鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料研究進(jìn)展

  
 1 前言
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以鋼為粘結(jié)劑，以硬質(zhì)化合物作硬質(zhì)相，通過粉末冶金方法制備而成的一種鋼基復(fù)合材料。它*早出現(xiàn)于二十世紀(jì)六十年代初期的美國。其組織特點(diǎn)是硬而耐磨的硬質(zhì)相均勻分布于鋼基體中，鋼基體賦予合金廣泛的工藝特性，而硬質(zhì)相則使得合金的硬度和耐磨性能大幅提高，這樣，鋼結(jié)硬質(zhì)合金就兼有了硬質(zhì)相和鋼的優(yōu)點(diǎn)，其綜合性能處于普通硬質(zhì)合金和鋼之間，填補(bǔ)了它們之間的*。
   2 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的性能特點(diǎn)
   2．1 廣泛的工藝特性
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金*重要的工藝特性是其可加工，可熱處理性。它可采用普通的機(jī)械加工設(shè)備進(jìn)行車、銑、刨、鉆、磨削等各種機(jī)械加工，加工完畢后，可進(jìn)行各種硬化處理，且熱處理變形較小。另外，鋼結(jié)硬質(zhì)合金還具有可鍛性及可焊接性。這些工藝特性是鋼結(jié)硬質(zhì)合金得以廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。
   2．2 良好的物理、機(jī)械綜合性能
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有很高的硬度、耐磨性，較高的剛性、彈性模量與抗彎強(qiáng)度，同時有比硬質(zhì)合金更好的塑性及韌性，良好的自潤滑性、高的阻尼震蕩特性等，這些物理機(jī)械性能的良好綜合對其應(yīng)用也至關(guān)重要。
   2．3 優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金可隨鋼基的不同而具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、抗各種酸、堿、鹽等介質(zhì)腐蝕的特性，從而進(jìn)一步開拓了鋼結(jié)硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域。
   3 鋼結(jié)硬質(zhì)合金制備方法
   3．1傳統(tǒng)粉末冶金方法
   到目前為止，世界各國的鋼結(jié)硬質(zhì)合金生產(chǎn)都是以傳統(tǒng)粉末冶金方法為主，其基本生產(chǎn)工藝為：混料-干燥-成形-燒結(jié)-鍛造-退火-機(jī)加工-淬火-回火-研磨.
   在實(shí)際生產(chǎn)中，常采用普通混料機(jī)進(jìn)行混料，通過模壓方式進(jìn)行粉末成形，這樣做具有速度快，形狀易控制，效率高等特點(diǎn)，而科研實(shí)驗(yàn)中常采用高能球磨+冷等靜壓的方式進(jìn)行混料與成形，以提高材料性能。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的燒結(jié)為瞬時液相燒結(jié)，以NbC為硬質(zhì)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金需在1300℃以上燒結(jié)才能出現(xiàn)液相， 而TiC系鋼結(jié)硬質(zhì)合金須在1400℃左右燒結(jié)。燒結(jié)后的鋼結(jié)硬質(zhì)合金中存在偏析、非金屬夾雜、疏松、孔隙和TiC顆粒不均勻聚集形成的“橋接”等組織缺陷，需通過鍛造改善合金的組織與性能，但鋼結(jié)硬質(zhì)合金塑性差、易開裂、變形抗力大，要想順利進(jìn)行鍛造，必須嚴(yán)格控制始鍛和終鍛溫度，鍛造前的坯料受熱要均勻，鍛造過程中須采取先輕后重再輕打的鍛造工藝 ，經(jīng)過鍛造后,GT35合金的密度可由燒結(jié)態(tài)的6.43g／cm3,提高到6.53 g／cm3,甚至更高。燒結(jié)態(tài)的合金硬度(HRA)通常在50以上，必須退火后才能機(jī)加工，退火溫度根據(jù)合*號而定，GT35和TLMW50為860℃- 880℃，R5和T1為820℃～840℃，GJW50為840℃- 850℃，GW50為860℃。
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金一般采用一次淬火，加熱保溫后直接在油中急冷。對于尺寸較大或形狀較復(fù)雜的工件，宜采用分級淬火以防止產(chǎn)品開裂。
   3．2 近期內(nèi)相關(guān)研究
   3．2．1成份改進(jìn)
   添加羰基鐵粉：蹇福全等嘲通過研究發(fā)現(xiàn)，在還原鐵粉中添加一定比例的羰基鐵粉，能調(diào)節(jié)混合料的粒度組成，改善壓制性能，較大幅度地提高成形密度，粉坯中的羰基鐵粉還能降低燒結(jié)溫度，促進(jìn)燒結(jié)體致密化。  添加稀土元素：稀土元素具有活性強(qiáng)，可減小液態(tài)鐵表面張力等特性。在鐵基合金中添加適量稀土可抑制硫、磷、銻在晶界的偏聚，起到脫氧、脫硫、細(xì)化晶粒和改善液相流動性與潤濕性等作用，使得鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的孔隙度減少，塑性和抗彎強(qiáng)度提高。
   硬質(zhì)相的擴(kuò)展：近年來，鋼結(jié)硬質(zhì)合金發(fā)展的一個突出的特點(diǎn)就是其硬質(zhì)相向多樣化的方向發(fā)展。*初，作為鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬質(zhì)相的只有TiC和WC兩種，隨著科研工作者研究的深入，現(xiàn)在在鋼結(jié)硬質(zhì)合金中添加的硬質(zhì)相包括Al203、TiN、NbC 、Cr3C2 、VC、TiB2、NV、Mo2FeB2、Mo2C、WC—Co等。
   3．2．2 工藝改進(jìn)
   用高能球磨機(jī)混料，通過球磨筒的高速旋轉(zhuǎn)，使得筒內(nèi)的磨球和粉末顆粒之間，粉末與粉末之間產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞，粉末彼此之間被反復(fù)冷焊和破碎，在粉末粒度細(xì)化的同時，成份的均勻性也得到改善。用高能球磨機(jī)混料制備的Fe一0.9C一0.6P／10Vol％Al203和Fe一1.4C一10Mo一(0.03-0.2)B／10Vol％NbC合金，較普通球磨混料制備的性能更好.
   用冷等靜壓取代機(jī)械壓制，可以得到密度較高且均勻的壓坯，并可省去加蠟、脫蠟工序。用預(yù)燒取代致密化燒結(jié)，可使壓坯密度達(dá)到理論密度的93％～ 97％，并形成一層表面膜。采用“冷等靜壓+預(yù)燒+熱等靜壓+鍛造”工藝比用傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備的DT鋼結(jié)硬質(zhì)合金的綜合性能大幅度提高，密度達(dá)到6.7g／cm。；其抗彎強(qiáng)度可達(dá)到2777MPa，比傳統(tǒng)粉末冶金法提高25％～30% 。
   采用自蔓燃高溫合成方法制備以TiC和WC為硬質(zhì)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，具有操作方便、硬質(zhì)相分布均勻、強(qiáng)度高和耐磨性好等特點(diǎn) 。采用熱等靜壓方法可減少鋼結(jié)硬質(zhì)合金燒結(jié)后形成的孔隙，使合金進(jìn)一步致密，硬質(zhì)相粒子與基體的結(jié)合良好，合金強(qiáng)度提高。
   3．2．3 新型鋼結(jié)硬質(zhì)合金
   TiN基鋼結(jié)硬質(zhì)合金：瑞典山特維克公司基于以TiN 為硬質(zhì)相開發(fā)出的一種新型鋼結(jié)合金CORONITE。他們采用一種特殊工藝，將極細(xì)(約0．1微米)的TiN粉末均勻地添加在可熱處理的鋼基體中，其體積含量可從35％到60％，由于TiN粉末細(xì)且性能極其穩(wěn)定，通過這種方式制得的CORONITE合金兼有硬質(zhì)合金的耐磨性和高速鋼的韌性。日本日立金屬公司安來工廠也利用水霧化和燒結(jié)法開發(fā)出以TiN為硬質(zhì)相的可機(jī)械加工和可熱處理的鋼結(jié)合金H34A。它是將W、Mo和C含量高的水霧化鋼粉與10％TIN粉末混合，成形后經(jīng)燒結(jié)而成。
   TiCN基鋼結(jié)硬質(zhì)合金：TiCN與TiC相比，其硬度比較低，但其耐磨性十分優(yōu)異，因?yàn)門iCN具有上述的優(yōu)異性能，并且與TiC系同晶型，可生成連續(xù)固溶體。13本三菱金屬公司基于這種固溶體開發(fā)出一種新型鋼結(jié)硬質(zhì)合金，并在其岐阜硬質(zhì)材料廠進(jìn)行生產(chǎn)。這種新型鋼結(jié)合金是通過將作為基體的高速鋼粉與碳氮化鈦添加劑混合、成形、脫蠟、然后熱等靜壓、熱處理和精加工的方法生產(chǎn)的。
   WC—Co合金／鋼復(fù)合材料：在熱處理鋼、奧氏體錳鋼、高鉻鑄鐵和硬質(zhì)合金四類現(xiàn)有的耐磨材料中，硬質(zhì)合金具有*高的耐磨性，但用作受沖擊的結(jié)構(gòu)零件太脆。熱處理鋼具有*高的韌性，但其耐磨性又太低。加拿大工業(yè)材料研究所和拉瓦爾大學(xué)利用上述兩種材料開發(fā)出一種兼有高耐磨性和高韌性的復(fù)合材料，即WC—Co硬質(zhì)合金與熱處理鋼復(fù)合而成的材料，從而填補(bǔ)了這兩個極端材料之間的*。
   TiB2一FeMo復(fù)合材料：TiB2具有某些獨(dú)特的物理化學(xué)性能，諸如極高的高溫硬度、很低的比重和電阻率、良好的傳導(dǎo)率、很高的抗氧化性、低的金屬粘著性和摩擦系數(shù)等，被認(rèn)為是制造鋼結(jié)硬質(zhì)合金用的理想硬質(zhì)相。Fe與TiB2之間的固溶度低，潤濕性好，可作為TiB2的粘結(jié)劑。
   4 應(yīng)用
   4．1工模具
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金可用于制造冷鐓模、熱鐓模、擠壓模、拉伸模、沖裁模、壓印模、拉絲模、拉管模、粉末壓模等。用低、中碳工具鋼作粘結(jié)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合*號如C，C—Spezial，TC-65等，因耐熱性較低，故僅用于無屑金屬冷加工工具，較通用的鋼結(jié)硬質(zhì)合金以高鉻工具鋼作粘結(jié)相(TiC—Cr12MoV)，如牌號CM，WFN，TiC—Cr12MoV。這些鋼結(jié)硬質(zhì)合金可用于制作無屑金屬冷、熱加工工具，并可用于無動載荷工具。
   例如，莫斯科鋼與合金研究所研制的TiC—Cr12MoV鋼結(jié)硬質(zhì)合金，可用來制造拉制鎳，鉬合金的拉模和制造多孔磚用的沖子。用高鉻鋼作粘結(jié)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金，其缺點(diǎn)是強(qiáng)度和韌性低于用低合金鋼作粘結(jié)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。用馬氏體時效鋼作粘結(jié)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐熱性。由這些鋼結(jié)硬質(zhì)合金制造的工具要進(jìn)行滲氮強(qiáng)化，故常用這些合金來鑲裝大表面，通過釬焊、氬弧焊和機(jī)械加固護(hù)面的方法進(jìn)行。用奧氏體彌散硬化鋼作粘結(jié)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金(HT一2)不帶磁性，具有耐熱性。
   用奧氏體耐蝕鋼作粘結(jié)相的鋼結(jié)硬質(zhì)合金(S一55，TiC—Crl8Ni15，TC30XH，TC40XH，TXH)具有耐蝕性和耐熱性，以及良好的韌性。但是，它們的抗磨粒磨損性低于熱處理(淬火)后的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。這些鋼結(jié)硬質(zhì)合金可用來制造熱壓模、拉伸模、木材加工工具，TXH鋼結(jié)硬質(zhì)合金還可用來制造工作在腐蝕條件下的粉碎機(jī)工作機(jī)構(gòu) 。
   4．2 耐磨零件與機(jī)器零件
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金由于高強(qiáng)度和高韌性，常優(yōu)于無鎢硬質(zhì)合金，且具有抗粘附磨損性，故可應(yīng)用在短時無潤滑的摩擦場合，如氣體動壓軸承，工作在真空中無潤滑的軸承和其它滑動表面。鋼結(jié)硬質(zhì)合金由于剛性高，在退火狀態(tài)下能吸收振動，故可用來制造磨輪主軸、鏜床主軸和鉆探桿。鋼結(jié)硬質(zhì)合金50TZC和60TZC具有高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，故可用來制造機(jī)械夾固式切削刀具的支承刀片。TiC鋼結(jié)合金具有良好的耐磨性能，可用來制造采礦用鉆閥、燃油噴射器、粉碎機(jī)工作機(jī)構(gòu)的輪齒等 。
   4．3 刃具
   鋼結(jié)硬質(zhì)合金可用來制造鉆頭、銑刀、拉刀、滾刀等刀具，以用于加工不銹鋼、耐熱鋼、有色合金。合金中細(xì)小的硬質(zhì)相顆粒被淬硬的鋼基體牢固地支撐著， 有助于保持所需的鋒刃。如：G1r35可在HRC(68-70)的情況下進(jìn)行重磨，其圓形的TiC顆�？梢钥共羵�，工具鋼基體提供的韌性足以抗碎裂。
   Sandvik Coromant公司采用氣相沉積法制備了粒度小于101um的高速鋼粉末，再通過一定的方法將粒度小于0.1um的TiN顆粒加入其中，并使其均勻彌散的分布在鋼基體中，這樣制備的鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料用于制備端銑刀具有硬度高，韌性好等特點(diǎn)。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性高于普通硬質(zhì)合金，且保留了硬質(zhì)合金的優(yōu)點(diǎn)，如在干摩擦?xí)r其摩擦系數(shù)較小，抗粘附磨損性好。由于具有這些特點(diǎn)，用鋼結(jié)硬質(zhì)合金制作的刀具可保證被加工金屬在刀尖區(qū)較好的流動性，且在刀具表面上不產(chǎn)生金屬粘附。
   5 結(jié)語
   用鋼結(jié)硬質(zhì)合金制作的刀、模具往往比用同類型的鋼材制作的刀、模具壽命延長數(shù)倍到數(shù)十倍，如罐頭蓋片的沖壓，用Crl2鋼制作的工具可以生產(chǎn)5百萬到7百萬片，而用TiC鋼結(jié)硬質(zhì)合金制作的工具可以生產(chǎn)6千萬片 。其優(yōu)異的耐磨和耐腐蝕性能使得它在金屬加工、塑料、化工等多個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用 。鋼基體的多樣性和較低的價格也使得鋼結(jié)合硬質(zhì)合金在航空和汽車工業(yè)中的應(yīng)用成為近年來材料研究的熱點(diǎn)。