硬质合金材料

WC-Co硬质合金

Co角有一个W和C在钴中的固溶体相单相区。沿Co-WC线可把界面分为两个区域，Co-WC线左上方是三相区γ+WC+C和狭窄的两相区γ+C；右下方是由γ、WC、W2C、W和三元化合物ηl、η2、K相组成的多个相区。两个三相区γ+WC+C和γ＋WC＋η1被一个狭窄的两相区γ＋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。此两相区是以W-C边线上的WC处为顶点；向Co角张开的三角形，说明合金中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W-C边线，即合金中Co含量越低，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。碳量在Co-WC线之上时，合金组织中便会出现第三相-石墨。在W角附近有几种标记的三元化合物ηl、η2、和k相，这些化合物的通式可写成CoxWyCz。它们均为非正常价化合物，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。W-C-Co三元系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η1相，因为它会降低合金的机械性能和使用效果。已有研究表明，WC-Co合金两相区的高碳边界与Co-WC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)805030181610C(％)(重量)5.225.585.835.996.006.04或者用线性方程来表示合金低碳边界的碳量；

C(％)(重量)＝6.125％-0.0735%×Co(重量)两相区WC+ηW-C-Co系中的单相区是指碳和钨在钴中的固溶体区。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约2倍，即从WC+γ高碳边界处9.4％(重量)增加到两相区WC+γ低碳边界处的18.4％(重量)。钴相中钨的含量既影响钴相性质，也影响合金的性质。不仅应避免η1相和石墨的出现，还应控制好钴相中的钨含量。单相区WC-Co合金正常组织为两相合金，即多角形白色WC相与黑色部分Co粘结相。当合金碳量不足时，会出现一种脱碳组织W3Co3C，常称η1相。这种相性脆，能够导致合金强度的明显下降；当合金碳量偏高时，会出现石墨，但石墨的有害作用比η1相小。因此，碳含量可稍偏高并允许少量石墨的存在，但通常不准许出现η1相。WC-Co合金的组织高钴合金既不出现石墨也不出现η1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、成分与性能

矫顽磁力：由于钴的存在，硬质合金具有一定的磁性。WC-Co合金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。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，钴相中钨含量增大，使钴相受到较大的强化，矫顽力会因此而增大。因此，烧结时的冷却速度越大，矫顽力也愈大。磁饱和：合金磁饱和值只与合金合钴量有关，而与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η1相。YG合金的物理性质

弹性模量：由于碳化钨具有较高的弹性模量值，相应WC-Co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。导热率：为避免工具在使用过程因过热而损坏，通常希望合金有较高的导热率。WC-Co合金有较高的导热率，约为0.14-0.21卡／厘米·度·秒，热率一般只与合金钴含量有关，随钴含量的降低而提高。热膨胀系数：WC-Co合金的线膨胀系数随含钴量的增加而增大。但合金的线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。YG合金的物理性质

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。当工业WC-Co合金的钴含量从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1.5～2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（NbC）、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η1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。YG合金的物理性质

抗弯强度通常，合金抗弯强度随钴量的增多而提高。但超过25%后，抗弯强度反而下降。工业生产WC-Co合金，在0～25％钴含量范围内，其抗弯强度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；但钴含量(10～15％)合金抗弯强度较特殊，钴含量和碳化钨晶粒度以及碳含量之间要有适当的配合。合金渗碳、脱碳及孔洞、裂纹等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。YG合金的物理性质

抗压强度：合金的抗压强度是合金抵抗压缩负荷的能力。WC-Co合金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。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际意义。WC-Co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含量的粗晶粒合金，如YG8C等。弹性模量：由于碳化钨具有较高的弹性模量值，因此，WC-Co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。YG合金的物理性质

控制好合金的碳含量：现有各类硬质合金中，其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。除必须严格控制好碳化钨的含碳量以外，还必须使整个生产工艺过程出于稳定状态。

控制好合金的组织结构：由于碳量的严格控制，在不出现第三相或只有微量石墨情况下，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，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。而采用真空烧结则有利于获得细晶粒合金。

严格控制过程工艺参数：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。WC-Co硬质合金的生产工艺特点WC-TaC(NbC)-Co硬质合金WC-TaC(NbC)-Co硬质合金

WC-TaC(NbC)-Co本质上仍然是一种碳化钨基合金，所不同的是在WC-TaC(NbC)-Co合金中出现了一个以TaC(NbC)为基的新的固溶体相(TaC-WC或NbC-WC)。

TaC(NbC)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。在通常的烧结温度下，WC在TaC(NbC)中的溶解度约为10％(重量)，且随温度的降低而降低。因此，WC-TaC(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η相属于非正常组织。这类合金均为细晶粒合金。比重：同钴含量的WC-TaC(NbC)-Co合金比重比WC-Co合金低，而且随着TaC(NbC)添加量增加，合金比重下降愈多。硬度：添加少量碳化钽(碳化铌)可抑制碳化钨晶粒烧结时的长大，细化合金晶粒并提高WC-TaC(NbC)-Co合金硬度。抗弯强度：WC-TaC-Co合金抗弯强度较同钴量的WC-Co合金略有降低；WC-NbC-Co合金降低的更显著。这主要由于铌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。含碳量对WC-TaC(NbC)-Co合金强度的影响与WC-Co类似，即缺碳和过剩碳都会使合金强度降低。高温性能：合金有较高的高温性能，而对其他性能影响不大。WC-TaC(NbC)-Co合金的性质

添加TaC的合金有较高的强度，而添加NbC的合金硬度较高。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WC-TaC(NbC)-Co合金。实例WC-TiC-Co硬质合金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。

WC-TiC-Co状态图在1350℃的等温截面比较简单，只有三个相区：一个单相区(γ固溶体)，一个两相区[(TiW)C+γ]和一个三相区[(TiW)C+WC+γ]。因此，正常的WC-TiC-Co合金只有两种组织状态：一为(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WC-TiC-Co合金，WC不能完全进入钛相(TiW)C，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。

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+γ、Co＋γ、(TiW)C+γ二元共晶、WC＋(TiW)C+γ、WC+γ+C等三元共晶。而在两相合金的烧结体中，一般不会有WC+γ二元共晶及WC+(TiW)C+γ，WC+γ+C三元共晶存在。WC-TiC-Co合金的正常组织a是三相WC-TiC-Co合金YTl5的金相显微组织照片。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。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。两相WC-TiC-Co合金YT30的组织示于图b。合金中基本上没有WC相。显微组织与WC-Co合金类似，在碳量不适当时，合金中也会出现石墨或η1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。环形结构

在WC-TiC-Co合金磨片上有时可观察到，在(Ti,W)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(Ti,W)C固溶体；外层(壳层)部分是含碳化钨量较高的(Ti,W）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(Ti,W)C固溶体来制造硬质合金时，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。

WC-TiC-Co合金中出现环形结构，使合金的强度和韧性降低。WC-TiC-Co合金的非正常组织

采用在烧结温度下能被WC饱和的固溶体作混合料组分时，会在合金中会出现针状碳化物或粗大片状碳化物，在提高烧结温度重新烧结，其能够消失。其可使合金强度显著下降，采用较高烧结温度等可防止粗晶碳化物出现。

粗晶粒碳化物的析出合金成分与性质

在WC-TiC-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。两相WC-TiC-Co合金中，矫顽力值由钴含量和钛相的晶粒度决定。三相WC-TiC-Co合金中，除含钴量外，矫顽磁力值由两个碳化物相相对含量及其晶粒度决定。碳化钛含量低的合金，其变化规律接近WC-Co合金；碳化钛含量高的合金则接近于两相的WC-TiC-Co合金。在严重缺碳的WC-TiC-Co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。矫顽磁力

由于碳化钛的硬度比碳化钨高，因而使WC-TiC-Co合全的硬度普遍高于WC-Co合金。钴含量的减少和碳化钛含量增多都会使合金硬度升高。但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。（Ti,W）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制得的WC-TiC-Co合金硬度较低。含碳量对WC-TiC-Co合金硬度的影响与WC-Co合金相似，即随着合碳量的增加，合金的硬度降低。由于WC-TiC-Co合金中合有TiC-WC固溶体，使合金强化，因而在高温下软化较慢。因此WC-TiC-Co合金的高温硬度比WC-Co合金高。硬度与WC-Co合金比较，同钴含量的WC-TiC-Co合金抗弯强度较低，并随碳化钛的增加而降低。影响因素包括：成分：当合金钴合量一定时，随着碳化钛含量的增加，合金抗弯强度降低，而当合金碳化钛含量一定时，随钴含量的增加，合金抗弯强度提高。然而必须指出，低碳化钛含量的合金抗弯强度随钴量的增加并不显著增大合金的抗弯强度。含碳量对合金抗弯强度的影响与WC-Co合金类似。合金晶粒度：对于三相合金，由于(Ti,W)C相含量少，碳化钨晶粒度的增大可以提高合金的抗弯强度(与WC-Co合金类似)；而在两相合金中，(Ti,W)C相晶粒增大反而会降低合金的抗弯强度，这一点类似于碳化钛基合金。第三是TiC-WC固溶体的饱和程度，通常在采用烧结温度呈饱和状态的固溶体时，合金有较高的抗弯强度。合金中出现的不正常组织：如环形结构，针状或粗大碳化物、渗碳和脱碳，组织不均匀以及孔隙度高等缺陷，那会使合金抗弯强度下降。由于硬质合金的高温强度主要取决于碳化物骨架的强度，而碳化物固溶体使合金的碳化物骨架得到了强化。WC-TiC-Co合金的抗弯强度随温度升高而降低的程度要比WC-Co合金小。抗弯强度

WC-TiC-Co。合金的冲击韧性、抗压强度、弹性模量均比WC-Co合金低。因此—TiC—Co合金低。因此WC-TiC-Co合金通常不用作矿山工具、模具或耐磨零件，而主要用作普通钢材的切削工具。

WC-TiC-Co合金导热率比WC-Co合金小，但作为加工钢材等长切削材料，由于连续切削可以带走刀刃上的热量，因此仍然可以避免刀刃过热而损坏。

WC-TiC-Co合金的热膨胀系数虽然比WC-Co合金大，但仍然比钢材要低得多，而且由于WC-TiC-Co合金的强度比WC-Co合金低，因此在道具镶焊时，产生裂纹的倾向较大，这点应该注意。其他物理性质

性能较高的WC-TiC-Co合金的含碳量低于理论值，但碳化钛含碳量高达20％，因而使WC-TiC-Co合金含碳量提高，合金组织对碳量敏感程度降低。所加入的碳化钛应该以固溶体的形式加入，以防止出现环形结构等组织缺陷。根据不同牌号的使用性能要求，制备不同成分的固溶体。

TiC硬度高，相应地混合料的硬度高，其压制性也比WC-Co合金混合料差。但WC-TiC-Co合金通常用来制造切削刀片，形状较简单。因此，稍差的压制性并不多大影响。由于真空烧结可以使合金性能明显提高，目前国内外绝大多数厂家均采用真空烧结来生产WC—TiC—Co硬质合金。

生产工艺特点WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金WC-TiC-Co硬质合金通常只能加工普通钢材，而加入TaC(NbC)，以后的WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金不但可以切削普通钢，而且可以加工高合金钢、不锈钢及合金铸铁等难加工材料，是一种通用性较好的合金。WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的组织与WC-TiC-Co合金类似，所不同的是碳化物固溶体相的成分不同。在WC-TiC-Co合金中，固溶体相是(Ti,W)C；而在WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中，固溶体相是(Ti,W,Ta/Nb)C。与WC-TiC-Co合金一样，正常的WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金有两种组织形式，一种是(Ti,W,Ta/Nb)C+γ二相合金，一种是(Ti,W,Ta/Nb)C+WC+γ三相合金。当合金中TiC、TaC(NbC)、WC三个份的含量超过中单相区的界限时，合金便称为三相组织，否则为两相组织。与WC-TiC-Co合金类似，平衡时的WC-TiC-TaC(NbC)-Co应该有各种共晶存在，在两相合金中应该有Co-C共晶、(Ti,Ta/Nb)C+γ共晶和(Ti,W,Ta/Nb)C+γ+C三元共晶存在；在三相还应该有WC+γ共晶和(Ti,W,Ta/Nb)C+WC+γ共晶存在。

WC-TiC-T