《金屬陶瓷硬質(zhì)合金》PPT課件

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1、 硬質(zhì)合金 1.1 硬質(zhì)合金的發(fā)展歷史 硬質(zhì)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(gòu)成 的組合材料。 現(xiàn)在硬質(zhì)合金的發(fā)明者是德國人施勒特爾，他于 1923年首先 用粉末冶金方法生產(chǎn)硬質(zhì)合金。他在專利中所提出的工藝，今天 仍在 WC-Co硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝中使用。 1926年，德國克虜伯 (Krupp)公司首先進(jìn)行硬質(zhì)合金的工業(yè)生產(chǎn)，并以“維迪阿” ( Widia)的商標(biāo) (意為象金剛石）在市場銷售。隨后很快傳到歐美 及日本等國。 硬質(zhì)合金的發(fā)展情況見表 1。值得指出的是，自 1953年有人首 先采用可轉(zhuǎn)位刀片以來，由于使用這種刀片不用焊接，可隨時調(diào) 換刀片，刀桿可長期使用，經(jīng)濟(jì)效果顯著，

2、推廣迅速，這是硬質(zhì) 合金工業(yè)的重大進(jìn)展之一。六十年代末期，西德克虜伯公司成功 研制了涂層硬質(zhì)合金，用此 表 1 硬質(zhì)合金的發(fā)展情況 碳化鎢基硬質(zhì)合金 無碳化鎢基硬質(zhì)合金 年份 硬 質(zhì) 合 金 年份 硬 質(zhì) 合 金 19231925 19301931 1938 1956 1959 19681969 19651978 19671970 19651975 19691971 19741977 19731978 19761979 WC-Co WC- TaC（ VC, NbC)-Co WC-Cr3C2-Co WC-TiC-Ta （ Nb) C-Cr3C2-Co WC-TiC-HfC-Co WC-TiC-T

3、aC （ NbC)-HfC-Co TiC,TiN,Ti （ CN),HfC,Hf和 Al2O3涂層的 WC基合金 亞微細(xì) WC-Co 熱等靜壓 熱化學(xué)表面硬化 多晶金剛石復(fù)合的 WC基硬質(zhì)合金 復(fù)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(fù)合涂層 添加 Ru的復(fù)雜硬質(zhì)合金 19291931 19301931 1931 1931 1938 1944 1949 1950 19521966 1957 19681970 19691970 19681973 19721975 Ti-Mo2C-Ni,Cr,Mo TaC-Ni TiC-TaC-Co Tic-Cr,Mo,W,Ni,

4、Co TiC-VC-Ni,Fe TiC-NbC-Ni,Co TiC-VC-Nb-Mo2C-Ni TiC （ Mo2C,TaC)-Ni,Co-Cr TiC-可熱處理鋼結(jié)合金 TiC-TiB2 （ TiMo)C （固溶體 Ni,Mo,Cr) TiC-TiN-Ni TiC-Al2O3 Ti-TaN-Ni 制成的刀片的使用壽命可比標(biāo)準(zhǔn)的可轉(zhuǎn)位刀片高出好幾倍，而 且切削速也可以提高 2530%，從此獲得了廣泛的應(yīng)用，這是 硬質(zhì)合金生產(chǎn)發(fā)展過程中的又一個重大進(jìn)展。此外，六十年代 末期引入硬質(zhì)合金生產(chǎn)領(lǐng)域的熱靜壓技術(shù)，以及七十年代移植 到硬質(zhì)合金生產(chǎn)領(lǐng)域的噴霧干燥技術(shù)，使硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝又 向前邁進(jìn)了一大步

5、。 我國硬質(zhì)合金工業(yè)是從 20世紀(jì) 50年代初建設(shè)株洲硬質(zhì)合金 廠開始的， 50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(shù)水平特別是高附加值制品的生產(chǎn)與世界 先進(jìn)水平比較仍存在較大差距。 1.2 粉末冶金方法及其應(yīng)用 20世紀(jì)初研制了一種粉末經(jīng)壓制成型并經(jīng)燒結(jié)而制成零件或毛 坯，這種方法稱粉末冶金法。 粉末冶金的應(yīng)用主要有以下幾 個方面： （ 1） 減摩材料 應(yīng)用最早的是含油軸承 。 （ 2） 結(jié)構(gòu)材料 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(jié)構(gòu) 零件 。 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 。 可用于制造液壓泵齒

6、輪 、 電鉆 齒輪 、 凸輪等 。 （ 3） 高熔點(diǎn)材料 一些高熔點(diǎn)的金屬和金屬化合物如 W、 Mo、 WC、 TiC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 瓷 、 鎢絲及 Mo、 TA、 Nb等難熔金屬和高溫合金 。 （ 4） 特殊電磁性能材料 如多孔過濾材料 ， 假合金材料等 缺點(diǎn)：由于設(shè)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(fù)雜的制品，燒結(jié)零件的韌性較差，生產(chǎn)效率不高，成 本較高。 1.3 硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn) 、 分類及應(yīng)用 1.3.1硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn) （ 1） 高硬度 、 耐磨性好 、 高熱硬性 （ 2） 抗壓強(qiáng)度 、 彈性

7、模量高 抗壓強(qiáng)度高可達(dá) 6000MPa， 但抗彎強(qiáng)度 低 ， 只有高速鋼的 1/3 1/2。 彈性模 量很高 ， 韌性很差 。 硬質(zhì)合金焊接刀片 （ 3） 耐蝕性和抗氧化性良好 ， 熱膨脹因數(shù)比鋼低 缺點(diǎn)：抗彎強(qiáng)度低 、 脆性大 、 導(dǎo)熱性差 加工：采用電加工（電火花、線切割）和專門的砂輪磨削 1.3.2硬質(zhì)合金的分類 、 編號 (1) 鎢鈷類硬質(zhì)合金 由碳化鎢和鈷組成 ,常用代號有 YG3、 YG6、 YG8等。代號中 “ YG” 為 “ 硬 ” 、 “ 鈷 ” 兩字的漢語拼音字首，后面的數(shù)字表示鈷的含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù) 100）。 例如， YG8，表示平均 WCo 8，其余為碳化鎢的鎢鈷類硬

8、質(zhì)合金。 WC 刀具 （ 2）鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金 由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成，常用代號有 YT5、 YT15、 YT30 等。代號中“ YT”為“硬”、“鈦”兩字的漢語拼音字首，后面 的數(shù)字表示碳化鈦的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 100）。 硬質(zhì)合金中，碳化物含量越多，鈷含量越少，則硬質(zhì)合金的硬 度、熱硬性及耐磨性越高，但強(qiáng)度及韌性越低。 例如， YT15，表示平均 WTi 15，其余為碳化鎢和鈷含量的 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。 TIC 刀具 （ 3）通用硬質(zhì)合金 主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）及鈷。這 類硬質(zhì)合金又稱通用硬質(zhì)合金或萬能硬質(zhì)合金。 其牌號由“ YW”（“硬”、“萬”兩字漢語拼音字首）加

9、順 序號組成，如 YW1。 鎢鈦鉭刀具 1.3.3 硬質(zhì)合金的應(yīng)用 硬質(zhì)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 性材料；通用硬質(zhì)合金既可切削脆性材料 ， 又可切削韌性材料 。 硬質(zhì)合金也用于冷 拔模 、 冷沖模 、 冷擠壓模及冷鐓模 。 硬質(zhì)合金應(yīng)用推薦 1.3.4 鋼結(jié)硬質(zhì)合金 是近年來發(fā)展的一種新型硬質(zhì)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 粘結(jié)劑，經(jīng)配料、壓型、燒結(jié)而成。鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有與鋼一樣 的可加工能力，可以鍛造、焊接

10、和熱處理。 缺點(diǎn)：脆性大、韌性低、難以加工成型，制約了工程結(jié)構(gòu)陶瓷 發(fā)展及其應(yīng)用。 1.4 燒結(jié)成型 硬質(zhì)合金燒結(jié)成型就是將粉末壓制成坯料，再進(jìn)燒結(jié)爐加熱到 一定溫度（燒結(jié)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(zhì)合金材料 。 硬質(zhì)合金燒結(jié)過程可以分為四個基本階段： 1：脫除成形劑及預(yù)燒階段，在這個階段燒結(jié)體發(fā)生如下變化： 成型劑的脫除，燒結(jié)初期隨著溫度的升高，成型劑逐漸分解 或汽化，排除出燒結(jié)體，與此同時，成型劑或多或少給燒結(jié)體增 碳，增碳量將隨成型劑的種類、數(shù)量以及燒結(jié)工藝的不同而改變。 粉末表面氧化物被還原，在燒結(jié)溫度下，氫可以還原鈷和鎢的 氧化物，若在

11、真空脫除成型劑和燒結(jié)時，碳氧反應(yīng)還不強(qiáng)烈。粉 末顆粒間的接觸應(yīng)力逐漸消除，粘結(jié)金屬粉末開始產(chǎn)生回復(fù)和再 結(jié)晶，表面擴(kuò)散開始發(fā)生，壓塊強(qiáng)度有所提高。 2：固相燒結(jié)階段（ 800 -共晶溫度） 在出現(xiàn)液相以前的溫度下，除了繼續(xù)進(jìn)行上一階段所發(fā)生的過程 外，固相反應(yīng)和擴(kuò)散加劇，塑性流動增強(qiáng)，燒結(jié)體出現(xiàn)明顯的收縮。 3：液相燒結(jié)階段（共晶溫度 -燒結(jié)溫度） 當(dāng)燒結(jié)體出現(xiàn)液相以后，收縮很快完成，接著產(chǎn)生結(jié)晶轉(zhuǎn)變，形 成合金的基本組織和結(jié)構(gòu)。 4：冷卻階段（燒結(jié)溫度 -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 變化，可以利用這一特點(diǎn)，對硬質(zhì)合金進(jìn)行熱處理以提高其物理機(jī) 械性能。 1

12、.5 發(fā)展趨勢 當(dāng)前硬質(zhì)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(qiáng)。另一方 面，專用型牌號越來越具有針對性，更加適應(yīng)被加工材料和切削 條件，從而達(dá)到提高切削效率的目的。 如：美國 Kennametal公司推出的新的 KU系列 (KU10T、 KU25T、 KU30T)牌號就具有非常廣泛的通用性。其中， KU10T 和 KU25T采用了具有高韌性的和高耐磨性的硬質(zhì)合金基體，并配 以高含鋁量的 TiN+TiAlN復(fù)合 PVD涂層；而 KU30T則采用了韌性 極好的富鈷層梯度硬質(zhì)合金基體，配以 TiN+TiCN+TiN復(fù)合 CVD 涂層。新的 KU

13、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。 該公司新推出的 KC5510和 KC5525則是專為高效率加工高溫合金 而設(shè)計的牌號，晶粒細(xì)化的高鈷硬質(zhì)合金基體，配以高性能的 TiAlNPVD涂層，使刀片具有極強(qiáng)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 Tungaloy超硬工具 株式會社推出的 T6000系列牌號 (T6020、 T6030)，則是專為不銹 鋼車削加工開發(fā)的 CVD牌號。 ISCAR公司推出的專用于高速銑削 加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵的 DO-TEC涂層牌號 (DT7150)，采用了 Al2O3-M

14、TCVD內(nèi)涂層加 TiAlNPVD外涂層的復(fù)合涂層技術(shù)，具 有極高的耐磨性及抗剝落性。 金剛石 CVD涂層刀具的性能又有了進(jìn)一步的提高，產(chǎn)品覆蓋 了可轉(zhuǎn)位刀具和整體硬質(zhì)合金刀具。廈門金鷺特種材料有限公司 展出了新開發(fā)的“青霜”系列超細(xì)結(jié)晶金剛石涂層立銑刀。與通 常的金剛石涂層相比，“青霜”系列金剛石涂層為超細(xì)結(jié)晶，平 均粒度 1m，涂層表面更加光滑，刀具壽命可提高 20倍以上。 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(jié) 晶金剛石涂層銑刀，結(jié)晶粒度為 1m，涂層厚度 6 20m，使刀 具的刃口更加鋒利，減少切削中的粘結(jié)，降低了工件表面的粗糙 度。美國 SGS刀具公司則推出了非晶體的金剛石 (AmorphousDiamond)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 1m的 非晶體金剛石薄膜，其最顯著的特點(diǎn)是使刀具在具有金剛石極高 的抗磨損能力 (表面硬度達(dá) 60 90GPa)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。 此外，非晶體金剛石涂層的另一大特點(diǎn)是對刀具基體材質(zhì)沒有特 殊要求，可在任何材質(zhì)的刀具基體表面涂覆，其涂覆溫度僅為 150 。據(jù)介紹 SGS非晶體金剛石刀具可比 AlTiN涂層刀具的壽命 長 6倍。