1、,第三章 硬質(zhì)合金的組織與性能的關(guān)系,第一節(jié) 組織缺陷與合金強度的關(guān)系,一、硬質(zhì)合金中常見的組織缺陷 孔隙、粗大碳化鎢晶粒、鈷池、石墨夾雜等 孔隙：普通燒結(jié)出來的硬質(zhì)臺金內(nèi)部不可避免的有0.22%的孔隙，這對合金性能有嚴重的影響。據(jù)有關(guān)研究，對WC-10%Co的粗晶粒工具合金，如能將其制成無孔隙的合金，其強度可由280290公斤/毫米2提高到340400公斤/毫米2。 石墨聚集:石墨聚集段也常是合金破壞的根源。因為石墨本身強度低，同時又是應(yīng)力集中點，疲勞裂紋往往由此擴展，從而破壞了材料的致密性。 鈷池：所謂鈷池缺陷對沒有浸潤碳化鎢的富鈷集中區(qū)，它和碳化鎢粗晶一樣會影響合金的強 度。,二、組織缺

2、陷與合金強度的關(guān)系,(1)組織缺陷的大小和形狀的影響 鈴木壽認為，孔隙、碳化鎢粗晶和鈷池對合金強度具有同樣的影響，它們造成的應(yīng)力集中致使合金破壞時作用在缺陷上的外力小于合金的強度。如設(shè)無缺陷的合金的強度(即基體強度)，且合金為完全脆性破壞，那從Griffith理論可以導(dǎo)出在下式得到滿足的瞬間，試樣將從其缺陷處產(chǎn)生破壞：,無缺陷合金的抗彎強度；,破壞瞬間作用在缺陷上的外部應(yīng)力 a 缺陷長軸的一半；,缺陷尖端的曲率半徑。,缺陷變得更長或更尖銳均會增大合金中的應(yīng)力集中，降低合金強度。,組織缺陷大小對WC-10Co合金強度的影響,合金的抗彎強度；,同前； l試樣的跨距； l缺陷至跨距中心的距離； h試

3、樣的厚度； h缺陷至最大張力面的距離。,在觀察硬質(zhì)合金的抗彎強度測試試樣時，?？梢钥吹綌嗔言床皇翘幱谠嚇涌缇嗟闹醒?，而是稍有偏離(h)，如圖(3-1)所示。林宏爾等(4)運用材料力學(xué)推導(dǎo)出斷裂源為止對硬質(zhì)合金強度的影響：,(2) 組織缺陷位置的影響,從上式可看出，缺陷越靠近跨距中心(l越小)，或越靠近最大受張力面(h越小)，合金的抗彎強度越低。,硬質(zhì)合金的抗彎強度不僅與組織缺陷的大小形狀有關(guān)，還與其所處的位置有關(guān),同組織缺陷的大小、形狀及位置一樣，其數(shù)量的多少也對合金強度有顯著影響。就以孔隙來說，Kpemmep等認為，隨著孔隙度增大，產(chǎn)生裂紋的幾率是孔隙度的指數(shù)函數(shù)：,出現(xiàn)危險孔隙的幾率；,、

4、,常數(shù),孔隙度(體積百分數(shù)),無孔隙的硬質(zhì)合金的實際強度；,無孔隙的合金的強度； b常數(shù)。,孔隙僅僅是組織缺陷的一種，其他缺陷對合金強度的影響是等效的。因為其他各種組織缺陷同樣會引起應(yīng)力集中，在外部應(yīng)力作用下導(dǎo)致裂紋的形成與擴展，造成合金破壞。 硬質(zhì)合金的斷裂過程包括裂紋的形成和擴展這兩個主要階段，以及最后導(dǎo)致斷裂的階段。在斷裂過程中，裂紋的形成主要取決于裂源的大小和位置；而裂紋的擴展則還要由作為二次裂源的組織缺陷的大小和密集程度來決定。所以，當(dāng)組織缺陷增多時，不僅產(chǎn)生裂紋的幾率增大，而且裂紋的擴展也更容易，從而使硬質(zhì)合金的強度降低。,2、組織缺陷的數(shù)量與合金強度的關(guān)系,1、組織缺陷的成因 (

5、1)孔隙 孔隙是由于各種原因殘留在合金內(nèi)部的氣體造成的。 壓坯中殘留的氧化物在高溫區(qū)被還原，生成氣體外逸時，由于液相表面張力的作用，往往形成邊界較圓滑的孔隙。 混合料如石蠟分散不均，且干燥溫度偏高，將會形成硬殼粒子。這些粒子在低溫區(qū)不易充分分解，進入高溫區(qū)后會分解成碳和氫，氣體的急劇逸出也會造成孔隙。 如體積較大的壓坯燒結(jié)時，其中的橡膠成形劑未來得及充分裂化就進入高溫區(qū)，產(chǎn)生的氣體急劇逸出，則易形成形狀不規(guī)則的孔隙。 此外，外來雜質(zhì)發(fā)生熔化、分解、揮發(fā)時，也會造成孔隙。,三、組織缺陷的成因及去除方法,(2)異常粗大的碳化鎢 碳化鎢粗晶產(chǎn)生的原因是原始碳化鎢粉的粒度分布范圍過寬，特別是當(dāng)燒結(jié)溫度

6、過高或保溫時間過長時，將使碳化鎢的重結(jié)晶速度加快，導(dǎo)致產(chǎn)生異常粗大的碳化鎢晶粒。 (3)鈷池： 鈷池產(chǎn)生的主要原因是原始鈷粉的顆粒粗大，或混磨工藝不當(dāng)致使混合料中鈷的分散程度差。這時，越是進行短時低溫?zé)Y(jié)，越易形成鈷池。 如果合金碳含量偏高，燒結(jié)溫度也偏高，這時液相量增多，液相粘度降低，鈷相也會流聚成團而形成鈷池。 (4) 游離石墨，相、外來夾雜等缺陷的形成原因已在前面提及或?qū)⒃诤竺嬗懻摗?缺陷成因,目前減少硬質(zhì)合金組織缺陷的最有效方法是熱等靜壓。熱等靜壓時，各向均勻的壓力作用在被加熱的壓坯上，使合金內(nèi)部的裂紋和孔隙減少或消除，還可使鈷池流動均勻化，并充分浸潤碳化鎢骨架，從而顯著提高合金的強度

7、。,表3-2 熱等靜壓工藝處理后合金內(nèi)部孔隙數(shù)量的變化,減少缺陷方法,表3-3 熱等靜壓與普通燒結(jié)的WC-Co合金的強度對比,不同表面狀態(tài)下合金的強度,(2)去除混合料中的粗大的碳化鎢顆粒和鈷顆粒，可以避免合金中30微米以上的粗顆粒鈷，并不超過燒結(jié)溫度和避免長時間燒結(jié)，才能使合金強度提高且穩(wěn)定。 (3)噴砂或研磨處理能減少合金表面缺陷，產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而提高合金強度。,斷口上組織缺陷的分布情況,其它缺陷去除方法,WC晶粒度的增大會導(dǎo)致合金硬度的持續(xù)下降；而WC晶粒的增大在一定限度內(nèi)會使合金強度增高，過此限度后則會使合金強度下降。這說明為了為什么對普通WC-Co合金，硬度和抗彎強度難以同時兼顧。

8、特殊方法制造的超細晶粒合金（其中碳化物相晶粒平均尺寸（1）的硬度、強度均比相同成分的普通合金高。一般硬度要高1.52HRA硬度值，抗彎強度要高6080公斤/毫米2，高溫硬度、抗壓強度也高得多。,碳化鎢和粘結(jié)相晶粒度對合金性能的影響,目前，對相晶粒度的影響的研究較少，但已受到重視。鈴木壽在研究中發(fā)現(xiàn)相晶粒越細，合金的抗彎強度越高，且當(dāng)鈷含量越高時越明顯。這一研究結(jié)果對硬質(zhì)合金強度的理解提供了新的事實相細化強化機理。 鈴木壽還研究了WC、相晶粒度對WC-Co硬質(zhì)合金蠕變破壞強度的影響，他發(fā)現(xiàn)： 粘結(jié)相晶粒度一定時，在低溫下，WC越細，蠕變強度越高；但高溫下卻相反。 無論WC晶粒度多大，在各種溫度下

9、合金的蠕變強度均隨粘結(jié)相晶粒度增大而提高。,相晶粒度對合金性能的影響,（1）原始粒度 原始粒度越細，燒結(jié)時越易長大。當(dāng)原始粉末粒度分布很廣，特別是有大量細顆粒WC存在時，燒結(jié)時出現(xiàn)異常長大的晶粒數(shù)較多。 （2）雜質(zhì) 近來的研究表明，含量僅為10ppm左右的Fe之類的雜質(zhì)會促使燒結(jié)時WC晶粒長大。約0.3%的Ni和Cr能分別使燒結(jié)時WC晶粒發(fā)生明顯的粗化和細化。 (3)碳含量 碳含量對合金碳化物晶粒的影響極為顯著。普通認為隨碳含量增加，燒結(jié)時碳化物的長大更為嚴重。 Rees還用下式來定量描述碳含量對燒結(jié)時碳化物晶粒長大程度的影響： 式中：Xs燒結(jié)后碳化物的平均晶粒度； Xc燒結(jié)前碳化物的平均晶粒

10、度。,WC晶粒度的影響因素,(1)燒結(jié)后的冷卻速度 鈴木壽(9)和靳?？档热?11)的研究都表明，冷卻速度越大，相的晶粒度越小。因為冷卻速度大時，成核速度也大，WC對相的晶核就來不及長大。但是，低鈷合金的相晶粒度受冷卻速度的影響較小。 (2)鈷含量 鉆含量越高，合金中相的晶粒度越大，反之則越細。這時因為鈷含量越高，合金中液相所占的體積百分數(shù)也越大，WC對相長大的抑制作用就相對減弱了。 (3)WC相的粒度 WC相晶粒度越大，相的晶粒度也越粗(8)，但也有相反的看法(11)。所以這個問題還有待于進一步的研究。 (4)碳含量 碳含量對相晶粒度的影響明顯。越是低碳的合金，相的粒度越粗大。因為對低碳合金

11、，相中固溶的WC量較高，而固相WC量相對減少，凝固時相就容易長大。,相晶粒度的影響因素,一、硬質(zhì)合金中的中間相 中間相的影響：WC-Co硬質(zhì)合金的性能明顯地取決于合金的最終成分和結(jié)構(gòu)，對理想碳含量的稍許偏離都會導(dǎo)致出現(xiàn)石墨或缺碳中間相(通常叫相)，它們的出現(xiàn)會嚴重地損害硬質(zhì)合金的物理機械性能和切削性能。 中間相的成分：從結(jié)構(gòu)上看，中間相是燒結(jié)過程中從鈷粘結(jié)相中析出的金屬間化合物。據(jù)研究，在不同溫度下會生成許多中間相，如Co3W3C、Co6W6C、Co2W4C、Co4W2C、Co2W、Co3W、Co13W13C4、CoW3C等等，其中最常見的是Co3W3C。 中間相的形態(tài)：，相的形態(tài)特征是玻璃狀

12、的粗大晶粒，并且?guī)缀鯖]有結(jié)構(gòu)缺陷。電子探針分析還表明即使當(dāng)硬質(zhì)合金中含有TiC，NbC，TaC等碳化物，相中也不會溶有Ti、Nb、Ta。,第二節(jié) 中間相析出對合金性能的影響,硬質(zhì)合金中中間相的存在對合金的彈塑性強度及韌性等都有不良影響。相損害硬質(zhì)合金性能的原因可以從以下幾個方面來考慮。 1. 相本身是一種硬而脆的金屬間化合物，且形狀不好，多為針狀，板條狀的粗大晶粒。所以它按粘結(jié)相中可以看作是結(jié)構(gòu)上的弱點，容易造成應(yīng)力集中，事實上，相的存在常會使合金發(fā)生脆斷，使用壽命下降。 2. 相結(jié)合著鈷而減少了作粘結(jié)用途的鈷的數(shù)量(比如“W3Co3C就可看成是由WC脫碳后奪取鈷而形成的)，因此含相的區(qū)域局部

13、地被奪去了粘結(jié)相，造成了結(jié)構(gòu)弱化區(qū)，鈷相自由程下降，合金的塑性、韌性也隨之降低。 3. 相的熱膨脹系數(shù)(910-6/)與WC的熱膨脹系數(shù)(5610-6/)有較大的差別，因此合金在受熱或冷卻時，相與WC截面上易造成局部應(yīng)力集中，從而降低合金性能。 4. 相的生成會使鈷相中鎢的含量增加，從而減少鈷相的延性。此外，相本身在高度集中的情況下，也易構(gòu)成一條裂紋擴展的通道。這些都會嚴重損害合金的斷裂韌性。,中間相對合金性能的影響,一、鈷的結(jié)構(gòu)及相變對合金性能的影響 在鐵，鈷，鎳這三種性質(zhì)接近，用途也有密切聯(lián)系的金屬中，鈷有一個特殊的性質(zhì)，即它在417左右會發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。這是一種馬氏體相變類型的轉(zhuǎn)變，在

14、相變溫度Ms以上，f.c.c.結(jié)構(gòu)的相是穩(wěn)定相，在相變溫度Ms以下，h.c.P.結(jié)構(gòu)的相是穩(wěn)定相。 眾所周知，h.c.p.結(jié)構(gòu)金屬往往塑性較差，而且h.c.p.結(jié)構(gòu)的-c。其c/a之值約等于1.6223，所以-Co與-Co相比獨立滑移系少，形變協(xié)調(diào)性較差，塑性及韌性較低。比如，Green wood發(fā)現(xiàn)(15)，當(dāng)Co中相含量從26%降至4%時，試樣的延伸率就從50%降至7%。因此，如何抑制這一有害的相變，使盡可能多的-Co保留到室溫，是提高鈷性能必須要解決的問題。 硬質(zhì)合金中的鈷相，由于溶入了W和C，其相變的溫度和程度會發(fā)生一定的變化，但依然會發(fā)生。尤其在硬質(zhì)合金刀具表面那些變形力涉及的部位，

15、鉆的相變更是不可避免，因為塑性變形會大大降低。-Co在室溫的穩(wěn)定性。這些-Co存在無疑會對合金的物理機械性能和耐磨性產(chǎn)生不良影響。因此，如果能有效地抑制這一相變，對全面地提高硬質(zhì)合金的性能會有重要作用，這在南非，比利時等國進行的研究中已得到證實。,第三節(jié) 鈷粘結(jié)相結(jié)構(gòu)對合金性能的影響,二、鈷及鈷相的強化 關(guān)于鈷及鈷相的強化，人們已做了不少工作，如合金化、彌散強化等。近年來的研究都集中在如何控制-Co-Co相變這一問題上。 1. 鈷的合金化 關(guān)于合金元素對鈷性能的影響，研究得比較多，其中以Diderrich等的研究較為系統(tǒng)，詳細(17)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈷中含有1%的Fe、W、Al、Ti、Zr、Nb

16、和Ta時，相的含量會有不同程度的增加。而當(dāng)鈷中有6%的Fe、Ti或10%的Ta時。合金中相含量超過80%。相含量的增加一般均伴有合金強度與延伸率的改善，但也有例外當(dāng)鈷中含有1%的Ni或W時，雖然相含量增加，強度和延伸率反而下降；而當(dāng)含有6%Fe時，雖然合金結(jié)構(gòu)以相為主，延伸率大大提高，但強度卻有所降低。 一般認為，某些合金元素之所以能抑制鈷的相變，增加相含量，是因為這些元素與鈷形成固溶體后會提高鉆的層錯能，使h.c.p.結(jié)構(gòu)的相形核發(fā)生困難。 近年來對鈷粘相所做的X衍射結(jié)構(gòu)分析表明，鈷相中相含量比純鈷中的要多，而且鈷相中-Co-Co相變的轉(zhuǎn)變沮度也提高到了750左右。這說明鈷相中溶解的W和WC

17、對-Co有一定的穩(wěn)定作用。,2. 鈷的彌散強化 在如何實現(xiàn)鉆和鈷相的彌散強化上，各國學(xué)者也做了不少研究工作。 Adkins在研究中發(fā)現(xiàn)(18)，適當(dāng)氧化物的加入能改善鈷及鈷合金的高溫抗蠕變性能。他認為鈷在高溫下蠕變抗力的增加是由于氧化物彌散相引起了位錯的塞積，從而使位錯的攀移受阻，蠕變速度也就降低了。 Adkins對含氧化物彌散相的鈷的室溫性能也做了研究。其結(jié)果（見表3-7）表明，當(dāng)鈷中含有適量氧化物時，不僅強度得到提高，連塑性也得到顯著改善。彌散相越細，分布越均勻，合金的室溫和高溫性能就越好。他認為，合金塑性的改善可能是由于彌散相對位錯運動有阻礙抑制了鈷的-Co-Co相變。,當(dāng)鈷基體中含有0

18、.11%(wt)CeO2、La2O3、Y2O3彌散質(zhì)點時，鈷的抗拉強度、硬度和延伸率均得到提高，尤其0.3%CeO2的加入可使抗拉強度和延伸率分別提高18.7%和80.4%。此外X射線衍射分析表明，稀土氧化物含量增加的同時，-Co的含量也在增加，最多可增加151.8%，這與鈷的強度，特別是塑性的改善有密切關(guān)系。 -Co-Co相變發(fā)生時，母相中的層錯對形核作用很大。電鏡觀察也表明，相的形核是層錯在相鄰面擴展的結(jié)果。具體的形核機制主要有極軸機制和層錯自發(fā)形核機制，前者與位錯運動密切相關(guān)，后者與促進形核的缺陷組織形態(tài)有關(guān)。 當(dāng)鈷中分布有適量的稀土氧化物彌散質(zhì)點時， 一方面質(zhì)點以安塞爾或奧羅萬機制阻礙

19、位錯運動，從而使依賴位錯運動的固態(tài)轉(zhuǎn)變受阻； 另一方面，這些質(zhì)點還容易釘扎在各種缺陷上，或占據(jù)母相的形變中心，從而減少了潛在核坯數(shù)量，同時還使馬氏體胚芽或馬氏體片的界面不易遷移。,稀土氧化物的影響,鈷中彌散分布的稀土氧化物質(zhì)點就在一定程度上抑制了-Co-Co相變，使鈷的強度和塑性得到提高。,第四節(jié) 改善合金的組織結(jié)構(gòu),一、超細晶粒合金,超細晶粒合金定義： 超細晶粒合金一殷指其中碳化物品拉平均尺寸小于一微米的WC-Co合金，它的研究建立在GURLAHD關(guān)于WCCo合金強度一成分關(guān)系模型的基礎(chǔ)上。根據(jù)這個模型，因減少WC的晶位尺寸而增加的碳化物相晶粒接觸數(shù)，可用高度均勻分布的鈷來消除，從而制得具有

20、硬度和韌性的合金。 發(fā)展： 市場上最早出現(xiàn)的超細晶柱合金是瑞典可樂滿廠1968年生產(chǎn)的，不久美國的杜邦公司，維爾偉松公司，卡麥特公司也開始生聲超細晶粒合金。超細晶粒合金除了切削工具外，還能做耐沖擊工具和模具。 特點： 超細晶粒合金的基本性能是其硬度和強度均比相同鈷含量的普通合金高，硬度一般高1.52HRA，抗彎強度6080公斤毫米2。高溫硬度也比普通合金高，抗壓強度也很高。超細晶粒合全用作切削工具時能獲得高精度的刃口，允許采用大前龜，保證刀刃的鋒利性，從而可承受大的切削力，獲得光潔度更高的表面。超細晶粒合金特別在加工耐熱合金、鈦合金，冷硬鑄鐵等材料時顯得更為出色。,超細晶粒合金的制造,添加劑法

21、 此法是根據(jù)某些碳化物(如VC，Cr3C2)能強烈抑制碳化鎢晶粒長大的原理，用添加劑來阻止璇化或燒結(jié)時WC晶粒的長大，從而造出超細晶粒合金的一種簡便方法： 此法根據(jù)添加劑的加入時間分成以下二種： (1) 在球磨混合料時加入 美國卡麥特公司在538-621下于分解氨中燃燒Na、K、Ca含量100PpM的仲鎢酸氨，生蘭色的粒度為1014的氧化物。將此氧化物裝入Mo舟中，向還原爐中順流通入露點為-51的干氧，在700900下還原，得到平均粒度為1.05的W粉。然后在石墨坩鍋中于1510碳化0.5小時，得到含碳6.11，平均粒度為1.25的碳化鎢粉，最后特此WC粉與10Co粉和0.3VC粉球磨70小時

22、，經(jīng)壓制燒結(jié)后得到WC晶粒度為0.250.5的超細晶粒合金。】 (2) 在鎢粉碳化階段中加入 美國維爾偉松公司的純度為999，費氏粒度為1.01.3的鎢粉和粒度0.10.2(最好0.010.005)的膠態(tài)氧化餡以及細散的碳黑在球磨機中長長時間混合，然后裝入石墨舟于H2起或真空下1500碳化1.5小時，得到WCCr3C2。接著用通常工藝生產(chǎn)(0.5%Cr3C2)，Cr3C2和WC互相抑制長大，最后得到合金中WC平均晶粒度1。,復(fù)鹽沉淀法 日本東芝公司將鎢酸銨和硝酸鈷溶液分別加熱到80，一邊攪拌鎢酸銨，一邊將硝酞鈷溶液慢慢滴入，即生成WCCo復(fù)合氧化物沉淀，將沉淀物洗凈干燥后，加入碳黑混合，在H2

23、中1100下加熱即得WC與Co混合粉末，這樣得到的混合粉由于WC和Co混合非常均勻，w-Co復(fù)合氧化物的還原和U的碳化是一次完成的，氧化鎢在還原中長大受到較大程度的抑制，所以混合粉末的粒度很細，而且粉末無需經(jīng)過強烈研磨，燒結(jié)溫度也低，最后得到的合金中WC的晶粒很容易達到1如以下。 氯化鎢的氫氣還原法 此法是將WCL6氣體與H2在Ni管中混合，預(yù)熱，再到反應(yīng)室中，1000下反應(yīng)生成微細鎢粉(費氏粒度為0.2。再在1650下H2中碳化得到1.2的WC粉。最后球磨、壓形、真空燒結(jié)得到超細晶粒的WCCo合金。此法制得的合金晶粒度小且均勻，WC純度高，合金孔隙度低。,超細晶粒合金的制造,蘭鎢工藝 近年來

24、由蘭鎢制取W粉的的工藝受到人們的重視，因為蘭鎢具有高的化學(xué)活性，比表面大，易于還原，比黃鎢(WO3)更能精確地控制W粉拉度，用蘭鎢作原料制取的超細晶粒合金，其抗彎強度比用黃鎢作原料的要高10以上，合金的使用壽命提高1倍左右。 蘭鎢工藝的特點是以高純度的仲鎢酸銨為原料，在精密控溫電爐中還原焙解，逆流通入高純的干氫(露點低子-40)，還原的溫度根據(jù)粉末的要求在400500之間選擇，得到蘭色氧化鎢(相成分為銨一鎢青銅，W20O58、W02.72和W03復(fù)雜成分混合物)，接著再在電爐內(nèi)：700800順流通入高純干氫，進行還原，得到優(yōu)質(zhì)的W粉。要想得到比表面很高的極細W粉，關(guān)鍵是精心選擇焙解溫度與氣氛，

25、控制蘭鎢的氧指數(shù)和相成分。 有了這樣的極細的優(yōu)質(zhì)鎢粉，再采取適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝，就能很容易地制造性能很好的超細晶粒合金。,非均勻結(jié)構(gòu)合金的概念 非均勻結(jié)構(gòu)合金是將二種或數(shù)種不同成分組成或不同粒度的混合在一起制成組織不均勻的硬質(zhì)合金。 非均勻結(jié)構(gòu)合金的特點 這種合全往往兼有高鈷合金的高韌性和低鈷合金的高耐磨性， 或者兼有粗晶粒合金的高耐磨性，而且與同成分的普通合金相比強度往往往往要高得多。 非均勻結(jié)構(gòu)合金的發(fā)展 最早出現(xiàn)是在五十年代，1955年西德曾對此進行了研究，蘇聯(lián)也在1958年制出一種深并鉆孔用的非均勻結(jié)構(gòu)合金，瑞典、美國、英國和澳地利也相繼試制了非均勻結(jié)構(gòu)的鑿巖鉆頭和工具。,二、非均勻結(jié)構(gòu)合

26、金,熱壓法 將Co含量或WC晶粒大小不同的兩種混合料混合在一起，然后熱壓成所需要的形狀，這種方法的缺點是生產(chǎn)率低，熱壓過程中的塑性流動以及熱壓后的退火處理會降低合金的結(jié)構(gòu)非均勻性，因而降低合金的耐磨性。 熔浸法 此法是將燒結(jié)好的合金試樣的某一個面與熔融Co相接觸，熔融Co便滲透到試樣中去而形成可變Co含量的合金。用此法所制成的合金Co量變化雖大，但過程麻煩。,2、非均勻結(jié)構(gòu)合金的制造方法,普遍采用的方法，根據(jù)混合料的制備方式，此方法又大致分為如下幾種形式： 降低Co混合料與高Co混合料(純Co粉)短時間混合然后壓制燒結(jié)。 2)將高Co混合料和低Co混合料分別先制成團粒，然后將兩者混合后壓制燒結(jié)

27、。1965年美國碳化物公司曾用此法將C93（95.5WC-4.5Co)與C-85(87VC13Co)兩種團粒混合，制得了90WC+lOCo的非均勻結(jié)構(gòu)合金。 據(jù)此合金制作的鑿巖鉆頭在露天礦使用，效果較好。 日本1967年將（TiC+TaC+NbC)=16，Co=10余為WC的混合料先以2Tcm2的壓力成形后擦碎過325目篩并制粒，然后以1：1的混合比混入WC20C。的混合料中,最后經(jīng)壓制燒結(jié)便得到具有高濃度(T1C+TaC+NbC)區(qū)且尺寸在10以下的非均勻結(jié)構(gòu)合金，其強度達230公斤毫米2，比同樣成分的普通合金強度50公斤/毫米2。 3) 將粗顆?；旌狭虾图氼w?；旌狭戏謩e制威團粒，然后將兩者

28、一定的比例混合均勻再壓制燒結(jié)。據(jù)報道，瑞典山特維持公司用此法制得且有綱晶粒的耐磨性和粗晶粒相結(jié)合的非均勻結(jié)構(gòu)合金的釬刀。 4) 在高鈷混合料中混入一定數(shù)量的粗晶粒WC，然后進行壓制燒結(jié)。 上述幾種方法雖然簡單，但很難保持原始混合狀態(tài)的非均勻性，因為燒結(jié)過程中各種Co含量之間會進行Co相的重新分布，不同粒度的WC之間也會通過Co相重結(jié)晶使細晶粒WC長大。,冷壓燒結(jié)法,第五節(jié) 熱處理方法改善合金性能,熱處理對合金組織與結(jié)構(gòu)的影響,1、冷卻速度對合金組織的影響 鈴木壽以合鈷量分別為10、20和30的WCCo硬質(zhì)合金為對象，研究了燒結(jié)后冷卻速度對合金強度和組織的影響(2)，其部分結(jié)果如下； 1)WC晶

29、粒的異常長大現(xiàn)象在快速冷卻時不如緩冷時明顯，所以急冷試樣中粗大WC晶粒的尺寸(2a)一般比緩冷試樣中的要??； 2)對含10Co的合金，其試樣張力面至組織缺陷的距離(t)在急冷時比緩冷時要大； 3)急冷條件下，合金相的晶粒度較??； 4)緩冷時微量雜量質(zhì)容易在晶界上發(fā)生偏析，而急冷時這種現(xiàn)象得到改善； 作者認為，上述合金組織的變化均對合金強度的改善有利，所以燒結(jié)后的急冷會提高合金的強度。,國外還對淬火前后WCCo硬質(zhì)合金中碳化物晶粒的接觸程度，鈷的平均自由程等組織特征進行了研究4，其部分結(jié)果如圖4-9。,表(49) 熱處理對WCCo硬質(zhì)合金體視特征的影響,我們知道，兩相或多相合金的顯微晶粒彼此鄰接

30、對其重要的性能有著明顯的影響。例如，當(dāng)碳化鎢晶位鄰接度為零時，含10-14Co的合金強度可達700公斤毫米2，鈷粘相分敵良好的WC-10Co合金強度可達370公斤毫米2。從上表可看出，WC-Co硬質(zhì)合金經(jīng)過熱處理后，在平均自由程不變的情況下，WC晶粒之間的鄰接度明顯減少，鈷粘結(jié)相在WC相中的分布更為均勻，同時wC晶粒由原始狀態(tài)下的晶界整齊的多面體變成具有波浪形晶界的球狀體，應(yīng)力集中減少，斷裂功提高，從而合金強度提高。,熱處理后矯頑力的提高，說明由于鎢和碳在鈷中補充溶解而導(dǎo)致粘結(jié)相應(yīng)力狀態(tài)增強。用測量居里點的方法測定的鎢在粘結(jié)相中的含量在淬火后均提高了13(Wt)。,熱處理(淬火)可以使高溫時溶

31、解在鈷相中的W和WC凍結(jié)起來，使室溫下合金鈷相內(nèi)固溶有更多的W和WC。,熱處理(淬火)能有效地抑制，-Co/-Co相變，使鈷相中-Co的比例增加。其原因一般認為是這樣的，快速冷卻可以使粘結(jié)相中溶解的W，C，WC等更多地保留到室溫，而鈷相中這些溶質(zhì)原子濃度的增大和在位錯上的偏聚，可以有效地升高鈷的層錯能，從而阻礙鈷相的-CoCo轉(zhuǎn)變。,2) 熱處理對鈷粘結(jié)相結(jié)構(gòu)的影響,硬質(zhì)合金的熱處理工藝大體可分為三種4)； (1) 在600-1300下退火(或回火)，保溫時間1100小時，其目的是改善各相的應(yīng)力狀態(tài)和時效粘結(jié)相。 (2) 在燒結(jié)溫度下在不同介質(zhì)中淬火，其目的是改變兩相，首先是粘結(jié)相的結(jié)構(gòu)特征和

32、體視特征。 (3) 燒結(jié)后冷卻到室溫，然后再重新升溫到300-1200下于不同介質(zhì)中淬火，其目的同(2)。,熱處理介質(zhì)： 加熱介質(zhì)應(yīng)能防止被處理的合金表面層氧化或脫碳，并保證被處理合金中結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的條件。實踐證明，采用成分為9098BaCl2+0.25K4Fe(CN)6+1.85MgCo3或CaCo3的溶鹽作加熱介質(zhì)，可滿足上述要求。 熱處理時的淬火介質(zhì)是影響被處理合金性能的重要因素。一般可用油，水等介質(zhì)。但在油中淬火的效果比較好，因為在油中冷卻時，被淬火合金周圍生成的阻礙散熱的汽套由于油的粘度大而緩慢消失，而在水中淬火則該汽套迅速破裂。 常用熱處理工藝： 淬火能把高溫下形成的固溶體成分全部或部

33、分保留下來，對鈷相起固溶強化作用并提高鈷相中Co的含量，改善鈷相的塑性，從而提高硬質(zhì)合金的綜合性能，所以它是最適宜、最常用的熱處理處理方法。,三、熱處理工藝及其對合金性能的影響,熱處理對合金性能的影響,當(dāng)合金從高溫淬火急速冷卻下來后，鈷相中W、C、WC的溶解量均明顯增多，這些溶質(zhì)原子一方面對鈷相起固溶強化的作用，提高了鈷相的強度； 另一方面這些溶質(zhì)原子通過種種方式對鈷相的的-CoCo轉(zhuǎn)變起了阻礙作用，使室溫下鈷相中的-Co的自量增高，提高了鈷相的塑性。 事實上，淬火后合金強度提高最大時正好對應(yīng)鈷相中的-Co含量最高時，而且淬火對高鈷合金作用更大也說明了淬火是通過鉆相對硬質(zhì)合金起強化作用的。此外

34、，淬火后合金組織細化，磁化鎢晶粒鄰接度下降等因素世對合金的強化起到了一定的作用。,熱處理強化機制,這兩方面的原因(尤其是后者)，必然會導(dǎo)致硬質(zhì)合金整體強度和韌性的改善。,熱處理主要能使WCCo合金的抗彎強度，沖擊韌性和小能多沖壽命顯著提高，所以熱處理硬質(zhì)合金制品在動載荷條件下使用效果更明顯。 熱處理硬質(zhì)合金可應(yīng)用整體鉆頭、鐓模、沖模，金剛石合成用高壓裝置零件、粗車和粗祖洗刀具、鑿巖釬頭和截煤齒，木材切削及其他工具，并可其使用壽命提高0.21倍。 合成金剛石的高壓裝置上的硬質(zhì)合金頂錘經(jīng)過熱處理后，其脆性斷裂的幾率可降低40，從而使整個高壓裝置的壽命提高2832， 熱處理合金裝配成的柱齒釬頭與未處

35、理的釬頭相比，耐磨性及鑿巖提高80150，同時經(jīng)受住了高風(fēng)壓、高沖擊功的考驗； 熱處理后的硬質(zhì)合金刀片在較低切削速度下銑削結(jié)構(gòu)鋼或車削耐熱鋼，其耐磨性提高25-40，車削HT2040鑄鐵時壽命提高13倍。,四、熱處理硬質(zhì)合金的使用效果,第六節(jié) 硬質(zhì)合金的低壓熱等靜壓燒結(jié),概念：低壓熱等靜壓燒結(jié)(sinterHIP工藝，或稱過壓燒結(jié)(Over Pressure Sintering)工藝，是在低于常規(guī)熱等靜壓的壓力(大約(6MPa)下對工件同時進行熱等靜壓和燒結(jié)的工藝。 發(fā)展：自1984年德國Degussa公司設(shè)計和制造出第一合真空燒結(jié)熱等靜壓爐以來，這一工藝已逐漸為世界上很多硬質(zhì)合金廠家所采用，

36、并己開始步入我國硬質(zhì)合金生產(chǎn)領(lǐng)域。 特點： 低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝目前是硬質(zhì)合金生產(chǎn)中最先進的致密化技術(shù)，克服了常規(guī)熱等靜壓造成的粗晶，鈷池和表面成分改變的缺陷，能是大限度地消除內(nèi)部殘余孔隙，提高合金性能， 能夠通過調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛，修正合金碳含量、消除合金組織的相。,低壓熱等靜壓燒結(jié)（氣壓燒結(jié)）,工藝： 硬質(zhì)合金的低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝是將工件裝入真空燒結(jié)等靜壓爐，于較低溫度下低壓載氣(如氫氣等)脫臘后，在13501450進行真空燒結(jié)30min，接著在同一爐內(nèi)進行熱等靜壓，采用氬氣作壓力介質(zhì)，壓制壓力為6MPa左右，時間為30min。其典型的生產(chǎn)工藝見圖1。 工藝特點： 低壓熱等靜壓燒結(jié)工藝的排蠟、燒結(jié)和在壓力下的致