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技術(shù)文章

硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)、特征和應(yīng)用。

　硬質(zhì)合金是以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC)微米級(jí)粉末為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結(jié)劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的粉末冶金制品。
硬質(zhì)合金的基體由兩部分組成：一部分是硬化相；另一部分是粘結(jié)金屬。
　　ⅣA、ⅤA、ⅥA族金屬與碳形成的金屬型碳化物中，由于碳原子半徑小，能填充于金屬品格的空隙中并保留金屬原有的晶格形式，形成間充固溶體。在適當(dāng)條件下，這類(lèi)固溶體還能繼續(xù)溶解它的組成元素，直到達(dá)到飽和為止。因此，它們的組成可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)（例如碳化鈦的組成就在TiC0.5～TiC之間變動(dòng)），化學(xué)式不符合化合價(jià)規(guī)則。當(dāng)溶解的碳含量超過(guò)某個(gè)極限時(shí)（例如碳化鈦中Ti︰C＝1︰1），晶格型式將發(fā)生變化，使原金屬晶格轉(zhuǎn)變成另一種形式的金屬晶格，這時(shí)的間充固溶體叫做間充化合物。
　　ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔點(diǎn)特別高，統(tǒng)稱(chēng)為硬質(zhì)合金。下面以碳化物為重點(diǎn)來(lái)說(shuō)明硬質(zhì)含金的結(jié)構(gòu)、特征和應(yīng)用。
　　金屬型碳化物，尤其是ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬碳化物的熔點(diǎn)都在3273K以上，其中碳化鉿、碳化鉭分別為4160K和4150K，是當(dāng)前所知道的物質(zhì)中熔點(diǎn)*高的。大多數(shù)碳化物的硬度很大，它們的顯微硬度大于1800kg?mm2（顯微硬度是硬度表示方法之一，多用于硬質(zhì)合金和硬質(zhì)化合物，顯微硬度 1800kg?mm2相當(dāng)于莫氏一金剛石一硬度9）。許多碳化物高溫下不易分解，抗氧化能力比其組分金屬?gòu)?qiáng)。碳化鈦在所有碳化物中熱穩(wěn)定性*好，是一種非常重要的金屬型碳化物。然而，在氧化氣氛中，所有碳化物高溫下都容易被氧化，可以說(shuō)這是碳化物的一大弱點(diǎn)。
　　除碳原子外，氮原子、硼原子也能進(jìn)入金屬晶格的空隙中，形成間充固溶體。它們與間充型碳化物的性質(zhì)相似，能導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熔點(diǎn)高、硬度大，同時(shí)脆性也大。
　　
　　硬化相是元素周期表中過(guò)渡金屬的碳化物，如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭，它們的硬度很高，熔點(diǎn)都在2000℃以上，有的甚至超過(guò)4000℃。另外，過(guò)渡金屬的氮化物、硼化物、硅化物也有類(lèi)似的特性，也可以充當(dāng)硬質(zhì)合金中的硬化相。硬化相的存在決定了合金具有極高硬度和耐磨性。
　　粘結(jié)金屬一般是鐵族金屬，常用的是鈷和鎳。
　　制造硬質(zhì)合金時(shí)，選用的原料粉末粒度在1～2微米之間，且純度很高。原料按規(guī)定組成比例進(jìn)行配料，加進(jìn)酒精或其他介質(zhì)在濕式球磨機(jī)中濕磨，使它們充分混合、粉碎，經(jīng)干燥、過(guò)篩后加入蠟或膠等一類(lèi)的成型劑，再經(jīng)過(guò)干燥、過(guò)篩制得混合料。然后，把混合料制粒、壓型，加熱到接近粘結(jié)金屬熔點(diǎn)（1300～1500℃）的時(shí)候，硬化相與粘結(jié)金屬便形成共晶合金。經(jīng)過(guò)冷卻，硬化相分布在粘結(jié)金屬組成的網(wǎng)格里，彼此緊密地聯(lián)系在一起，形成一個(gè)牢固的整體。硬質(zhì)合金的硬度取決于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越細(xì)，則硬度也越大。硬質(zhì)合金的韌性由粘結(jié)金屬?zèng)Q定，粘結(jié)金屬含量越高，抗彎強(qiáng)度越大。
　　1923年，德國(guó)的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進(jìn)10％～20％的鈷做粘結(jié)劑，發(fā)明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次于金剛石，這是世界上人工制成的**種硬質(zhì)合金。用這種合金制成的刀具切削鋼材時(shí)，刀刃會(huì)很快磨損，甚至刃口崩裂。1929年美國(guó)的施瓦茨科夫在原有成分中加進(jìn)了一定量的碳化鎢和碳化鈦的復(fù)式碳化物，改善了刀具切削鋼材的性能。這是硬質(zhì)合金發(fā)展史上的又一成就。
　　硬質(zhì)合金還可用來(lái)制作鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具、測(cè)量量具、耐磨零件、金屬磨具、汽缸襯里、精密軸承、噴嘴等。
　　硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的攝氏度下也基本保持不變，在 1000℃時(shí)仍有很高的硬度。硬質(zhì)合金廣泛用作刀具材料，如車(chē)刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來(lái)切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料。現(xiàn)在新型硬質(zhì)合金刀具的切削速度等于碳素鋼的數(shù)百倍。
　　近二十年來(lái)，涂層硬質(zhì)合金也問(wèn)世了。1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質(zhì)合金或鎢鈷硬質(zhì)合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過(guò)幾微米，但是與同牌號(hào)的合金刀具相比，使用壽命延長(zhǎng)了3倍，切削速度提高 25％～50％。20世紀(jì)70年代已出現(xiàn)第四代涂層工具，可用來(lái)切削很難加工的材料。
　　硬質(zhì)合金是怎樣燒結(jié)而成的？
　　答硬質(zhì)合金是將這種或多種難熔金屬的碳化物和粘接劑金屬，用粉末冶金方法制成的金屬材料。
　　主要生產(chǎn)國(guó)家
　　世界上有50多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)硬質(zhì)合金，總產(chǎn)量可達(dá)27000～28000t-，主要生產(chǎn)國(guó)有美國(guó)、俄羅斯、瑞典、中國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等，世界硬質(zhì)合金市場(chǎng)基本處于飽和狀態(tài)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。中國(guó)硬質(zhì)合金工業(yè)是50年代末期開(kāi)始形成的，60～70年代中國(guó)硬質(zhì)合金工業(yè)得到了迅速發(fā)展，90年代初中國(guó)硬質(zhì)合金總生產(chǎn)能力達(dá)6000t，硬質(zhì)合金總產(chǎn)量達(dá)5000t，僅次于俄羅斯和美國(guó)，居世界第3位。
硬質(zhì)合金燒結(jié)成型
　　硬質(zhì)合金燒結(jié)成型就是將粉末壓制成坯料，再進(jìn)燒結(jié)爐加熱到一定攝氏度（燒結(jié)攝氏度），并保持一定的時(shí)間（保溫時(shí)間），然后冷卻下來(lái)，從而得到所需性能的硬質(zhì)合金材料。
　　硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程可以分為四個(gè)基本階段：
　　1：脫除成形劑及預(yù)燒階段，在這個(gè)階段燒結(jié)體發(fā)生如下變化：
　　成型劑的脫除，燒結(jié)初期隨著攝氏度的升高，成型劑逐漸分解或汽化，排除出燒結(jié)體，與此同時(shí)，成型劑或多或少給燒結(jié)體增碳，增碳量將隨成型劑的種類(lèi)、數(shù)量以及燒結(jié)工藝的不同而改變。
　　粉末表面氧化物被還原，在燒結(jié)攝氏度下，氫可以還原鈷和鎢的氧化物，若在真空脫除成型劑和燒結(jié)時(shí)，碳氧反應(yīng)還不強(qiáng)烈。粉末顆粒間的接觸應(yīng)力逐漸消除，粘結(jié)金屬粉末開(kāi)始產(chǎn)生回復(fù)和再結(jié)晶，表面擴(kuò)散開(kāi)始發(fā)生，壓塊強(qiáng)度有所提高。
　　2：固相燒結(jié)階段（800℃--共晶攝氏度）
　　在出現(xiàn)液相以前的攝氏度下，除了繼續(xù)進(jìn)行上一階段所發(fā)生的過(guò)程外，固相反應(yīng)和擴(kuò)散加劇，塑性流動(dòng)增強(qiáng)，燒結(jié)體出現(xiàn)明顯的收縮。
　　3：液相燒結(jié)階段（共晶攝氏度--燒結(jié)攝氏度）
　　當(dāng)燒結(jié)體出現(xiàn)液相以后，收縮很快完成，接著產(chǎn)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變，形成合金的基本組織和結(jié)構(gòu)。
　　4：冷卻階段（燒結(jié)攝氏度--室溫）
　　在這一階段，合金的組織和相成分隨冷卻條件的不同而產(chǎn)生某些變化，可以利用這一特點(diǎn)，對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行熱處理以提高其物理機(jī)械性能。

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