硬质合金的材料性质

材料性质

    硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。

    ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔点特别高，统称为硬质合金。下面以碳化物为重点来说明硬质含金的结构、特征和应用。

    ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属与碳形成的金属型碳化物中，由于碳原子半径小，能填充于金属晶格的空隙中并保留金属原有的晶格形式，形成间隙固溶体。在适当条件下，这类固溶体还能继续溶解它的组成元素，直到达到饱和为止。因此，它们的组成可以在一定范围内变动（例如碳化钛的组成就在TiC0.5～TiC之间变动），化学式不符合化合价规则。当溶解的碳含量超过某个极限时（例如碳化钛中Ti︰C=1︰1），晶格型式将发生变化，使原金属晶格转变成另一种形式的金属晶格，这时的间充固溶体叫做间充化合物。

    金属型碳化物，尤其是ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属碳化物的熔点都在3273K以上，其中碳化铪、碳化钽分别为4160K和4150K，是当前所知道的物质中熔点至高的。大多数碳化物的硬度很大，它们的显微硬度大于1800kg·mm2（显微硬度是硬度表示方法之一，多用于硬质合金和硬质化合物，显微硬度1800kg·mm2相当于莫氏一金刚石一硬度9）。许多碳化物高温下不易分解，抗氧化能力比其组分金属强。碳化钛在所有碳化物中热稳定性至好，是一种非常重要的金属型碳化物。然而，在氧化气氛中，所有碳化物高温下都容易被氧化，可以说这是碳化物的一大弱点。

    除碳原子外，氮原子、硼原子也能进入金属晶格的空隙中，形成间隙固溶体。它们与间隙型碳化物的性质相似，能导电、导热、熔点高、硬度大，同时脆性也大。

    硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结金属。

    硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很高，熔点都在2000℃以上，有的甚至超过4000℃。另外，过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。

    硬质合金对碳化钨WC粒度的要求根据不同用途的硬质合金采用不同粒度的WC(碳化钨)。硬质合金切削刀具：比如切脚机刀片、V-CUT刀等精加工合金采用超细、亚细、细颗粒WC，粗加工合金采用中颗粒WC，重力切削和重型切削的合金采用中、粗颗粒WC做原料；矿山工具：岩石硬度高，冲击负荷大，采用粗颗粒WC，岩石冲击小冲击负荷小采用中颗粒WC做原料；耐磨零件：当强调其耐磨性、抗压和表面光洁度时，采用超细、亚细、细、中颗粒WC做原料，耐冲击工具采用中、粗颗粒WC原料为主。

　　WC理论含碳量为6.128%(原子50%)，当WC含碳量大于理论含碳量，则WC中出现游离碳(WC+C)。游离碳的存在，烧结时使其周围的WC晶粒长大，致使硬质合金晶粒不均匀。碳化钨一般要求化合碳高(≥6.07%)，游离碳(≤0.05%)，总碳则决定于硬质合金的生产工艺和使用范围。

　　正常情况下，石蜡工艺真空烧结用WC总碳主要决定于烧结前压块内的化合氧含量。含一份氧要增加0.75份碳，即WC总碳=6.13%+含氧量%×0.75(假设烧结炉内为中性气氛，实际上多数真空炉为渗碳气氛，所用WC总碳小于计算值)。

　　目前我国WC的总碳含量大致分为三种：石蜡工艺真空烧结用WC的总碳约为6.18±0.03%(游离碳将增大)。石蜡工艺氢气烧结用WC的总碳含量为6.13±0.03%。橡胶工艺氢气烧结用WC总碳=5.90±0.03%。上述工艺有时交叉进行，因此确定WC总碳要根据具体情况。

　　不同使用范围、不同Co(钴)含量、不同晶粒度的合金所用WC总碳可做一些小的调整。低钴合金可选用总碳偏高的碳化钨，高钴合金则可选用总碳偏低的碳化钨。总之，硬质合金的具体使用需求不同对碳化钨粒度的要求也不同。

粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。

    制造硬质合金时，选用的原料粉末粒度在1～2微米之间，且纯度很高。原料按规定组成比例进行配料，加进酒精或其他介质在湿式球磨机中湿磨，使它们充分混合、粉碎，经干燥、过筛后加入蜡或胶等一类的成型剂，再经过干燥、过筛制得混合料。然后，把混合料制粒、压型，加热到接近粘结金属熔点（1300～1500℃）的时候，硬化相与粘结金属便形成共晶合金。经过冷却，硬化相分布在粘结金属组成的网格里，彼此紧密地联系在一起，形成一个牢固的整体。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。SGS硬质合金铣刀