硬质合金及其应用            

由于硬质合金的气孔率＜5%，所以属于不吸水产品。其密度的量测：一般零件小、密度高、一般工业界取 ±0.01g/cm3或 ±0.1g/cm3 的公差。经验告诉我们：买0.001g/cm3和0.0001g/cm3精度的客户都有，依客户自己的需求而定。

硬质合金是由难熔金属硬质化合物和粘结金属经粉末冶金方法制成的高硬度材料。

难熔金属硬质化合物：通常指元素周期表第Ⅳ、V、Ⅵ族中过渡元素(钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨)的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物。硬质合金中广泛使用的是碳化物，主要是碳化钨和碳化钽(碳化铌)。这些碳化物的共同特点是：熔点高，硬度高，化学稳定性好，热稳定性好，常温下与粘结金属的相互溶解作用很小…..等。

粘结金属应符合下列要求：在硬质合金的工作温度(如1000℃)下不会出现液相，能较好地湿润碳化物表面，在烧结温度下不与碳化物发生化学反应。本身的物理力学性能较好等。铁族金属及其合金能不同程度地满足上述要求。其中最好的是钴，其次是镍，铁很少单独使用。

中国有株洲硬质合金厂、自贡硬质合金厂两大硬质合金厂。目前全国共有硬质合金150多家，年产硬质合金15000 t，占世界产量的39.5%。

硬质合金的种类：

制造烧结硬质合金中，实际广泛应用的所谓硬质化合物只有碳化物。按其碳化物基体成分可分为以下三类：

1、WC-Co.(或称钨钴)类合金：这类合金主要由碳化钨和钴组成。这类合金与含钴量相同的其它硬质合金比较，具有最高的抗弯强度、抗压强度、冲击韧度和弹性模量，以及较小的膨胀系数。按照钴的质量分数，这类合金可分为低钴(3% ~8%)、中钴(10% ~15%)、高钴(20% ~30%)合金三类。

2、WC-TiC-Co (或称钨钴钛)类合金：与WC-Co类合金比较，这类合金具有较高的抗氧化性，在长切屑材料的加工中采用高速切削时有较高的刀具寿仑。其缺点是强度较WC-Co合金低。

3、WC-TiC-TaC (NbC) –Co (或钨钴钛钽(铌)这类合金主要用于钢材的切削加工，但比WC-TiC-Co合金有更好的高温抗氧化性，同时也有较好的抗热震性。

随着生产发展的需求，近些年来，出现了很多硬质合金品种，例如：

A、碳化钛基合金：这类合金由碳化钛、金属镍和金属钼或碳化二钼组成。它主要用于钢材的精切削加工，且切削速度在较大范围内变化时，刀具仍贝高的寿命。

B、钢结硬质合金：这类合金由碳化钨或碳化钛与碳素纲或合金钢组成。

C、超细硬质合金：这类合金的碳化物晶粒平均尺寸在1mm以下。

D、表面涂层硬质合金：这是一种在韧性较好的硬质合金基体上，沉积一层几微米硬度厚、耐磨性好的金属化合物(如 TiC、TiN、Al2O3)的硬质合金。

某些硬质化合物的性能：

碳化物：

材料         TiC       ZrC       HfC     VC     NbC   

密度g/cm3    4.9        6.4       12.7     5.8     7.8

材料         TaC      Cr3C2     Mo2C    WC    W2C

密度g/cm3   14.5       6.7        9.2      15.8     17.3

氮化物：

材料         TiN       ZrN       HfN     VN     NbN   

密度g/cm3    5,4       7.3        14.0     6.1      7.3

材料         TaN      CrN    

密度g/cm3    14.1      6.1

硼化物：

材料         TiB2       ZrB2     HfB2     VB2     NbB2   

密度g/cm3    4.5        6.1       11.2      5.1       7.2

材料         TaB2      CrB2     MoB2     WB     

密度g/cm3   12.6        5.6       7.8       16.0    

硅化物：

材料         TiSi2      Zr Si2      VSi2      NbSi2   

密度g/cm3    4.4        4.9        4.7       5.3   

材料         TaSi2      CrSi2     MoSi2     WSi2   

密度g/cm3    8.8        4.4        6.1        9.3   

硬质合金的性能检测项目主要包括：

1、物理性能(密度、电导率、热膨脉系数、磁性等) 检测。

2、力学性能(硬度、强度、冲击韧度、弹性模量) 检测。

3、化学性能(抗氧化性、抗腐蚀性) 检测。

4、使用性能(切削性能、高温性能等)检测。

最常规的性能检测指针有密度、硬度和抗弯强度等。

工业WC-Co合金：

A、钨钴合金的密度是随着材料混合的成分比率、成形的方法、烧结的温度有所不同。

B、洛氏硬度为84~ 92HRA，相对当于维氏硬度8000 ~17000HV，硬度与合金中的钴含量、碳化钨相的晶粒大小有关，钴含量增多，硬度就降低。粗晶粒硬质合金比细晶粒硬质合金的硬度低。在WC-Co合金中加入TiC时可提高硬度。

C、钨钴合金抗弯强度一般为1600 ~2800Mpa。

硬质合金的制备流程：

硬质合金的制备工艺随着技术的发展而不断发展。其基本工艺包括三大部分：

一、是粉末的制备 二、是粉末成型 三、是固化烧结。

通常硬质合金生产中，采用的球磨介质和增塑剂来概括其生产工艺。目前，在世界各国的硬质合金生产企业中，采用的球磨介质有酒精、乙烷、丙酮等、采用的增塑济有橡胶、石蜡、PEG等。

最典型的是：

A、以酒精作为球磨介质，橡胶作为增塑剂，以氢气烧结的橡胶工艺。

B、以已烷作为球磨介质，石蜡作为增塑剂的石蜡工艺。

1、橡胶工艺流程：          酒精

                            ↓

WC-Co添加金属 → 配料 → 湿磨 → 过筛卸料 → 蒸气振动干燥 → 过筛 → 橡胶混合 → 干燥制粒 → 压制成形 → 氢气烧结 →成品

      ↑

   橡胶溶液

橡胶工艺的特点如下所述：

1、合金常出现增碳，其碳量控制难度大。

2、橡胶存放时间长会老化而失去粘结作用。

3、氢气中常含水蒸气、氧、氮等杂质气体，使合金性能降低。

4、橡胶成型性好，压坏强度高，橡胶不易汽化挥发，使合金不易出现裂纹。

5、氢气烧结炉构造简单，造价便宜，操作简便。

2、石蜡工艺流程：       乙烷、石蜡

                            ↓

WC-Co添加金属 → 配料 → 湿磨 → 过筛卸料 → 喷雾干燥制粒 → 压制成形 → 真空烧结 →成品

石蜡工艺的特点如下所述：

1、简化生产流程，缩短生产周期。

2、设备复杂，庞大，厂房要求高，投资额大。

3、材料流动性好，压模填充性好。松装密度较稳定，易实现精密压制。

4、石蜡纯度高，长期储存不变质。合金碳量易于控制。

5、石蜡成型性差，加压快则强度较低，易出现裂纹。

6、真空烧结合金纯度高、密度高、强度高，耐磨性好。操作方便，节约能源。