鋼結硬質合金材料研究進展

  
 1 前言
   鋼結硬質合金是以鋼為粘結劑，以硬質化合物作硬質相，通過粉末冶金方法制備而成的一種鋼基復合材料。它*早出現于二十世紀六十年代初期的美國。其組織特點是硬而耐磨的硬質相均勻分布于鋼基體中，鋼基體賦予合金廣泛的工藝特性，而硬質相則使得合金的硬度和耐磨性能大幅提高，這樣，鋼結硬質合金就兼有了硬質相和鋼的優點，其綜合性能處于普通硬質合金和鋼之間，填補了它們之間的*。
   2 鋼結硬質合金的性能特點
   2．1 廣泛的工藝特性
   鋼結硬質合金*重要的工藝特性是其可加工，可熱處理性。它可采用普通的機械加工設備進行車、銑、刨、鉆、磨削等各種機械加工，加工完畢后，可進行各種硬化處理，且熱處理變形較小。另外，鋼結硬質合金還具有可鍛性及可焊接性。這些工藝特性是鋼結硬質合金得以廣泛應用的基礎。
   2．2 良好的物理、機械綜合性能
   鋼結硬質合金具有很高的硬度、耐磨性，較高的剛性、彈性模量與抗彎強度，同時有比硬質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，這些物理機械性能的良好綜合對其應用也至關重要。
   2．3 優異的化學穩定性
   鋼結硬質合金可隨鋼基的不同而具有優異的耐高溫、抗氧化、抗各種酸、堿、鹽等介質腐蝕的特性，從而進一步開拓了鋼結硬質合金的應用領域。
   3 鋼結硬質合金制備方法
   3．1傳統粉末冶金方法
   到目前為止，世界各國的鋼結硬質合金生產都是以傳統粉末冶金方法為主，其基本生產工藝為：混料-干燥-成形-燒結-鍛造-退火-機加工-淬火-回火-研磨.
   在實際生產中，常采用普通混料機進行混料，通過模壓方式進行粉末成形，這樣做具有速度快，形狀易控制，效率高等特點，而科研實驗中常采用高能球磨+冷等靜壓的方式進行混料與成形，以提高材料性能。鋼結硬質合金的燒結為瞬時液相燒結，以NbC為硬質相的鋼結硬質合金需在1300℃以上燒結才能出現液相， 而TiC系鋼結硬質合金須在1400℃左右燒結。燒結后的鋼結硬質合金中存在偏析、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，但鋼結硬質合金塑性差、易開裂、變形抗力大，要想順利進行鍛造，必須嚴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 ，經過鍛造后,GT35合金的密度可由燒結態的6.43g／cm3,提高到6.53 g／cm3,甚至更高。燒結態的合金硬度(HRA)通常在50以上，必須退火后才能機加工，退火溫度根據合*號而定，GT35和TLMW50為860℃- 880℃，R5和T1為820℃～840℃，GJW50為840℃- 850℃，GW50為860℃。
   鋼結硬質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雜的工件，宜采用分級淬火以防止產品開裂。
   3．2 近期內相關研究
   3．2．1成份改進
   添加羰基鐵粉：蹇福全等嘲通過研究發現，在還原鐵粉中添加一定比例的羰基鐵粉，能調節混合料的粒度組成，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溫度，促進燒結體致密化。  添加稀土元素：稀土元素具有活性強，可減小液態鐵表面張力等特性。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、細化晶粒和改善液相流動性與潤濕性等作用，使得鋼結硬質合金中的孔隙度減少，塑性和抗彎強度提高。
   硬質相的擴展：近年來，鋼結硬質合金發展的一個突出的特點就是其硬質相向多樣化的方向發展。*初，作為鋼結硬質合金硬質相的只有TiC和WC兩種，隨著科研工作者研究的深入，現在在鋼結硬質合金中添加的硬質相包括Al203、TiN、NbC 、Cr3C2 、VC、TiB2、NV、Mo2FeB2、Mo2C、WC—Co等。
   3．2．2 工藝改進
   用高能球磨機混料，通過球磨筒的高速旋轉，使得筒內的磨球和粉末顆粒之間，粉末與粉末之間產生強烈碰撞，粉末彼此之間被反復冷焊和破碎，在粉末粒度細化的同時，成份的均勻性也得到改善。用高能球磨機混料制備的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。用預燒取代致密化燒結，可使壓坯密度達到理論密度的93％～ 97％，并形成一層表面膜。采用“冷等靜壓+預燒+熱等靜壓+鍛造”工藝比用傳統粉末冶金工藝制備的DT鋼結硬質合金的綜合性能大幅度提高，密度達到6.7g／cm。；其抗彎強度可達到2777MPa，比傳統粉末冶金法提高25％～30% 。
   采用自蔓燃高溫合成方法制備以TiC和WC為硬質相的鋼結硬質合金，具有操作方便、硬質相分布均勻、強度高和耐磨性好等特點 。采用熱等靜壓方法可減少鋼結硬質合金燒結后形成的孔隙，使合金進一步致密，硬質相粒子與基體的結合良好，合金強度提高。
   3．2．3 新型鋼結硬質合金
   TiN基鋼結硬質合金：瑞典山特維克公司基于以TiN 為硬質相開發出的一種新型鋼結合金CORONITE。他們采用一種特殊工藝，將極細(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粉末細且性能極其穩定，通過這種方式制得的CORONITE合金兼有硬質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法開發出以TiN為硬質相的可機械加工和可熱處理的鋼結合金H34A。它是將W、Mo和C含量高的水霧化鋼粉與10％TIN粉末混合，成形后經燒結而成。
   TiCN基鋼結硬質合金：TiCN與TiC相比，其硬度比較低，但其耐磨性十分優異，因為TiCN具有上述的優異性能，并且與TiC系同晶型，可生成連續固溶體。13本三菱金屬公司基于這種固溶體開發出一種新型鋼結硬質合金，并在其岐阜硬質材料廠進行生產。這種新型鋼結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的。
   WC—Co合金／鋼復合材料：在熱處理鋼、奧氏體錳鋼、高鉻鑄鐵和硬質合金四類現有的耐磨材料中，硬質合金具有*高的耐磨性，但用作受沖擊的結構零件太脆。熱處理鋼具有*高的韌性，但其耐磨性又太低。加拿大工業材料研究所和拉瓦爾大學利用上述兩種材料開發出一種兼有高耐磨性和高韌性的復合材料，即WC—Co硬質合金與熱處理鋼復合而成的材料，從而填補了這兩個極端材料之間的*。
   TiB2一FeMo復合材料：TiB2具有某些獨特的物理化學性能，諸如極高的高溫硬度、很低的比重和電阻率、良好的傳導率、很高的抗氧化性、低的金屬粘著性和摩擦系數等，被認為是制造鋼結硬質合金用的理想硬質相。Fe與TiB2之間的固溶度低，潤濕性好，可作為TiB2的粘結劑。
   4 應用
   4．1工模具
   鋼結硬質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、中碳工具鋼作粘結相的鋼結硬質合*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，較通用的鋼結硬質合金以高鉻工具鋼作粘結相(TiC—Cr12MoV)，如牌號CM，WFN，TiC—Cr12MoV。這些鋼結硬質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鋼結硬質合金，可用來制造拉制鎳，鉬合金的拉模和制造多孔磚用的沖子。用高鉻鋼作粘結相的鋼結硬質合金，其缺點是強度和韌性低于用低合金鋼作粘結相的鋼結硬質合金。用馬氏體時效鋼作粘結相的鋼結硬質合金具有較高的強度、韌性和耐熱性。由這些鋼結硬質合金制造的工具要進行滲氮強化，故常用這些合金來鑲裝大表面，通過釬焊、氬弧焊和機械加固護面的方法進行。用奧氏體彌散硬化鋼作粘結相的鋼結硬質合金(HT一2)不帶磁性，具有耐熱性。
   用奧氏體耐蝕鋼作粘結相的鋼結硬質合金(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)后的鋼結硬質合金。這些鋼結硬質合金可用來制造熱壓模、拉伸模、木材加工工具，TXH鋼結硬質合金還可用來制造工作在腐蝕條件下的粉碎機工作機構 。
   4．2 耐磨零件與機器零件
   鋼結硬質合金由于高強度和高韌性，常優于無鎢硬質合金，且具有抗粘附磨損性，故可應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。鋼結硬質合金由于剛性高，在退火狀態下能吸收振動，故可用來制造磨輪主軸、鏜床主軸和鉆探桿。鋼結硬質合金50TZC和60TZC具有高的抗壓強度和抗拉強度，故可用來制造機械夾固式切削刀具的支承刀片。TiC鋼結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、粉碎機工作機構的輪齒等 。
   4．3 刃具
   鋼結硬質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。合金中細小的硬質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)的情況下進行重磨，其圓形的TiC顆粒可以抗擦傷，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，這樣制備的鋼結硬質合金材料用于制備端銑刀具有硬度高，韌性好等特點。鋼結硬質合金的強度和韌性高于普通硬質合金，且保留了硬質合金的優點，如在干摩擦時其摩擦系數較小，抗粘附磨損性好。由于具有這些特點，用鋼結硬質合金制作的刀具可保證被加工金屬在刀尖區較好的流動性，且在刀具表面上不產生金屬粘附。
   5 結語
   用鋼結硬質合金制作的刀、模具往往比用同類型的鋼材制作的刀、模具壽命延長數倍到數十倍，如罐頭蓋片的沖壓，用Crl2鋼制作的工具可以生產5百萬到7百萬片，而用TiC鋼結硬質合金制作的工具可以生產6千萬片 。其優異的耐磨和耐腐蝕性能使得它在金屬加工、塑料、化工等多個領域被廣泛應用 。鋼基體的多樣性和較低的價格也使得鋼結合硬質合金在航空和汽車工業中的應用成為近年來材料研究的熱點。