硬质材料之硬质合金与硬质合金涂层.pptx

第四章 硬质材料第一节 硬质合金第二节 硬质合金涂层 硬质材料包括硬质合金，并包括组成硬质合金的碳化钨粉、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳化钛这些硬质粉末，以及金刚石（C） ， PcD （多晶钻）, cBN （立方氮化硼）, 和 Si3N4氮化硅。 PcD（多晶钻）是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之后，在高温高压环境下沉积为相干结构的人造材料。 cBN（立方氮化硼）是来自PcBN的多晶体。 PcBN是一种由cBN微粒和陶瓷或金属触媒粘合剂在高温高压下沉积而成的聚合体。 Si3N4氮化硅是一种具有高抗碎性能的陶瓷材料。 硬质合金和碳-氮化合物--尽管高速钢对于如钻孔、拉削这样的应用仍然非常重要，但大多数的金属切削都是通过硬质合金工具完成的。对于那些非常难于加工的材料，硬质合金现在正逐渐由碳氮化合物、陶瓷制品和超硬材料所替代。渗碳的（或烧结的）硬质合金和碳氮化合物，被世界上大多数一致认为是硬金属，是一系列通过粉末冶金技术制成的非常硬的、耐火、耐磨的合金。微小的硬质合金或者氮化物颗粒在处于烧结温度液体时被金属粘结剂“胶结”。个体硬金属的成分和属性与那些黄铜和高速钢是不同的。所有的硬金属都是金属陶瓷，是由陶瓷颗粒和金属粘结剂化合而成。 第一节 硬质合金“碳化钨”是非常硬的硬质合金颗粒，特别是碳化钨在富铁基质的出现使得高速钢具有优异的加工能力。早期的硬质合金在用于工业用途时过于脆弱，但是不久发现将碳化钨粉末与大约10%的金属，如铁、镍或钴，允许压坯在大约1500℃下烧结，在这个过程中生成的产品具有低孔隙率、非常高的硬度，而且相当大的强度。这些性质的组合使得材料理想的适合用来作为切削金属的加工刀具。硬质合金的变化是由铜焊接硬质合金嵌入变成夹具嵌入，以及涂敷技术的迅速发展。 硬质合金刀具材料的制法： 一种是经过压锻和烧结至精确的形状和尺寸。 另外的一个进步是高温真空固态渗粘法（HIP）的应用。此方法实际上允许通过高压下的惰性气体将硬质合金中所有的残余孔隙度都挤出来，应用的温度大约是烧结温度。通过此方法刚度、抗裂强度和抗震性能可以提高两倍或者以三倍，而且非常大的烧结部件的废品率减少至先前水平的很小一部分。 硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金的种类碳化钨/钴（WC/Co）： 首先进行商业应用的烧结硬质合金是由碳化钨高角颗粒与金属钴粘结而成。 对于从装填密度而获得的最大硬度，碳化钨细粒应尽可能的小，最好低于1μm（0.00004英寸）而且对于特殊用途要相当小。随着钴含量的降低其硬度和耐磨损性能增高，只要保证烧结中存在最低含量的钴（2%即可，尽管实际的最低含量是3%）即可。总之，随着碳化物细粒或钴的含量或者两者的增加，会获得更硬或者较软的等级。 许多碳化钨/钴成分是通过少量但非常重要的添加剂进行调整的--从0.5到大约3%的钽、铌、铬、钒、钛、铪，或其他的碳化物。这些添加剂基本的用途一般是抑制细粒成长，因此可以保持始终如一的精细结构。 钨钛碳化物/钴（WC/TiC/Co）： 这些百分度用来作为刀具切削钢材和其他铁基合金，TiC成分的作用是抵制由化学分解和形成麻坑所产生高温的扩散性冲击。碳化钨扩散到刀片的表面，但是碳化钛对这种扩散极具抵抗力。TiC中固溶体或“固溶晶体”的WC保持着防止形成麻坑性质到很大的程度。 可惜得是，碳化钛和TiC基固溶体非常脆而且不如碳化钨耐磨。因此尽可能地将TiC的含量保持在最低水平。 在极限配方中碳化物是不含钨的并且完全是基于TiC基础之上的，但一般的TiC成分不能超过18%。如果超过这个数值，碳化物变得过脆并且非常难于铜焊。 一般情况下 WC/TiC/Co的成分具有两种显著的碳化物相，几乎纯净的WC角晶体和磨圆的TiC/Co 混合晶体。在发展的制造业中尽管WC/TiC/Co硬金属应用非常广泛，在某些重要的考虑中是禁止使用的，它们在许多应用中被具有更高强度以及抗麻坑优势的WC/TiC/Ta(Nb)C/C9系列所替代。TiC， TiN以及其他在硬基质上的涂敷也已经减少了高速加工钢和铁合金对高TiC成分的吸引力。碳化钨-钛-钽（-铌）/钴： 除了涂敷碳化物之外，钨-钛-钽（-铌）等级可能是最常见的硬金属级别了。主要应用于切削钢，它们组合并改进了长久以来形成的WC/TiC/Co成分大多数的特性。这些碳化物直接可以与碳-氮化合物及碳化硅陶瓷相媲美，并且这个级别最好的硬质合金可以完成所有类型钢的高速切削重任，这包括奥氏体不锈钢系列。