硬質合金

硬質合金

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外文名 ：tungsten carbide、cemented carbide 工 藝 ：通過粉末冶金工藝製成的合金材料 特 點 ：硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕 應   用 ：各類車床刀具、鑽頭

硬質合金，(英語: Carbide )是由難熔金屬的硬質化合物和粘結金屬通過粉末冶金工藝製成的一種合金材料。

硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。

硬質合金廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鑽頭、鏜刀等，用於切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不鏽鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料。

目錄

主要優點

硬質合金具有很高的硬度、強度、耐磨性和耐腐蝕性，被譽為「工業牙齒」，用於製造切削工具、刀具、鈷具和耐磨零部件，廣泛應用於軍工、航天航空、機械加工、冶金、石油鑽井、礦山工具、電子通訊、建築等領域，伴隨下游產業的發展，硬質合金市場需求不斷加大。

並且未來高新技術武器裝備製造、尖端科學技術的進步以及核能源的快速發展，將大力提高對高技術含量和高質量穩定性的硬質合金產品的 需求。

主要用途

1923年，德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進10%～20%的鈷做粘結劑，發明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次於金剛石，這是世界上人工製成的第一種硬質合金。

用這種合金製成的刀具切削鋼材時，刀刃會很快磨損，甚至刃口崩裂。1929年美國的施瓦茨科夫在原有成分中加進了一定量的碳化鎢和碳化鈦的複式碳化物，改善了刀具切削鋼材的性能。這是硬質合金髮展史上的又一成就。

硬質合金還可用來製作鑿岩工具、採掘工具、鑽探工具、測量量具、耐磨零件、金屬磨具、汽缸襯裡、精密軸承、噴嘴、五金模具（如拉絲模具、螺栓模具、螺母模具、以及各種緊固件模具，硬質合金的優良性能逐步替代了以前的鋼鐵模具）。

近二十年來，塗層硬質合金也問世了。1969年瑞典研製成功了碳化鈦塗層刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質合金或鎢鈷硬質合金，表面碳化鈦塗層的厚度不過幾微米，但是與同牌號的合金刀具相比，使用壽命延長了3倍，切削速度提高25%～50%。20世紀70年代已出現第四代塗層工具，可用來切削很難加工的材料。 硬質合金是將這種或多種難熔金屬的碳化物和粘接劑金屬，用粉末冶金方法製成的金屬材料。

性能特點

硬度高（86～93HRA，相當於69～81HRC）；

熱硬性好（可達900～1000℃，保持60HRC）；

耐磨性好。

硬質合金刀具比高速鋼切削速度高4～7倍，刀具壽命高5～80倍。製造模具、量具，壽命比合金工具鋼高 20～150倍。可切削50HRC左右的硬質材料。

但硬質合金脆性大，不能進行切削加工，難以製成形狀複雜的整體刀具，因而常製成不同形狀的刀片，採用焊接、粘接、機械夾持等方法安裝在刀體或模具體上使用。

組織性質

硬質合金是以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC)微米級粉末為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結而成的粉末冶金製品。

ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等，由於硬度和熔點特別高，統稱為硬質合金。下面以碳化物為重點來說明硬質含金的結構、特徵和應用。

ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬與碳形成的金屬型碳化物中，由於碳原子半徑小，能填充於金屬晶格的空隙中並保留金屬原有的晶格形式，形成間隙固溶體。在適當條件下，這類固溶體還能繼續溶解它的組成元素，直到達到飽和為止。因此，它們的組成可以在一定範圍內變動（例如碳化鈦的組成就在TiC0.5～TiC之間變動），化學式不符合化合價規則。當溶解的碳含量超過某個極限時（例如碳化鈦中Ti︰C=1︰1），晶格型式將發生變化，使原金屬晶格轉變成另一種形式的金屬晶格，這時的間充固溶體叫做間充化合物。

金屬型碳化物，尤其是ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬碳化物的熔點都在3273K以上，其中碳化鉿、碳化鉭分別為4160K和4150K，是當前所知道的物質中熔點最高的。大多數碳化物的硬度很大，它們的顯微硬度大於1800kg·mm2（顯微硬度是硬度表示方法之一，多用於硬質合金和硬質化合物，顯微硬度1800kg·mm2相當於莫氏一金剛石一硬度9）。許多碳化物高溫下不易分解，抗氧化能力比其組分金屬強。碳化鈦在所有碳化物中熱穩定性最好，是一種非常重要的金屬型碳化物。然而，在氧化氣氛中，所有碳化物高溫下都容易被氧化，可以說這是碳化物的一大弱點。

除碳原子外，氮原子、硼原子也能進入金屬晶格的空隙中，形成間隙固溶體。它們與間隙型碳化物的性質相似，能導電、導熱、熔點高、硬度大，同時脆性也大。

硬質合金的基體由兩部分組成：一部分是硬化相；另一部分是粘結金屬。

硬化相是元素周期表中過渡金屬的碳化物，如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭，它們的硬度很高，熔點都在2000℃以上，有的甚至超過4000℃。另外，過渡金屬的氮化物、硼化物、硅化物也有類似的特性，也可以充當硬質合金中的硬化相。硬化相的存在決定了合金具有極高硬度和耐磨性。

硬質合金成型工藝流程

硬質合金對碳化鎢WC粒度的要求根據不同用途的硬質合金採用不同粒度的WC(碳化鎢)。硬質合金切削刀具：比如切腳機刀片、V-CUT刀等精加工合金採用超細、亞細、細顆粒WC，粗加工合金採用中顆粒WC，重力切削和重型切削的合金採用中、粗顆粒WC做原料；礦山工具：岩石硬度高，衝擊負荷大，採用粗顆粒WC，岩石衝擊小衝擊負荷小採用中顆粒WC做原料；耐磨零件：當強調其耐磨性、抗壓和表面光潔度時，採用超細、亞細、細、中顆粒WC做原料，耐衝擊工具採用中、粗顆粒WC原料為主。

WC理論含碳量為6.128%(原子50%)，當WC含碳量大於理論含碳量，則WC中出現游離碳(WC+C)。游離碳的存在，燒結時使其周圍的WC晶粒長大，致使硬質合金晶粒不均勻。碳化鎢一般要求化合碳高(≥6.07%)，游離碳(≤0.05%)，總碳則決定於硬質合金的生產工藝和使用範圍。

正常情況下，石蠟工藝真空燒結用WC總碳主要決定於燒結前壓塊內的化合氧含量。含一份氧要增加0.75份碳，即WC總碳=6.13%+含氧量%×0.75(假設燒結爐內為中性氣氛，實際上多數真空爐為滲碳氣氛，所用WC總碳小於計算值)。

我國WC的總碳含量大致分為三種：石蠟工藝真空燒結用WC的總碳約為6.18±0.03%(游離碳將增大)。石蠟工藝氫氣燒結用WC的總碳含量為6.13±0.03%。橡膠工藝氫氣燒結用WC總碳=5.90±0.03%。上述工藝有時交叉進行，因此確定WC總碳要根據具體情況。

不同使用範圍、不同Co(鈷)含量、不同晶粒度的合金所用WC總碳可做一些小的調整。低鈷合金可選用總碳偏高的碳化鎢，高鈷合金則可選用總碳偏低的碳化鎢。總之，硬質合金的具體使用需求不同對碳化鎢粒度的要求也不同。

粘結金屬一般是鐵族金屬，常用的是鈷和鎳。

製造硬質合金時，選用的原料粉末粒度在1～2微米之間，且純度很高。原料按規定組成比例進行配料，加進酒精或其他介質在濕式球磨機中濕磨，使它們充分混合、粉碎，經乾燥、過篩後加入蠟或膠等一類的成型劑，再經過乾燥、過篩製得混合料。然後，把混合料制粒、壓型，加熱到接近粘結金屬熔點（1300～1500℃）的時候，硬化相與粘結金屬便形成共晶合金。

經過冷卻，硬化相分布在粘結金屬組成的網格里，彼此緊密地聯繫在一起，形成一個牢固的整體。硬質合金的硬度取決於硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越細，則硬度也越大。硬質合金的韌性由粘結金屬決定，粘結金屬含量越高，抗彎強度越大。

種類

①鎢鈷類硬質合金

主要成分是碳化鎢（WC）和粘結劑鈷（Co）。

其牌號是由「YG」（「硬、鈷」兩字漢語拼音字首）和平均含鈷量的百分數組成。

例如，YG8，表示平均WCo=8%，其餘為碳化鎢的鎢鈷類硬質合金。

一般鎢鈷類合金主要實用於：硬質合金刀具、模具以及地礦類產品。

②鎢鈦鈷類硬質合金

主要成分是碳化鎢、碳化鈦（TiC）及鈷。其牌號由「YT」（「硬、鈦」兩字漢語拼音字首）和碳化鈦平均含量組成。

例如，YT15，表示平均TiC=15%，其餘為碳化鎢和鈷含量的鎢鈦鈷類硬質合金。

③鎢鈦鉭（鈮）類硬質合金

主要成分是碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（或碳化鈮）及鈷。這類硬質合金又稱通用硬質合金或萬能硬質合金。

其牌號由「YW」（「硬」、「萬」兩字漢語拼音字首）加順序號組成，如 YW1。