过吨,与产量一样同样占世界硬质合金市场流通量的,我国硬质合金产量,我国钨品生产能力、产量统计表(吨),可转位刀片,焊 结 刀 片,园刀片,片材、条材,地 矿 工 具,滚齿刀,模具,耐磨零件,硬质合金产品,硬质合金 生产工艺,现代硬质合金生产工艺,硬质合金原料的生产 盐酸法氧化钨工艺,白钨矿: CaWO4 黑钨矿: (Fe,Mn)WO4,英国伊华德公司碱法工艺,美国西里瓦尼亚电气元件公司烧碱浸取一液液萃取工艺,第一章 混合料的制备,第一节 碳化钨粉末的制备,1、钨粉碳化的工艺流程,2、碳化方法 氢保护碳化(碳化时通氢) 不通氢碳化(以碳化时产生的CO
6、气体保护 ),3、碳化反应原理 氢保护碳化(低温下形成CH4,高温1400裂解成高活性碳与钨反应) 不通氢碳化(以碳化时产生的CO气体保护,氢作为碳的载体,(400),(500600),(1000),二氧化碳作为碳的载体,碳含量与碳化温度的关系,碳化前后粉末物性的变化,4、碳化工艺条件,5、重新碳化工艺条件,6、碳化设备:,第二节 TiCWC复式碳化物的制备,1、工艺流程:,17002000氢保护下碳化,TiCWC复式碳化物是指WC溶解于TiC的固溶 体,成分一般采用在烧结温度下(1480 1560)下的饱和或未饱和固溶体的形式。,2、TiC-WC复式碳化物生成过程的基本原理,过程的反应:,形
7、成固溶体的过程:,相图分析,在生产中采用的固溶体成分范围内,碳量的微小降低不会改变固溶体的相组成, 因为在相图上它有一个较宽的均质区,如图。当炉料炭黑配量严重不足时,碳化钨转变为碳化二钨而发生附加 渗碳,使固镕体中有可能出现碳化二钨或钨。而当碳量稍高于理论配量时(图TiCWC线的上方),则固溶体少便会出现游离碳。 因此在制取TiCWC固溶体时,其炭黑配量总是低于理论值。,固溶体晶格常数分析,当TiCWC团溶体的钛钨比及碳含量发生变化时, 固溶体的晶格常数也随着改变。尤其是固溶体中的碳含量发生波动时,其晶格常 数变化较大。 因此,固溶体的晶格常数基本上不能反映固溶体钛钨比的变化, 因为同一晶格常
8、数的固溶体其钛钨比可以极不相同,反之同一钛钨比 的固溶体,由于其碳量的不平衡,晶格常数也常常改变。只有在生产 条件相对稳定的情况下, 固溶体的晶格常数才能表征其质量的稳定。,碳化工艺条件 与粒度影响因素,1碳化温度: 碳化温度愈高,原子活性愈强,颗粒长大速度愈快,因而颗粒较粗, 反之,则颗粒较细。 2、碳化时间: 碳化时间愈长,颗粒愈粗。反之,时间愈短,则颗粒就愈细。 3原料粉末的粒度 : 固溶体颗粒是在TiC颗粒基础上形成的,TiC颗粒愈细,制得的固溶体颗粒也就愈细。碳化钛颗粒大小又取决于二氧化钛和碳化钨原始颗粒大小。TiO2、WC颗粒细,固溶体颗粒,其它碳化物,工艺过程,基本反应,1、Cr
9、3C2, 1600氢气保护碳化 2、VC, 1800氢气保护碳化 3、ZrC 2300氢气保护碳化 4、HfC 2300氢气保护碳化 5、Mo2C、MoC 14001500氢气保护碳化 6、TaC, NbC 2000-2100氢气保护碳化 Ta2O5 + 7C =2TaC +5CO Nb2O5 + 7C =2NbC +5CO,第3节 金属Co粉的生产,草酸钴沉淀,草酸钴煅烧,氧化钴还原,草酸钴还原,氧化钴还原工艺条件,氧化钴氢还原设备,第四节 混合料的制备,1、过程的目的:将各种碳化物和粘结金属的粉末配制成一定成分,一定粒度的均匀混合物 。 2、方法:湿球磨 3、湿磨液体介质: 要求:与混合料
10、组元不发生显著的化学反应; 沸点较低,在100左右能挥发; 表面张力较小,不使粉末聚团 价廉等, 介质:酒精,(最常用) 汽油,(不氧化、硬化物料,减少合金孔洞,但料浆易沉淀,不易洗涤) 水,(最便宜的,易氧化、结块) 四氯化碳,苯和丙酮等 (有毒、易挥发),湿磨前后的物料,1、单独湿磨WC( 24h) 粒度细化,2、单独湿磨Co(24h) 粒度变大,“冷焊现象”,混合料的湿磨前后变化,YG15混合料钴冷焊现象减少,WC单独湿磨细化程度高 混合料湿磨细化明显,含复合碳化物与钴湿磨96小时后的照片,球磨过程的影响因素,1、球磨筒传速: 临界转速可用下式表示:n临界=42.4D1/2 (rpm,)
11、 D球磨和筒的内径;米。 当实际转速为75%的临界转速时,发生的研磨主要是冲击研磨,此时常用较大的球和较小的填充系数(0.5),球的运动就不会受到阻碍,使研磨效率变低。一般当采用硬质合金球和衬里时,实现滚动研磨的最佳填充系数为0.40.5。 4、球料比 球料比就是球与物料的重量比,其值越大,研磨效宰越高。但球料比过高会减少装料量,反而使生产率下降。一般情况下球料比常取作3:1到5:1,只有在制取极细混合料时,才采用10:1的球料比。 5、液固比 液固比是指一公斤料所加液体的体积(毫升)。液固比过大,使粉末过于分散,研磨效率降低,液固比过小则料浆太稠,球与筒壁发生粘连,下易滚动,效率更低,一般当
12、球料比为2:1时,磨YG料以每公斤加200毫升液体为宜;而磨TY料时,随着混合料中钛含量的提高,液体的加入量也应增加2060%。 6、研磨时间 在一定范围内,延长研磨时间可改善物料混合的均匀程度和碳化物颗粒的粉碎程度,但过份长的湿磨时间反而使磨碎效率降低,并增加碳化物晶粒在烧结时的下均匀长大倾向。一般湿磨时间在1672小时之间。,制备过程与设备,工序:配料湿磨干燥过筛,1、大规模生产振动干燥 小规模电烘箱、蒸汽干燥箱 2、过筛:WC-Co 5080目 WCTiCCo,100120目,第四节 普通模压成形,模压成形工艺过程: 加成形刑(掺胶或掺蜡)制粒压制压坯的干燥加工和清理 成形剂的选择 加成
13、形剂的目的: 改善混合料颗粒之间约结合状态 改善混合料的流动性及压制性能,提高压坯密度及密度均匀性 保证必须的压还强度 对成形剂的要求 必须具有适当的粘性,以保证压坯有足够的强度 有一定的润滑作用 烧结后不残留育害的杂质 在适当的溶剂和较低的温度下能够溶解,以便与混合科均匀混合,橡胶与石蜡,橡胶成形剂的主要特点 1)压坯强度较高,便于搬运和加工; 2)橡胶弹性较大,可用较快的压制速度而不产生裂纹; 3)所需的压制压力一般比石蜡料低; 4)容易“老化”,掺胶料的存放期在两周以内; 5)在较低压力下就易出现分层,故不利于细料混合料的压制; 6)烧结时不能完全排出,有部分碳残留; 硬质合金生产中常用
14、的橡胶是合成丁钠胶或丁钠胶。 石蜡成形刑的特点 1)允许较高的压制压力而下出观分层; 2)不会“老化”,掺蜡料可长期储存; 3)石蜡汽油溶液粘性小,适用于喷雾干燥; 4)没有灰分,不会给合金带进杂质; 5)粘性和弹性较小,允许的压制速度较低; 6)与橡胶用量相同时,压坯强度较低; 7)熔点较低,未脱蜡的压坯不宣高速磨削。 硬质合金生产中所用的石蜡是工业白蜡。,石腊与橡胶的比较,成形剂溶液的制备,橡胶汽油溶液: 溶剂:航空汽油或溶剂汽油 浓度:根据橡胶用量及混合料的松比来调整。一般为 813%(重量百分比) 加入量: 0.61%。橡胶用量随混合料松比的降低而增加,生产中一般是每 20公斤混合料加
15、1800毫升的橡胶汽油溶液。 石蜡汽油溶液: 溶剂:汽油 浓度:生产中的石蜡汽油溶液的浓度一般为2030%(重量百分比 (石蜡汽油溶液配制时,为了提高石蜡的溶解度,通常将石蜡加热熔化 后倒入汽油内,并立即使用)。 加入量:一般为12%。石蜡的用量通量比合成橡胶高一倍以上,而且随含 钻量的增加而增加。生产中一般是每20公斤混合料加2030%的石 蜡汽油溶液1800毫升。 灰分问题: 橡胶汽油溶液 浓度(wt) 4-4.5 10-11 13.5-14 灰分(wt) 0.035 0.07 0.11 石蜡汽油溶液 基本无灰分,粒料的制备,料粒的制备主要包括掺胶(或掺蜡)和制粒两道主要工序 1、 掺胶(
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