硬質(zhì)合金材料

WC-Co硬質(zhì)合金

Co角有一個W和C在鈷中的固溶體相單相區(qū)。沿Co-WC線可把界面分為兩個區(qū)域，Co-WC線左上方是三相區(qū)γ+WC+C和狹窄的兩相區(qū)γ+C；右下方是由γ、WC、W2C、W和三元化合物ηl、η2、K相組成的多個相區(qū)。兩個三相區(qū)γ+WC+C和γ＋WC＋η1被一個狹窄的兩相區(qū)γ＋WC分開。此兩相區(qū)的大小表示W(wǎng)C-Co合金中碳量可允許的波動范圍，叫相區(qū)寬度。此兩相區(qū)是以W-C邊線上的WC處為頂點；向Co角張開的三角形，說明合金中Co含越高，即越接近Co角，從而合金允許碳量的波動的范圍越大；反之，越接近W-C邊線，即合金中Co含量越低，允許碳量的變動范圍就越小，這表示低Co合金的碳量控制更為困難。碳量在Co-WC線之上時，合金組織中便會出現(xiàn)第三相-石墨。在W角附近有幾種標記的三元化合物ηl、η2、和k相，這些化合物的通式可寫成CoxWyCz。它們均為非正常價化合物，其成分可以在某個范圍變動（叫均相區(qū)）。此均相區(qū)越大，該化合物越易出現(xiàn)，也越穩(wěn)定，反之越不穩(wěn)定。W-C-Co三元系等溫截面的特點中間相的成分與特點

制取高質(zhì)量硬質(zhì)合金的必要條件之一是在其組織中不出現(xiàn)第三相石墨或η1相，因為它會降低合金的機械性能和使用效果。已有研究表明，WC-Co合金兩相區(qū)的高碳邊界與Co-WC線重合。因此，在任何Co含量的合金中，達到或超過按照Co-WC線計算的理論碳含量時。便會出現(xiàn)石墨。這樣在確定兩相區(qū)寬度時，只須定出低碳邊界就夠了。低碳邊界的WC含碳量與合金Co含量的關(guān)系如下：

Co(％)(重量)805030181610C(％)(重量)5.225.585.835.996.006.04或者用線性方程來表示合金低碳邊界的碳量；

C(％)(重量)＝6.125％-0.0735%×Co(重量)兩相區(qū)WC+ηW-C-Co系中的單相區(qū)是指碳和鎢在鈷中的固溶體區(qū)。在單相區(qū)內(nèi)，隨著碳含量的降低，鎢在鈷中的溶解度可以升高約2倍，即從WC+γ高碳邊界處9.4％(重量)增加到兩相區(qū)WC+γ低碳邊界處的18.4％(重量)。鈷相中鎢的含量既影響鈷相性質(zhì)，也影響合金的性質(zhì)。不僅應(yīng)避免η1相和石墨的出現(xiàn)，還應(yīng)控制好鈷相中的鎢含量。單相區(qū)WC-Co合金正常組織為兩相合金，即多角形白色WC相與黑色部分Co粘結(jié)相。當合金碳量不足時，會出現(xiàn)一種脫碳組織W3Co3C，常稱η1相。這種相性脆，能夠?qū)е潞辖饛姸鹊拿黠@下降；當合金碳量偏高時，會出現(xiàn)石墨，但石墨的有害作用比η1相小。因此，碳含量可稍偏高并允許少量石墨的存在，但通常不準許出現(xiàn)η1相。WC-Co合金的組織高鈷合金既不出現(xiàn)石墨也不出現(xiàn)η1相的碳區(qū)范圍要比低鈷合金為寬。因此，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低鈷合金要困難得多。YG合金的組織要求、成分與性能

矯頑磁力：由于鈷的存在，硬質(zhì)合金具有一定的磁性。WC-Co合金的矯頑力主要與鉆含量及其分散度有關(guān)。隨鈷含量的降低而提高。當鈷量一定時，由于鈷相的分散程度隨碳化鎢晶粒變細而提高，使矯頑力也隨之增大。在其他條件相同的情況下，矯頑力可作為間接衡量合金中碳化鎢晶粒大小的參數(shù)。在正常組織的合金中，隨著含碳量的降低，鈷相中鎢含量增大，使鈷相受到較大的強化，矯頑力會因此而增大。因此，燒結(jié)時的冷卻速度越大，矯頑力也愈大。磁飽和：合金磁飽和值只與合金合鈷量有關(guān)，而與碳化鎢相的晶粒度無關(guān)。因此，磁飽可用于對合金進行非破壞性的成分檢查，或鑒定已知成分的合金是否存在非磁性的η1相。YG合金的物理性質(zhì)

彈性模量：由于碳化鎢具有較高的彈性模量值，相應(yīng)WC-Co合金也具有高的彈性磨量。隨著合金中鈷含量的增加，彈性模量降低；合金中碳化鎢晶粒度對彈性模量無明顯影響。導熱率：為避免工具在使用過程因過熱而損壞，通常希望合金有較高的導熱率。WC-Co合金有較高的導熱率，約為0.14-0.21卡／厘米·度·秒，熱率一般只與合金鈷含量有關(guān)，隨鈷含量的降低而提高。熱膨脹系數(shù)：WC-Co合金的線膨脹系數(shù)隨含鈷量的增加而增大。但合金的線膨脹系數(shù)值比鋼材的線膨張系數(shù)低得多，這使合金工具鑲焊時，會產(chǎn)生較大的焊接壓力，如果不采取緩冷措施，往往會造成合金裂紋。YG合金的物理性質(zhì)

硬度：硬度是硬質(zhì)合金的一項主要的機械性能指標。隨著合金中鈷含量的增加或碳化物晶粒度的增大，合金的硬度下降。當工業(yè)WC-Co合金的鈷含量從2％增加到25％時，合金的硬度HRA從93降低到86左右，大約每增加3％的鈷，合金硬度下降1度。細化碳化鎢晶粒度能有效地提高合金的硬度。同樣鈷含量的合金，如YG6X的硬度要比YG6高1.5～2度，YG8的硬度要比YG8C高1度多。在WC-Co合金中添加少量其他碳化物，如TaC（NbC）、Cr3C2等時，都能擬制碳化鎢晶粒長大，因而能提高合金的硬度。當合金中出觀性軟的石墨時，硬度略有下降；而當出現(xiàn)硬脆的η1相時，由于粘結(jié)相量減少，碳化鎢晶粒變細，合金硬度明顯提高。隨著使用溫度的提高，合金硬度急劇下降。YG合金的物理性質(zhì)

抗彎強度通常，合金抗彎強度隨鈷量的增多而提高。但超過25%后，抗彎強度反而下降。工業(yè)生產(chǎn)WC-Co合金，在0～25％鈷含量范圍內(nèi)，其抗彎強度隨鉆含量的增加而升高。合金抗彎強度與碳化鎢晶粒度的關(guān)系較為復雜。一般而言，低鈷(10％以下)粗晶粒合金的抗彎強度比細晶粒合金高；高鈷(15％以上)細晶粒合金的抗彎強度比粗晶柱合金高；但鈷含量(10～15％)合金抗彎強度較特殊，鈷含量和碳化鎢晶粒度以及碳含量之間要有適當?shù)呐浜?。合金滲碳、脫碳及孔洞、裂紋等缺陷都會顯著地降低試樣的強度。隨著使用溫度的提高，合金的抗彎強度降低。YG合金的物理性質(zhì)

抗壓強度：合金的抗壓強度是合金抵抗壓縮負荷的能力。WC-Co合金抗壓強度隨合金含鈷量的增加而下降，隨合金中碳化鎢相晶粒變細而提高。因此，鈷含量較低的細晶粒合金有較高的抗壓強度。沖擊韌性：沖擊韌性是礦用合金的一項重要技術(shù)指標，對于苛刻條件下的斷續(xù)切削刃具也具有實際意義。WC-Co合金沖擊韌性隨鈷含量的增加而增大，隨碳化鎢晶粒度的提高而增大。因此，礦用合金大多是較高鈷含量的粗晶粒合金，如YG8C等。彈性模量：由于碳化鎢具有較高的彈性模量值，因此，WC-Co合金也具有高的彈性模量。隨著合金中鈷含量的增加，彈性磨量降低。合金中碳化鎢晶粒度對彈性模量無明顯影響。YG合金的物理性質(zhì)

控制好合金的碳含量：現(xiàn)有各類硬質(zhì)合金中，其組織和性能對碳量最為敏感，特別是低鈷細晶粒合全更為突出。除必須嚴格控制好碳化鎢的含碳量以外，還必須使整個生產(chǎn)工藝過程出于穩(wěn)定狀態(tài)。

控制好合金的組織結(jié)構(gòu)：由于碳量的嚴格控制，在不出現(xiàn)第三相或只有微量石墨情況下，還必須使碳化鎢相晶粒度以及分布的均勻性符合條件。這就要求原始碳化鎢粉末粒度組成范圍要窄，均勻性好，還必須輔以強化球磨，進一步使碳化鎢破碎。為了防止燒結(jié)過程中碳化鎢晶粒過分長大，添加少量TaC、NbC或Cr3C2是有益的。而采用真空燒結(jié)則有利于獲得細晶粒合金。

嚴格控制過程工藝參數(shù)：現(xiàn)代硬質(zhì)合金工廠不僅要求有高的技術(shù)水平，還必須要有科學的管理能力。任何工序工藝參數(shù)的不正常波動都會影響到合金的質(zhì)量。WC-Co硬質(zhì)合金的生產(chǎn)工藝特點WC-TaC(NbC)-Co硬質(zhì)合金WC-TaC(NbC)-Co硬質(zhì)合金

WC-TaC(NbC)-Co本質(zhì)上仍然是一種碳化鎢基合金，所不同的是在WC-TaC(NbC)-Co合金中出現(xiàn)了一個以TaC(NbC)為基的新的固溶體相(TaC-WC或NbC-WC)。

TaC(NbC)在碳化鎢中幾乎是不溶解的，而碳化鎢在碳化鉭(碳化鈮)中卻有限溶解，因而形成有限固溶體。在通常的燒結(jié)溫度下，WC在TaC(NbC)中的溶解度約為10％(重量)，且隨溫度的降低而降低。因此，WC-TaC(NbC)-Co合金正常組織由三相組成：即碳化鎢相，固溶體相和鈷相。合金中的石墨或η相屬于非正常組織。這類合金均為細晶粒合金。比重：同鈷含量的WC-TaC(NbC)-Co合金比重比WC-Co合金低，而且隨著TaC(NbC)添加量增加，合金比重下降愈多。硬度：添加少量碳化鉭(碳化鈮)可抑制碳化鎢晶粒燒結(jié)時的長大，細化合金晶粒并提高WC-TaC(NbC)-Co合金硬度?？箯潖姸龋篧C-TaC-Co合金抗彎強度較同鈷量的WC-Co合金略有降低；WC-NbC-Co合金降低的更顯著。這主要由于鈮比鉭在鈷中的溶解度高，使鈷相韌性降低較多，因而使合金抗彎強度明顯降低。含碳量對WC-TaC(NbC)-Co合金強度的影響與WC-Co類似，即缺碳和過剩碳都會使合金強度降低。高溫性能：合金有較高的高溫性能，而對其他性能影響不大。WC-TaC(NbC)-Co合金的性質(zhì)

添加TaC的合金有較高的強度，而添加NbC的合金硬度較高。應(yīng)根據(jù)合金的實際使用要求和其它經(jīng)濟技術(shù)指標，來生產(chǎn)各種含TaC，NbC或既含TaC，又含NbC的WC-TaC(NbC)-Co合金。實例WC-TiC-Co硬質(zhì)合金WC-TiC-Co硬質(zhì)合金

從理論上講，WC-TiC-Co狀態(tài)圖應(yīng)該是W-Ti-C-Co四元狀態(tài)圖的某一特殊界面。由于在通常的燒結(jié)溫度下，WC和TiC基本上不分解，因此可以看作是一個單獨組元。

WC-TiC-Co狀態(tài)圖在1350℃的等溫截面比較簡單，只有三個相區(qū)：一個單相區(qū)(γ固溶體)，一個兩相區(qū)[(TiW)C+γ]和一個三相區(qū)[(TiW)C+WC+γ]。因此，正常的WC-TiC-Co合金只有兩種組織狀態(tài)：一為(TiW)C+兩相合金，一為（TiW)C+WC+Y三相合金。通常碳化鈦含量低干30％的WC-TiC-Co合金，WC不能完全進入鈦相(TiW)C，而稱為三相合金；而當碳化鈦含量高于30％時，碳化鎢作為能完全鈦相，得到的為兩相合金。我國生產(chǎn)的YT30屬于兩相合金，YT5，YTl4，YTl5屬于三相合金。

對兩相合金而言，燒結(jié)時既有(TiW)C在鈷中溶解，還有碳向鈷溶解。對三相合金而言，則還有WC向鈷中溶解。因此，在三相合金的燒結(jié)體中，應(yīng)該有WC+γ、Co＋γ、(TiW)C+γ二元共晶、WC＋(TiW)C+γ、WC+γ+C等三元共晶。而在兩相合金的燒結(jié)體中，一般不會有WC+γ二元共晶及WC+(TiW)C+γ，WC+γ+C三元共晶存在。WC-TiC-Co合金的正常組織a是三相WC-TiC-Co合金YTl5的金相顯微組織照片。WC相為三角形、四角形或多角形晶體，而（TiW)C相則是接近于圓形或卵形的晶粒。WC的表面張力較小，從液相中結(jié)晶出多角形晶粒，而(TiW)C的表面張力較大，因而從液相中結(jié)晶出近似于球形的晶粒。兩相WC-TiC-Co合金YT30的組織示于圖b。合金中基本上沒有WC相。顯微組織與WC-Co合金類似，在碳量不適當時，合金中也會出現(xiàn)石墨或η1相，只是由于加入碳化鈦以后，合全所允許的碳量波動范圍要比WC-Co合金寬一些。此外，在WC-TiC-Co合金中還可能出現(xiàn)兩種非正常組織。環(huán)形結(jié)構(gòu)

在WC-TiC-Co合金磨片上有時可觀察到，在(Ti,W)C固溶體晶粒上有一環(huán)形邊界，象一層包圍核心的殼層一樣，此核心部位是碳化鈦，或者是含碳化鎢量較高的(Ti,W)C固溶體；外層(殼層)部分是含碳化鎢量較高的(Ti,W）C固溶體。由WC+TiC+Co混合料燒制合金時，最容易產(chǎn)生環(huán)形結(jié)構(gòu)。預先制取(Ti,W)C固溶體來制造硬質(zhì)合金時，也可能出現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)晶粒。這種結(jié)構(gòu)通常是因碳化溫度過低或碳化時間不是致使碳化不完全所造成的。

WC-TiC-Co合金中出現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)，使合金的強度和韌性降低。WC-TiC-Co合金的非正常組織

采用在燒結(jié)溫度下能被WC飽和的固溶體作混合料組分時，會在合金中會出現(xiàn)針狀碳化物或粗大片狀碳化物，在提高燒結(jié)溫度重新燒結(jié)，其能夠消失。其可使合金強度顯著下降，采用較高燒結(jié)溫度等可防止粗晶碳化物出現(xiàn)。

粗晶粒碳化物的析出合金成分與性質(zhì)

在WC-TiC-Co合金中鈷相的分散程度取決于合金中的含鈷量、兩個碳化物相的相對合量以及晶粒度。兩相WC-TiC-Co合金中，矯頑力值由鈷含量和鈦相的晶粒度決定。三相WC-TiC-Co合金中，除含鈷量外，矯頑磁力值由兩個碳化物相相對含量及其晶粒度決定。碳化鈦含量低的合金，其變化規(guī)律接近WC-Co合金；碳化鈦含量高的合金則接近于兩相的WC-TiC-Co合金。在嚴重缺碳的WC-TiC-Co合金中，碳化物相晶粒較細或出現(xiàn)相，都會提高告金酌矯頑磁力值，隨看含碳量增加，矯頑磁力值降低。隨著固溶體中碳化鈦含量增加，固溶體未飽和程度增加，在燒結(jié)過程中，碳化鎢向碳化鈦中溶解的量增大，使碳化物相晶粒度變細，因而提高了矯頑磁力。矯頑磁力

由于碳化鈦的硬度比碳化鎢高，因而使WC-TiC-Co合全的硬度普遍高于WC-Co合金。鈷含量的減少和碳化鈦含量增多都會使合金硬度升高。但當碳化鈦含量增加到一定數(shù)量后，合金硬度就不再隨碳化鈦含量的增加而升高。通常，合金的硬度隨碳化物相(包括WC相和Ti（W）C固溶體相)晶粒尺寸的減小而提高。（Ti,W）C固溶體成分對合金的硬度也有影響。采用在燒結(jié)溫度下呈未飽和的固溶體(如TiC：WC=50：50等)，合金可以獲得較高的硬度；而采用在燒結(jié)溫度下呈飽和狀態(tài)的固溶體時制得的WC-TiC-Co合金硬度較低。含碳量對WC-TiC-Co合金硬度的影響與WC-Co合金相似，即隨著合碳量的增加，合金的硬度降低。由于WC-TiC-Co合金中合有TiC-WC固溶體，使合金強化，因而在高溫下軟化較慢。因此WC-TiC-Co合金的高溫硬度比WC-Co合金高。硬度與WC-Co合金比較，同鈷含量的WC-TiC-Co合金抗彎強度較低，并隨碳化鈦的增加而降低。影響因素包括：成分：當合金鈷合量一定時，隨著碳化鈦含量的增加，合金抗彎強度降低，而當合金碳化鈦含量一定時，隨鈷含量的增加，合金抗彎強度提高。然而必須指出，低碳化鈦含量的合金抗彎強度隨鈷量的增加并不顯著增大合金的抗彎強度。含碳量對合金抗彎強度的影響與WC-Co合金類似。合金晶粒度：對于三相合金，由于(Ti,W)C相含量少，碳化鎢晶粒度的增大可以提高合金的抗彎強度(與WC-Co合金類似)；而在兩相合金中，(Ti,W)C相晶粒增大反而會降低合金的抗彎強度，這一點類似于碳化鈦基合金。第三是TiC-WC固溶體的飽和程度，通常在采用燒結(jié)溫度呈飽和狀態(tài)的固溶體時，合金有較高的抗彎強度。合金中出現(xiàn)的不正常組織：如環(huán)形結(jié)構(gòu)，針狀或粗大碳化物、滲碳和脫碳，組織不均勻以及孔隙度高等缺陷，那會使合金抗彎強度下降。由于硬質(zhì)合金的高溫強度主要取決于碳化物骨架的強度，而碳化物固溶體使合金的碳化物骨架得到了強化。WC-TiC-Co合金的抗彎強度隨溫度升高而降低的程度要比WC-Co合金小?？箯潖姸?/p>

WC-TiC-Co。合金的沖擊韌性、抗壓強度、彈性模量均比WC-Co合金低。因此—TiC—Co合金低。因此WC-TiC-Co合金通常不用作礦山工具、模具或耐磨零件，而主要用作普通鋼材的切削工具。

WC-TiC-Co合金導熱率比WC-Co合金小，但作為加工鋼材等長切削材料，由于連續(xù)切削可以帶走刀刃上的熱量，因此仍然可以避免刀刃過熱而損壞。

WC-TiC-Co合金的熱膨脹系數(shù)雖然比WC-Co合金大，但仍然比鋼材要低得多，而且由于WC-TiC-Co合金的強度比WC-Co合金低，因此在道具鑲焊時，產(chǎn)生裂紋的傾向較大，這點應(yīng)該注意。其他物理性質(zhì)

性能較高的WC-TiC-Co合金的含碳量低于理論值，但碳化鈦含碳量高達20％，因而使WC-TiC-Co合金含碳量提高，合金組織對碳量敏感程度降低。所加入的碳化鈦應(yīng)該以固溶體的形式加入，以防止出現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)等組織缺陷。根據(jù)不同牌號的使用性能要求，制備不同成分的固溶體。

TiC硬度高，相應(yīng)地混合料的硬度高，其壓制性也比WC-Co合金混合料差。但WC-TiC-Co合金通常用來制造切削刀片，形狀較簡單。因此，稍差的壓制性并不多大影響。由于真空燒結(jié)可以使合金性能明顯提高，目前國內(nèi)外絕大多數(shù)廠家均采用真空燒結(jié)來生產(chǎn)WC—TiC—Co硬質(zhì)合金。

生產(chǎn)工藝特點WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬質(zhì)合金WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬質(zhì)合金WC-TiC-Co硬質(zhì)合金通常只能加工普通鋼材，而加入TaC(NbC)，以后的WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金不但可以切削普通鋼，而且可以加工高合金鋼、不銹鋼及合金鑄鐵等難加工材料，是一種通用性較好的合金。WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金的組織與WC-TiC-Co合金類似，所不同的是碳化物固溶體相的成分不同。在WC-TiC-Co合金中，固溶體相是(Ti,W)C；而在WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金中，固溶體相是(Ti,W,Ta/Nb)C。與WC-TiC-Co合金一樣，正常的WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金有兩種組織形式，一種是(Ti,W,Ta/Nb)C+γ二相合金，一種是(Ti,W,Ta/Nb)C+WC+γ三相合金。當合金中TiC、TaC(NbC)、WC三個份的含量超過中單相區(qū)的界限時，合金便稱為三相組織，否則為兩相組織。與WC-TiC-Co合金類似，平衡時的WC-TiC-TaC(NbC)-Co應(yīng)該有各種共晶存在，在兩相合金中應(yīng)該有Co-C共晶、(Ti,Ta/Nb)C+γ共晶和(Ti,W,Ta/Nb)C+γ+C三元共晶存在；在三相還應(yīng)該有WC+γ共晶和(Ti,W,Ta/Nb)C+WC+γ共晶存在。

WC-TiC-T