金属陶瓷(硬质合金).ppt

硬质合金 1.1 硬质合金的发展历史 硬质合金是用粉末冶金生产由难熔金属化合物和粘接金属构成 的组合材料。 现在硬质合金的发明者是德国人施勒特尔，他于1923年首先 用粉末冶金方法生产硬质合金。他在专利中所提出的工艺，今天 仍在WC-Co硬质合金生产工艺中使用。1926年，德国克虏伯 (Krupp)公司首先进行硬质合金的工业生产，并以“维迪阿” ( Widia)的商标(意为象金刚石）在市场销售。随后很快传到欧美及 日本等国。 硬质合金的发展情况见表1。值得指出的是，自1953年有人首 先采用可转位刀片以来，由于使用这种刀片不用焊接，可随时调 换刀片，刀杆可长期使用，经济效果显著，推广迅速，这是硬质 合金工业的重大进展之一。六十年代末期，西德克虏伯公司成功 研制了涂层硬质合金，用此 表1 硬质合金的发展情况 碳化钨基硬质合金 无碳化钨基硬质合金 年份 硬 质 合 金年份 硬 质 合 金 19231925 19301931 1938 1956 1959 19681969 19651978 19671970 19651975 19691971 19741977 19731978 19761979 WC-Co WC- TaC（ VC, NbC)-Co WC-Cr3C2-Co WC-TiC-Ta （Nb) C-Cr3C2-Co WC-TiC-HfC-Co WC-TiC-TaC （NbC)-HfC-Co TiC,TiN,Ti （CN),HfC,Hf和 Al2O3涂层的WC基合金 亚微细WC-Co 热等静压 热化学表面硬化 多晶金刚石复合的WC基硬质合金 复碳化物，碳氧化物-氮化物以及 碳化物-碳氮化物-氮化物-氧化物 复合涂层 添加Ru的复杂硬质合金 19291931 19301931 1931 1931 1938 1944 1949 1950 19521966 1957 196819 70 19691970 19681973 19721975 Ti-Mo2C-Ni,Cr,Mo TaC-Ni TiC-TaC-Co Tic-Cr,Mo,W,Ni,Co TiC-VC-Ni,Fe TiC-NbC-Ni,Co TiC-VC-Nb-Mo2C-Ni TiC （Mo2C,TaC)-Ni,Co-Cr TiC-可热处 理钢结 合金 TiC-TiB2 （TiMo)C （固溶体Ni,Mo,Cr) TiC-TiN-Ni TiC-Al2O3 Ti-TaN-Ni 制成的刀片的使用寿命可比标准的可转位刀片高出好几倍，而 且切削速也可以提高2530%，从此获得了广泛的应用，这是 硬质合金生产发展过程中的又一个重大进展。此外，六十年代 末期引入硬质合金生产领域的热静压技术，以及七十年代移植 到硬质合金生产领域的喷雾干燥技术，使硬质合金生产工艺又 向前迈进了一大步。 我国硬质合金工业是从20世纪50年代初建设株洲硬质合金 厂开始的，50多年来，从无到有，不断发展，取得了令世人瞩 目的成就，但整体技术水平特别是高附加值制品的生产与世界 先进水平比较仍存在较大差距。 1.2 粉末冶金方法及其应用 20世纪初研制了一种粉末经压制成型并经烧结而制成零件或毛 坯，这种方法称粉末冶金法。 粉末冶金的应用主要有以下几个 方面： （1）减摩材料 应用最早的是含油轴承。 （2）结构材料 它是用碳钢或合金钢的粉末为原 料，采用粉末冶金方法制造结构零件 。这种制品的精度较高、表面光洁， 不需或少需切削加工即为成品零件。 可用于制造液压泵齿轮、电钻齿 轮、凸轮等。 （3）高熔点材料 一些高熔点的金属和金属化合物如W、Mo、WC、TiC等，用熔炼 和铸造方法生产比较困难，可用粉末冶金方法生产，如各种金属陶 瓷、钨丝及Mo、TA、Nb等难熔金属和高温合金。 （4）特殊电磁性能材料 如多孔过滤材料，假合金材料等 缺点：由于设备和模具的限制，粉末冶金还只能生产尺寸有限 和形状不很复杂的制品，烧结零件的韧性较差，生产效率不高，成 本较高。 1.3 硬质合金的性能特点、分类及应用 1.3.1硬质合金的性能特点 （1）高硬度、耐磨性好、高热硬性 （2）抗压强度、弹性模量高 抗压强度高可达6000MPa，但抗弯强度 低，只有高速钢的1/31/2。弹性模 量很高，韧性很差。 硬质合金焊接刀片 （3）耐蚀性和抗氧化性良好，热膨胀因数比钢低 缺点：抗弯强度低、脆性大、导热性差 加工：采用电加工（电火花、线切割）和专门的砂轮磨削 1.3.2硬质合金的分类、编号 (1) 钨钴类硬质合金 由碳化钨和钴组成,常用代号有YG3、YG6、YG8等。代号中 “YG”为“硬”、“钴”两字的汉语拼音字首，后面的数字表示钴 的含量（质量分数100）。 例如，YG8，表示平均WCo8，其余为碳化钨的钨钴类硬质 合金。 WC 刀具 （2）钨钴钛类硬质合金 由碳化钨、碳化钛和钴组成，常用代号有YT5、YT15、YT30 等。代号中“YT”为“硬”、“钛”两字的汉语拼音字首，后面的数字 表示碳化钛的含量（质量分数100）。 硬质合金中，碳化物含量越多，钴含量越少，则硬质合金的硬 度、热硬性及耐磨性越高，但强度及韧性越低。 例如，YT15，表示平均WTi15，其余为碳化钨和钴含量的 钨钛钴类硬质合金。 TIC 刀具 （3）通用硬质合金 主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）及钴。这 类硬质合金又称通用硬质合金或万能硬质合金。 其牌号由“YW”（“硬”、“万”两字汉语拼音字首）加顺序号组 成，如 YW1。 钨钛钽刀具 1.3.3 硬质合金的应用 硬质合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。钨钴类合金刀具 主要用来切削加工产生断续切屑的脆性材料；钨钴钛类合金主要用来切削加工韧性 材料；通用硬质合金既可切削脆性材料，又可切削韧性材料。硬质合金也用于冷拔 模、冷冲模、冷挤压模及冷镦模。 硬质合金应用推荐 1.3.4 钢结硬质合金 是近年来发展的一种新型硬质合金，是以一种或几种碳化物（ WC、TiC）等为硬化相，以合金钢（高速钢、铬钼钢）粉末为粘 结剂，经配料、压型、烧结而成。钢结硬质合金具有与钢一样的可 加工能力，可以锻造、焊接和热处理。 缺点：脆性大、韧性低、难以加工成型，制约了工程结构陶瓷 发展及其应用。 1.4 烧结成型 硬质合金烧结成型就是将粉末压制成坯料，再进烧结炉加热到 一定温度（烧结温度），并保持一定的时间（保温时间），然后 冷却下来，从而得到所需性能的硬质合金材料 。 硬质合金烧结过程可以分为四个基本阶段： 1：脱除成形剂及预烧阶段，在这个阶段烧结体发生如下变化： 成型剂的脱除，烧结初期随着温度的升高，成型剂逐渐分解或 汽化，排除出烧结体，与此同时，成型剂或多或少给烧结体增碳 ，增碳量将随成型剂的种类、数量以及烧结工艺的不同而改变。 粉末表面氧化物被还原，在烧结温度下，氢可以还原钴和钨的 氧化物，若在真空脱除成型剂和烧结时，碳氧反应还不强烈。粉 末颗粒间的接触应力逐渐消除，粘结金属粉末开始产生回复和再 结晶，表面扩散开始发生，压块强度有所提高。 2：固相烧结阶段（800-共晶温度） 在出现液相以前的温度下，除了继续进行上一阶段所发生的过程 外，固相反应和扩散加剧，塑性流动增强，烧结体出现明显的收缩 。 3：液相烧结阶段（共晶温度-烧结温度） 当烧结体出现液相以后，收缩很快完成，接着产生结晶转变，形 成合金的基本组织和结构。 4：冷却阶段（烧结温度-室温） 在这一阶段，合金的组织和相成分随冷却条件的不同而产生某些 变化，可以利用这一特点，对硬质合金进行热处理以提高其物理机 械性能。 1.5 发展趋势 当前硬质合金刀具材料牌号正向着两个相反的方向发展，一 方面，通用型牌号的适用面越来越广，通用性越来越强。另一方 面，专用型牌号越来越具有针对性，更加适应被加工材料和切削 条件，从而达到提高切削效率的目的。 如：美国Kennametal公司推出的新的KU系列(KU10T、 KU25T、KU30T)牌号就具有非常广泛的通用性。其中，KU10T 和KU25T采用了具有高韧性的和高耐磨性的硬质合金基体，并配 以高含铝量的TiN+TiAlN复合PVD涂层；而KU30T则采用了韧性 极好的富钴层梯度硬质合金基体，配以TiN+TiCN+TiN复合CVD 涂层。新的KU系列牌号可广泛适用于钢、不锈钢、铸铁、非钛合 金、高温合金和硬材料的车削、镗孔、切槽、切断和螺纹加工。 该公司新推出的KC5510和KC5525则是专为高效率加工高温合金 而设计的牌号，晶粒细化的高钴硬质合金基体，配以高性能的 TiAlNPVD涂层，使刀片具有极强的抗热变形能力，可以比其它 PVD涂层刀具提高两倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具 株式会社推出的T6000系列牌号(T6020、T6030)，则是专为不锈 钢车削加工开发的CVD牌号。ISCAR公司推出的专用于高速铣削 加工灰铸铁和球墨铸铁的DO-TEC涂层牌号(DT7150)，采用了 Al2O3-MTCVD内涂层加TiAlNPVD外涂层的复合涂层技术，具 有极高的耐磨性及抗剥落性。 金刚石CVD涂层刀具的性能又有了进一步的提高，产品覆盖 了可转位刀具和整体硬质合金刀具。厦门金鹭特种材料有限公司 展出了新开发的“青霜”系列超细结晶金刚石涂层立铣刀。与通常 的金刚石涂层相比，“青霜”系列金刚石涂层为超细结晶，平均粒 度1m，涂层表面更加光滑，刀具寿命可提高20倍以上。日本 OSG公司也展出了适用于石墨电极和铜电极加工的超微粒结晶金 刚石涂层铣刀，结晶粒度为1m，涂层厚度620m，使刀具的刃 口更加锋利，减少切削中的粘结，降低了工件表面的粗糙度。美 国SGS刀具公司则推出了非晶体的金刚石(AmorphousDiamond)涂 层立铣刀，用以加工最具磨损特性的材料。刀