钢结硬质合金材料研究进展

  
 1 前言
   钢结硬质合金是以钢为粘结剂，以硬质化合物作硬质相，通过粉末冶金方法制备而成的一种钢基复合材料。它*早出现于二十世纪六十年代初期的美国。其组织特点是硬而耐磨的硬质相均匀分布于钢基体中，钢基体赋予合金广泛的工艺特性，而硬质相则使得合金的硬度和耐磨性能大幅提高，这样，钢结硬质合金就兼有了硬质相和钢的优点，其综合性能处于普通硬质合金和钢之间，填补了它们之间的*。
   2 钢结硬质合金的性能特点
   2．1 广泛的工艺特性
   钢结硬质合金*重要的工艺特性是其可加工，可热处理性。它可采用普通的机械加工设备进行车、铣、刨、钻、磨削等各种机械加工，加工完毕后，可进行各种硬化处理，且热处理变形较小。另外，钢结硬质合金还具有可锻性及可焊接性。这些工艺特性是钢结硬质合金得以广泛应用的基础。
   2．2 良好的物理、机械综合性能
   钢结硬质合金具有很高的硬度、耐磨性，较高的刚性、弹性模量与抗弯强度，同时有比硬质合金更好的塑性及韧性，良好的自润滑性、高的阻尼震荡特性等，这些物理机械性能的良好综合对其应用也至关重要。
   2．3 优异的化学稳定性
   钢结硬质合金可随钢基的不同而具有优异的耐高温、抗氧化、抗各种酸、碱、盐等介质腐蚀的特性，从而进一步开拓了钢结硬质合金的应用领域。
   3 钢结硬质合金制备方法
   3．1传统粉末冶金方法
   到目前为止，世界各国的钢结硬质合金生产都是以传统粉末冶金方法为主，其基本生产工艺为：混料-干燥-成形-烧结-锻造-退火-机加工-淬火-回火-研磨.
   在实际生产中，常采用普通混料机进行混料，通过模压方式进行粉末成形，这样做具有速度快，形状易控制，效率高等特点，而科研实验中常采用高能球磨+冷等静压的方式进行混料与成形，以提高材料性能。钢结硬质合金的烧结为瞬时液相烧结，以NbC为硬质相的钢结硬质合金需在1300℃以上烧结才能出现液相， 而TiC系钢结硬质合金须在1400℃左右烧结。烧结后的钢结硬质合金中存在偏析、非金属夹杂、疏松、孔隙和TiC颗粒不均匀聚集形成的“桥接”等组织缺陷，需通过锻造改善合金的组织与性能，但钢结硬质合金塑性差、易开裂、变形抗力大，要想顺利进行锻造，必须严格控制始锻和终锻温度，锻造前的坯料受热要均匀，锻造过程中须采取先轻后重再轻打的锻造工艺 ，经过锻造后,GT35合金的密度可由烧结态的6.43g／cm3,提高到6.53 g／cm3,甚至更高。烧结态的合金硬度(HRA)通常在50以上，必须退火后才能机加工，退火温度根据合*号而定，GT35和TLMW50为860℃- 880℃，R5和T1为820℃～840℃，GJW50为840℃- 850℃，GW50为860℃。
   钢结硬质合金一般采用一次淬火，加热保温后直接在油中急冷。对于尺寸较大或形状较复杂的工件，宜采用分级淬火以防止产品开裂。
   3．2 近期内相关研究
   3．2．1成份改进
   添加羰基铁粉：蹇福全等嘲通过研究发现，在还原铁粉中添加一定比例的羰基铁粉，能调节混合料的粒度组成，改善压制性能，较大幅度地提高成形密度，粉坯中的羰基铁粉还能降低烧结温度，促进烧结体致密化。  添加稀土元素：稀土元素具有活性强，可减小液态铁表面张力等特性。在铁基合金中添加适量稀土可抑制硫、磷、锑在晶界的偏聚，起到脱氧、脱硫、细化晶粒和改善液相流动性与润湿性等作用，使得钢结硬质合金中的孔隙度减少，塑性和抗弯强度提高。
   硬质相的扩展：近年来，钢结硬质合金发展的一个突出的特点就是其硬质相向多样化的方向发展。*初，作为钢结硬质合金硬质相的只有TiC和WC两种，随着科研工作者研究的深入，现在在钢结硬质合金中添加的硬质相包括Al203、TiN、NbC 、Cr3C2 、VC、TiB2、NV、Mo2FeB2、Mo2C、WC—Co等。
   3．2．2 工艺改进
   用高能球磨机混料，通过球磨筒的高速旋转，使得筒内的磨球和粉末颗粒之间，粉末与粉末之间产生强烈碰撞，粉末彼此之间被反复冷焊和破碎，在粉末粒度细化的同时，成份的均匀性也得到改善。用高能球磨机混料制备的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，较普通球磨混料制备的性能更好.
   用冷等静压取代机械压制，可以得到密度较高且均匀的压坯，并可省去加蜡、脱蜡工序。用预烧取代致密化烧结，可使压坯密度达到理论密度的93％～ 97％，并形成一层表面膜。采用“冷等静压+预烧+热等静压+锻造”工艺比用传统粉末冶金工艺制备的DT钢结硬质合金的综合性能大幅度提高，密度达到6.7g／cm。；其抗弯强度可达到2777MPa，比传统粉末冶金法提高25％～30% 。
   采用自蔓燃高温合成方法制备以TiC和WC为硬质相的钢结硬质合金，具有操作方便、硬质相分布均匀、强度高和耐磨性好等特点 。采用热等静压方法可减少钢结硬质合金烧结后形成的孔隙，使合金进一步致密，硬质相粒子与基体的结合良好，合金强度提高。
   3．2．3 新型钢结硬质合金
   TiN基钢结硬质合金：瑞典山特维克公司基于以TiN 为硬质相开发出的一种新型钢结合金CORONITE。他们采用一种特殊工艺，将极细(约0．1微米)的TiN粉末均匀地添加在可热处理的钢基体中，其体积含量可从35％到60％，由于TiN粉末细且性能极其稳定，通过这种方式制得的CORONITE合金兼有硬质合金的耐磨性和高速钢的韧性。日本日立金属公司安来工厂也利用水雾化和烧结法开发出以TiN为硬质相的可机械加工和可热处理的钢结合金H34A。它是将W、Mo和C含量高的水雾化钢粉与10％TIN粉末混合，成形后经烧结而成。
   TiCN基钢结硬质合金：TiCN与TiC相比，其硬度比较低，但其耐磨性十分优异，因为TiCN具有上述的优异性能，并且与TiC系同晶型，可生成连续固溶体。13本三菱金属公司基于这种固溶体开发出一种新型钢结硬质合金，并在其岐阜硬质材料厂进行生产。这种新型钢结合金是通过将作为基体的高速钢粉与碳氮化钛添加剂混合、成形、脱蜡、然后热等静压、热处理和精加工的方法生产的。
   WC—Co合金／钢复合材料：在热处理钢、奥氏体锰钢、高铬铸铁和硬质合金四类现有的耐磨材料中，硬质合金具有*高的耐磨性，但用作受冲击的结构零件太脆。热处理钢具有*高的韧性，但其耐磨性又太低。加拿大工业材料研究所和拉瓦尔大学利用上述两种材料开发出一种兼有高耐磨性和高韧性的复合材料，即WC—Co硬质合金与热处理钢复合而成的材料，从而填补了这两个极端材料之间的*。
   TiB2一FeMo复合材料：TiB2具有某些独特的物理化学性能，诸如极高的高温硬度、很低的比重和电阻率、良好的传导率、很高的抗氧化性、低的金属粘着性和摩擦系数等，被认为是制造钢结硬质合金用的理想硬质相。Fe与TiB2之间的固溶度低，润湿性好，可作为TiB2的粘结剂。
   4 应用
   4．1工模具
   钢结硬质合金可用于制造冷镦模、热镦模、挤压模、拉伸模、冲裁模、压印模、拉丝模、拉管模、粉末压模等。用低、中碳工具钢作粘结相的钢结硬质合*号如C，C—Spezial，TC-65等，因耐热性较低，故仅用于无屑金属冷加工工具，较通用的钢结硬质合金以高铬工具钢作粘结相(TiC—Cr12MoV)，如牌号CM，WFN，TiC—Cr12MoV。这些钢结硬质合金可用于制作无屑金属冷、热加工工具，并可用于无动载荷工具。
   例如，莫斯科钢与合金研究所研制的TiC—Cr12MoV钢结硬质合金，可用来制造拉制镍，钼合金的拉模和制造多孔砖用的冲子。用高铬钢作粘结相的钢结硬质合金，其缺点是强度和韧性低于用低合金钢作粘结相的钢结硬质合金。用马氏体时效钢作粘结相的钢结硬质合金具有较高的强度、韧性和耐热性。由这些钢结硬质合金制造的工具要进行渗氮强化，故常用这些合金来镶装大表面，通过钎焊、氩弧焊和机械加固护面的方法进行。用奥氏体弥散硬化钢作粘结相的钢结硬质合金(HT一2)不带磁性，具有耐热性。
   用奥氏体耐蚀钢作粘结相的钢结硬质合金(S一55，TiC—Crl8Ni15，TC30XH，TC40XH，TXH)具有耐蚀性和耐热性，以及良好的韧性。但是，它们的抗磨粒磨损性低于热处理(淬火)后的钢结硬质合金。这些钢结硬质合金可用来制造热压模、拉伸模、木材加工工具，TXH钢结硬质合金还可用来制造工作在腐蚀条件下的粉碎机工作机构 。
   4．2 耐磨零件与机器零件
   钢结硬质合金由于高强度和高韧性，常优于无钨硬质合金，且具有抗粘附磨损性，故可应用在短时无润滑的摩擦场合，如气体动压轴承，工作在真空中无润滑的轴承和其它滑动表面。钢结硬质合金由于刚性高，在退火状态下能吸收振动，故可用来制造磨轮主轴、镗床主轴和钻探杆。钢结硬质合金50TZC和60TZC具有高的抗压强度和抗拉强度，故可用来制造机械夹固式切削刀具的支承刀片。TiC钢结合金具有良好的耐磨性能，可用来制造采矿用钻阀、燃油喷射器、粉碎机工作机构的轮齿等 。
   4．3 刃具
   钢结硬质合金可用来制造钻头、铣刀、拉刀、滚刀等刀具，以用于加工不锈钢、耐热钢、有色合金。合金中细小的硬质相颗粒被淬硬的钢基体牢固地支撑着， 有助于保持所需的锋刃。如：G1r35可在HRC(68-70)的情况下进行重磨，其圆形的TiC颗粒可以抗擦伤，工具钢基体提供的韧性足以抗碎裂。
   Sandvik Coromant公司采用气相沉积法制备了粒度小于101um的高速钢粉末，再通过一定的方法将粒度小于0.1um的TiN颗粒加入其中，并使其均匀弥散的分布在钢基体中，这样制备的钢结硬质合金材料用于制备端铣刀具有硬度高，韧性好等特点。钢结硬质合金的强度和韧性高于普通硬质合金，且保留了硬质合金的优点，如在干摩擦时其摩擦系数较小，抗粘附磨损性好。由于具有这些特点，用钢结硬质合金制作的刀具可保证被加工金属在刀尖区较好的流动性，且在刀具表面上不产生金属粘附。
   5 结语
   用钢结硬质合金制作的刀、模具往往比用同类型的钢材制作的刀、模具寿命延长数倍到数十倍，如罐头盖片的冲压，用Crl2钢制作的工具可以生产5百万到7百万片，而用TiC钢结硬质合金制作的工具可以生产6千万片 。其优异的耐磨和耐腐蚀性能使得它在金属加工、塑料、化工等多个领域被广泛应用 。钢基体的多样性和较低的价格也使得钢结合硬质合金在航空和汽车工业中的应用成为近年来材料研究的热点。