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1、金屬陶瓷硬質合金 硬質合金硬質合金 1.1 硬質合金的發(fā)展歷史硬質合金的發(fā)展歷史 硬質合金是用粉末冶金生產(chǎn)由難熔金屬化合物和粘接金屬構成硬質合金是用粉末冶金生產(chǎn)由難熔金屬化合物和粘接金屬構成的組合材料。的組合材料。 現(xiàn)在硬質合金的發(fā)明者是德國人施勒特爾，他于現(xiàn)在硬質合金的發(fā)明者是德國人施勒特爾，他于1923年首先年首先用粉末冶金方法生產(chǎn)硬質合金。他在專利中所提出的工藝，今天用粉末冶金方法生產(chǎn)硬質合金。他在專利中所提出的工藝，今天仍在仍在WC-Co硬質合金生產(chǎn)工藝中使用。硬質合金生產(chǎn)工藝中使用。1926年，德國克虜伯年，德國克虜伯(Krupp)公司首先進行硬質合金的工業(yè)生產(chǎn)，并以公司首先進行硬質
2、合金的工業(yè)生產(chǎn)，并以“維迪阿維迪阿” ( Widia)的商標的商標(意為象金剛石）在市場銷售。隨后很快傳到歐美意為象金剛石）在市場銷售。隨后很快傳到歐美及日本等國。及日本等國。 硬質合金的發(fā)展情況見表硬質合金的發(fā)展情況見表1。值得指出的是，自。值得指出的是，自1953年有人首年有人首先采用可轉位刀片以來，由于使用這種刀片不用焊接，可隨時調先采用可轉位刀片以來，由于使用這種刀片不用焊接，可隨時調換刀片，刀桿可長期使用，經(jīng)濟效果顯著，推廣迅速，這是硬質換刀片，刀桿可長期使用，經(jīng)濟效果顯著，推廣迅速，這是硬質合金工業(yè)的重大進展之一。六十年代末期，西德克虜伯公司成功合金工業(yè)的重大進展之一。六十年代末期
3、，西德克虜伯公司成功研制了涂層硬質合金，用此研制了涂層硬質合金，用此 金屬陶瓷硬質合金表1 硬質合金的發(fā)展情況 碳化鎢基硬質合金 無碳化鎢基硬質合金年份 硬 質 合 金年份 硬 質 合 金19231925193019311938195619591968196919651978196719701965197519691971197419771973197819761979 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
4、 （CN),HfC,Hf和 Al2O3涂層的WC基合金 亞微細WC-Co 熱等靜壓 熱化學表面硬化多晶金剛石復合的WC基硬質合金復碳化物，碳氧化物-氮化物以及碳化物-碳氮化物-氮化物-氧化物復合涂層添加Ru的復雜硬質合金1929193119301931 1931 1931 1938 1944 1949 195019521966 1957 19681970196919701968197319721975 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
5、 TiC （Mo2C,TaC)-Ni,Co-Cr TiC-可熱處理鋼結合金 TiC-TiB2（TiMo)C （固溶體Ni,Mo,Cr) TiC-TiN-Ni TiC-Al2O3 Ti-TaN-Ni金屬陶瓷硬質合金 制成的刀片的使用壽命可比標準的可轉位刀片高出好幾倍，而制成的刀片的使用壽命可比標準的可轉位刀片高出好幾倍，而且切削速也可以提高且切削速也可以提高2530%，從此獲得了廣泛的應用，這是，從此獲得了廣泛的應用，這是硬質合金生產(chǎn)發(fā)展過程中的又一個重大進展。此外，六十年代硬質合金生產(chǎn)發(fā)展過程中的又一個重大進展。此外，六十年代末期引入硬質合金生產(chǎn)領域的熱靜壓技術，以及七十年代移植末期引入硬質合
6、金生產(chǎn)領域的熱靜壓技術，以及七十年代移植到硬質合金生產(chǎn)領域的噴霧干燥技術，使硬質合金生產(chǎn)工藝又到硬質合金生產(chǎn)領域的噴霧干燥技術，使硬質合金生產(chǎn)工藝又向前邁進了一大步。向前邁進了一大步。 我國硬質合金工業(yè)是從我國硬質合金工業(yè)是從20世紀世紀50年代初建設株洲硬質合金年代初建設株洲硬質合金廠開始的，廠開始的，50多年來，從無到有，不斷發(fā)展，取得了令世人矚多年來，從無到有，不斷發(fā)展，取得了令世人矚目的成就，但整體技術水平特別是高附加值制品的生產(chǎn)與世界目的成就，但整體技術水平特別是高附加值制品的生產(chǎn)與世界先進水平比較仍存在較大差距。先進水平比較仍存在較大差距。金屬陶瓷硬質合金1.2 1.2 粉末冶金方
7、法及其應用粉末冶金方法及其應用 2020世紀初研制了一種粉末經(jīng)壓制成型并經(jīng)燒結而制成零件或毛世紀初研制了一種粉末經(jīng)壓制成型并經(jīng)燒結而制成零件或毛坯，這種方法稱粉末冶金法。坯，這種方法稱粉末冶金法。 粉末冶金的應用主要有以下幾個粉末冶金的應用主要有以下幾個方面：方面： （1 1）減摩材料）減摩材料 應用最早的是含油軸承。應用最早的是含油軸承。 （2 2）結構材料）結構材料 它是用碳鋼或合金鋼的粉末為它是用碳鋼或合金鋼的粉末為原料，采用粉末冶金方法制造結構零原料，采用粉末冶金方法制造結構零件。這種制品的精度較高、表面光潔，件。這種制品的精度較高、表面光潔，不需或少需切削加工即為成品零件。不需或少需
8、切削加工即為成品零件。 可用于制造液壓泵齒輪、電鉆可用于制造液壓泵齒輪、電鉆齒輪、凸輪等。齒輪、凸輪等。金屬陶瓷硬質合金 （3 3）高熔點材料）高熔點材料 一些高熔點的金屬和金屬化合物如一些高熔點的金屬和金屬化合物如W W、MoMo、WCWC、TiCTiC等，用熔煉等，用熔煉和鑄造方法生產(chǎn)比較困難，可用粉末冶金方法生產(chǎn)，如各種金屬陶和鑄造方法生產(chǎn)比較困難，可用粉末冶金方法生產(chǎn)，如各種金屬陶瓷、鎢絲及瓷、鎢絲及MoMo、TATA、NbNb等難熔金屬和高溫合金。等難熔金屬和高溫合金。 （4 4）特殊電磁性能材料）特殊電磁性能材料 如多孔過濾材料，假合金材料等如多孔過濾材料，假合金材料等 缺點：由于
9、設備和模具的限制，粉末冶金還只能生產(chǎn)尺寸有限缺點：由于設備和模具的限制，粉末冶金還只能生產(chǎn)尺寸有限和形狀不很復雜的制品，燒結零件的韌性較差，生產(chǎn)效率不高，成和形狀不很復雜的制品，燒結零件的韌性較差，生產(chǎn)效率不高，成本較高。本較高。 金屬陶瓷硬質合金1.3 硬質合金的性能特點、分類及應用1.3.11.3.1硬質合金的性能特點硬質合金的性能特點 （1 1）高硬度、耐磨性好、高熱硬性）高硬度、耐磨性好、高熱硬性 （2 2）抗壓強度、彈性模量高）抗壓強度、彈性模量高 抗壓強度高可達抗壓強度高可達6000MPa6000MPa，但抗彎強度，但抗彎強度 低，只有高速鋼的低，只有高速鋼的1/31/31/21/
10、2。彈性模。彈性模 量很高，韌性很差。量很高，韌性很差。 硬質合金焊接刀片硬質合金焊接刀片 （3 3）耐蝕性和抗氧化性良好，熱膨脹因數(shù)比鋼低）耐蝕性和抗氧化性良好，熱膨脹因數(shù)比鋼低 缺點：抗彎強度低、脆性大、導熱性差缺點：抗彎強度低、脆性大、導熱性差 加工：采用電加工（電火花、線切割）和專門的砂輪磨削加工：采用電加工（電火花、線切割）和專門的砂輪磨削 1.3.21.3.2硬質合金的分類、編號硬質合金的分類、編號 金屬陶瓷硬質合金金屬陶瓷硬質合金 (1) (1) 鎢鈷類硬質合金鎢鈷類硬質合金 由碳化鎢和鈷組成由碳化鎢和鈷組成, ,常用代號有常用代號有YG3YG3、YG6YG6、YG8YG8等。代
11、號中等。代號中“YG”YG”為為“硬硬”、“鈷鈷”兩字的漢語拼音字首，后面的數(shù)字表示鈷的含量兩字的漢語拼音字首，后面的數(shù)字表示鈷的含量（質量分數(shù)（質量分數(shù)100100）。）。 例如，例如，YG8，表示平均，表示平均WCo8，其余為碳化鎢的鎢鈷類硬，其余為碳化鎢的鎢鈷類硬質合金。質合金。 WC 刀具刀具金屬陶瓷硬質合金 （2）鎢鈷鈦類硬質合金）鎢鈷鈦類硬質合金 由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成，常用代號有由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成，常用代號有YT5、YT15、YT30等。代號中等。代號中“YT”為為“硬硬”、“鈦鈦”兩字的漢語拼音字首，后面兩字的漢語拼音字首，后面的數(shù)字表示碳化鈦的含量（質量分數(shù)的數(shù)字表示
12、碳化鈦的含量（質量分數(shù)100）。）。 硬質合金中，碳化物含量越多，鈷含量越少，則硬質合金的硬硬質合金中，碳化物含量越多，鈷含量越少，則硬質合金的硬度、熱硬性及耐磨性越高，但強度及韌性越低。度、熱硬性及耐磨性越高，但強度及韌性越低。 例如，例如，YT15，表示平均，表示平均WTi15，其余為碳化鎢和鈷含量的，其余為碳化鎢和鈷含量的鎢鈦鈷類硬質合金。鎢鈦鈷類硬質合金。 TIC 刀具刀具金屬陶瓷硬質合金 （3）通用硬質合金）通用硬質合金 主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）及鈷。這主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）及鈷。這類硬質合金又稱通用硬質合金或萬能硬質合金。類硬質合金又稱通用
13、硬質合金或萬能硬質合金。 其牌號由其牌號由“YW”（“硬硬”、“萬萬”兩字漢語拼音字首）加順兩字漢語拼音字首）加順序號組成，如序號組成，如 YW1。 鎢鈦鉭刀具鎢鈦鉭刀具金屬陶瓷硬質合金1.3.3 1.3.3 硬質合金的應用硬質合金的應用 硬質合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。鎢鈷類合金刀硬質合金主要用于制造切削刀具、冷作模具、量具和耐磨零件。鎢鈷類合金刀具主要用來切削加工產(chǎn)生斷續(xù)切屑的脆性材料；鎢鈷鈦類合金主要用來切削加工韌具主要用來切削加工產(chǎn)生斷續(xù)切屑的脆性材料；鎢鈷鈦類合金主要用來切削加工韌性材料；通用硬質合金既可切削脆性材料，又可切削韌性材料。硬質合金也用于冷性材料；
14、通用硬質合金既可切削脆性材料，又可切削韌性材料。硬質合金也用于冷拔模、冷沖模、冷擠壓模及冷鐓模。拔模、冷沖模、冷擠壓模及冷鐓模。 金屬陶瓷硬質合金 硬質合金應用推薦金屬陶瓷硬質合金 1.3.4 鋼結硬質合金鋼結硬質合金 是近年來發(fā)展的一種新型硬質合金，是以一種或幾種碳化物是近年來發(fā)展的一種新型硬質合金，是以一種或幾種碳化物（WC、TiC）等為硬化相，以合金鋼（高速鋼、鉻鉬鋼）粉末為）等為硬化相，以合金鋼（高速鋼、鉻鉬鋼）粉末為粘結劑，經(jīng)配料、壓型、燒結而成。鋼結硬質合金具有與鋼一樣粘結劑，經(jīng)配料、壓型、燒結而成。鋼結硬質合金具有與鋼一樣的可加工能力，可以鍛造、焊接和熱處理。的可加工能力，可以鍛
15、造、焊接和熱處理。 缺點：脆性大、韌性低、難以加工成型，制約了工程結構陶瓷缺點：脆性大、韌性低、難以加工成型，制約了工程結構陶瓷發(fā)展及其應用。發(fā)展及其應用。 金屬陶瓷硬質合金 1.4 燒結成型燒結成型 硬質合金燒結成型就是將粉末壓制成坯料，再進燒結爐加熱到硬質合金燒結成型就是將粉末壓制成坯料，再進燒結爐加熱到一定溫度（燒結溫度），并保持一定的時間（保溫時間），然后一定溫度（燒結溫度），并保持一定的時間（保溫時間），然后冷卻下來，從而得到所需性能的硬質合金材料冷卻下來，從而得到所需性能的硬質合金材料 。 硬質合金燒結過程可以分為四個基本階段：硬質合金燒結過程可以分為四個基本階段： 1：脫除成形劑
16、及預燒階段，在這個階段燒結體發(fā)生如下變化：脫除成形劑及預燒階段，在這個階段燒結體發(fā)生如下變化： 成型劑的脫除，燒結初期隨著溫度的升高，成型劑逐漸分解成型劑的脫除，燒結初期隨著溫度的升高，成型劑逐漸分解或汽化，排除出燒結體，與此同時，成型劑或多或少給燒結體增或汽化，排除出燒結體，與此同時，成型劑或多或少給燒結體增碳，增碳量將隨成型劑的種類、數(shù)量以及燒結工藝的不同而改變。碳，增碳量將隨成型劑的種類、數(shù)量以及燒結工藝的不同而改變。 粉末表面氧化物被還原，在燒結溫度下，氫可以還原鈷和鎢的粉末表面氧化物被還原，在燒結溫度下，氫可以還原鈷和鎢的氧化物，若在真空脫除成型劑和燒結時，碳氧反應還不強烈。粉氧化物
17、，若在真空脫除成型劑和燒結時，碳氧反應還不強烈。粉末顆粒間的接觸應力逐漸消除，粘結金屬粉末開始產(chǎn)生回復和再末顆粒間的接觸應力逐漸消除，粘結金屬粉末開始產(chǎn)生回復和再結晶，表面擴散開始發(fā)生，壓塊強度有所提高。結晶，表面擴散開始發(fā)生，壓塊強度有所提高。 金屬陶瓷硬質合金 2：固相燒結階段（：固相燒結階段（800-共晶溫度）共晶溫度） 在出現(xiàn)液相以前的溫度下，除了繼續(xù)進行上一階段所發(fā)生的過程在出現(xiàn)液相以前的溫度下，除了繼續(xù)進行上一階段所發(fā)生的過程外，固相反應和擴散加劇，塑性流動增強，燒結體出現(xiàn)明顯的收縮。外，固相反應和擴散加劇，塑性流動增強，燒結體出現(xiàn)明顯的收縮。 3：液相燒結階段（共晶溫度：液相燒結
18、階段（共晶溫度-燒結溫度）燒結溫度） 當燒結體出現(xiàn)液相以后，收縮很快完成，接著產(chǎn)生結晶轉變，形當燒結體出現(xiàn)液相以后，收縮很快完成，接著產(chǎn)生結晶轉變，形成合金的基本組織和結構。成合金的基本組織和結構。 4：冷卻階段（燒結溫度：冷卻階段（燒結溫度-室溫）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，對硬質合金進行熱處理以提高其物理機變化，可以利用這一特點，對硬質合金進行熱處理以提高其物理機械性能。械性能。 金屬陶瓷硬質合金1.5 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 當前硬質合金刀具材料牌號正向著兩個相反的方向發(fā)展，一當
19、前硬質合金刀具材料牌號正向著兩個相反的方向發(fā)展，一方面，通用型牌號的適用面越來越廣，通用性越來越強。另一方方面，通用型牌號的適用面越來越廣，通用性越來越強。另一方面，專用型牌號越來越具有針對性，更加適應被加工材料和切削面，專用型牌號越來越具有針對性，更加適應被加工材料和切削條件，從而達到提高切削效率的目的。條件，從而達到提高切削效率的目的。 如：美國如：美國Kennametal公司推出的新的公司推出的新的KU系列系列(KU10T、KU25T、KU30T)牌號就具有非常廣泛的通用性。其中，牌號就具有非常廣泛的通用性。其中，KU10T和和KU25T采用了具有高韌性的和高耐磨性的硬質合金基體，并配采
20、用了具有高韌性的和高耐磨性的硬質合金基體，并配以高含鋁量的以高含鋁量的TiN+TiAlN復合復合PVD涂層；而涂層；而KU30T則采用了韌性則采用了韌性極好的富鈷層梯度硬質合金基體，配以極好的富鈷層梯度硬質合金基體，配以TiN+TiCN+TiN復合復合CVD涂層。新的涂層。新的KU系列牌號可廣泛適用于鋼、不銹鋼、鑄鐵、非鈦系列牌號可廣泛適用于鋼、不銹鋼、鑄鐵、非鈦合金、高溫合金和硬材料的車削、鏜孔、切槽、切斷和螺紋加工。合金、高溫合金和硬材料的車削、鏜孔、切槽、切斷和螺紋加工。該公司新推出的該公司新推出的KC5510和和KC5525則是專為高效率加工高溫合金則是專為高效率加工高溫合金而設計的牌
21、號，晶粒細化的高鈷硬質合金基體，配以高性能的而設計的牌號，晶粒細化的高鈷硬質合金基體，配以高性能的TiAlNPVD涂層，使刀片具有極強的抗熱變形能力，可以比其它涂層，使刀片具有極強的抗熱變形能力，可以比其它PVD涂層刀具提高兩倍以上的切削速度。日本涂層刀具提高兩倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具超硬工具株式會社推出的株式會社推出的T6000系列牌號系列牌號(T6020、T6030)，則是專為不銹，則是專為不銹鋼車削加工開發(fā)的鋼車削加工開發(fā)的CVD牌號。牌號。ISCAR公司推出的專用于高速銑削公司推出的專用于高速銑削加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵的加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵的DO-TEC涂層牌號涂層
22、牌號(DT7150)，采用了，采用了Al2O3-MTCVD內(nèi)涂層加內(nèi)涂層加TiAlNPVD外涂層的復合涂層技術，具外涂層的復合涂層技術，具有極高的耐磨性及抗剝落性。有極高的耐磨性及抗剝落性。 金屬陶瓷硬質合金 金剛石金剛石CVD涂層刀具的性能又有了進一步的提高，產(chǎn)品覆蓋涂層刀具的性能又有了進一步的提高，產(chǎn)品覆蓋了可轉位刀具和整體硬質合金刀具。廈門金鷺特種材料有限公司了可轉位刀具和整體硬質合金刀具。廈門金鷺特種材料有限公司展出了新開發(fā)的展出了新開發(fā)的“青霜青霜”系列超細結晶金剛石涂層立銑刀。與通系列超細結晶金剛石涂層立銑刀。與通常的金剛石涂層相比，常的金剛石涂層相比，“青霜青霜”系列金剛石涂層為
23、超細結晶，平系列金剛石涂層為超細結晶，平均粒度均粒度1m，涂層表面更加光滑，刀具壽命可提高，涂層表面更加光滑，刀具壽命可提高20倍以上。倍以上。日本日本OSG公司也展出了適用于石墨電極和銅電極加工的超微粒結公司也展出了適用于石墨電極和銅電極加工的超微粒結晶金剛石涂層銑刀，結晶粒度為晶金剛石涂層銑刀，結晶粒度為1m，涂層厚度，涂層厚度620m，使刀，使刀具的刃口更加鋒利，減少切削中的粘結，降低了工件表面的粗糙具的刃口更加鋒利，減少切削中的粘結，降低了工件表面的粗糙度。美國度。美國SGS刀具公司則推出了非晶體的金剛石刀具公司則推出了非晶體的金剛石(AmorphousDiamond)涂層立銑刀，用以
24、加工最具磨損特性的材料。涂層立銑刀，用以加工最具磨損特性的材料。刀具表面是沿著刀具曲面精確形成的晶瑩光滑的厚度約為刀具表面是沿著刀具曲面精確形成的晶瑩光滑的厚度約為1m的的非晶體金剛石薄膜，其最顯著的特點是使刀具在具有金剛石極高非晶體金剛石薄膜，其最顯著的特點是使刀具在具有金剛石極高的抗磨損能力的抗磨損能力(表面硬度達表面硬度達6090GPa)的同時，又具有光滑的刀具的同時，又具有光滑的刀具表面，降低了刀具表面與工件的摩擦，從而大大降低了切削溫度。表面，降低了刀具表面與工件的摩擦，從而大大降低了切削溫度。此外，非晶體金剛石涂層的另一大特點是對刀具基體材質沒有特此外，非晶體金剛石涂層的另一大特點是對刀具基體材質沒有特殊要求，可在任何材質的刀具基體表面涂覆，其涂覆溫度僅為殊要求，可在任何材質的刀具基體表面涂覆，其涂覆溫度僅為150。據(jù)介紹。據(jù)介紹SGS非晶體金剛石刀具可比非晶體金剛石刀具可比AlTiN涂層刀具的壽命涂層刀具的壽命長長6倍。倍。 金屬陶瓷硬質合金
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