硬质合金的研究和应用The studies and applications of cemented carbide 作者：何梓秋机械类创新实验班 3112010441内容摘要：硬质合金由于具有高硬度，高抗压强度，高热硬性以及高耐磨性，高耐腐蚀性，常用于制造切削工具和耐磨零部件。

广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金等领域。

本文将通过新型硬质合金的研发和硬质合金制造工艺的进步两条路径对硬质合金的研究进行介绍。

再结合各种硬质合金的特性，介绍其具体的应用。

Abstract：Because cemented carbide has high hardness，high compressive strength，high abrasive resistance and high corrosion resistance，it is always used for manufacture cutting tools and wear-resistant parts.It provides widely applications in war industry,aerospace,machine work，metallurgy and so on.This thesis will describe the studies of cemented carbide on two ways,the inventions of new-type cemented carbide and the progress of manufacturing process for cemented carbide.And then this thesis will introduce the specific applications combining the characteristics of every type of cemented carbide.关键词：硬质合金，研究，应用，金属碳化物，粉末冶金Keywords:cemented carbide，studies，applications，metal carbide，powder metallurgy关于硬质合金的基础知识一．硬质合金的起源早在1923年，德国科学家施勒特尔为了提高拉丝模质量，往碳化钨粉末中加进10%～20%的钴做粘结剂，发明了世界上人工制成的第一种硬质合金。

虽然用这种硬质合金制造成的刀具进行切割钢材很容易产生刀刃磨损甚至断裂，但是硬质合金因此得以面世，为至今几乎长达一个世纪的硬质合金研究、发展及应用开辟了起点。

二．硬质合金的成分、分类和牌号硬质合金是一种金属陶瓷，它的组成是：基体为金属碳化物（如WC、TiC、TaC等），Co、Ni、Mo等金属粉末则充当粘结剂。

于是硬质合金具是有金属性质的粉末冶金材料，它具有高硬度，高抗压强度，高热硬性以及高耐磨性，高耐腐蚀性，常用于制造切削工具、刀具、钴具和耐磨零部件。

它的分类及牌号如下： 1．钨钴类硬质合金主要成分是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。

牌号由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字首）和平均含钴量（质量分数X 100）组成。

例如YG6，表示平均ωCo=6%，余量为碳化钨的钨钴类硬质合金。

2．钨钴钛类硬质合金主要成分是碳化钨、碳化钛（TiC）和粘结剂钴。

牌号“YT”（“硬、钛”两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量（质量分数X 100）组成。

例如YT15，表示平均ωTiC=15%，余量为碳化钨和钴钨钛钴类硬质合金。

3．通用硬质合金主要成分是碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）、碳化钛、碳化物和粘结剂钴。

牌号为“YW”（“硬”和万能的“万”两字汉语拼音字首）加序号表示，如YW1，YW2。

它的热硬性很高，其他性能介于钨钴类和钨钴钛类之间，能加工钢材、铸铁和有色金属，故称为通用硬质合金。

对硬质合金的研究三．新型硬质合金的研发随着硬质合金特有的优越性能在生产制造中得到越来越多的青睐，对硬质合金的研究也越来越深入，于是有越来越多样的新型硬质合金面世了。

随着许多精密仪器零件的加工要求硬质合金工具在苛刻的加工条件下保持高寿命，而硬质合金有着强度低、韧性差的显著缺点，所以对于硬质合金的研究一直在侧重于如何提高它的强度和韧度。

以下是各种新研发的新型硬质合金介绍：1.超细颗粒硬质合金超细颗粒硬质合金的原理是通过细化组织来提升硬质合金的综合力学性能，使之拥有更好的韧性和抗弯强度。

超细颗粒硬质合金的晶粒度可达到0.5μm以下，而普通的硬质合金晶粒度仅为1～3μm。

WC晶粒的硬度与抗弯强度的关系如图⑴。

①图⑴硬质合金的抗弯强度和硬度的关系图之所以WC晶粒在晶粒度缩至0.5μm以下的情况下可以保持高硬度，是因为当Co的量一定时，若WC的晶粒越小，与Co粒子的接触面积则越大，Co粒子的平均行程缩小，从而硬质合金的硬度不会降低。

而由于WC超细颗粒的晶粒度小，表面积大并且活性高，所以在烧结过程中很容易出现晶粒长大现象，导致硬质合金的力学性能变差。

为此可以添加抑制剂抑制其晶粒长大，在下文中将会详细介绍。

2.高韧性硬质合金日本日立硬质合金公司研究出了高韧性硬质合金，其原理是通过调整显微组织的成分来改善硬质合金的强度和韧性，尤其是韧性会得到大幅度提高。

刀刃在热冲击下容易产生裂纹。

细颗粒硬质合金产生的裂纹少，却比较深，粗颗粒硬质合金产生的裂纹多，但是比较浅。

高韧性硬质合金便是通过调整粗细颗粒在硬质合金中的比例（通常调整WC的粗细晶粒比例），调配出适当的粗细颗粒比例，使之在热冲击下产生的裂纹少而浅。

因此，高韧性硬质合金不仅适用于车削加工，还适用于滚削加工。

3.涂层硬质合金涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。

涂层硬质合金刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性②。

在韧性较好的硬质合金表面沉积涂层，可以使得硬质合金表面具有高硬度和高耐磨性，而心部可以保持着一定的韧性。

由于不同的涂层材料具有不同的性能，例如TiC涂层具有高的耐磨性，三氧化二铝具有良好的化学阻力（提高耐腐蚀性）和热阻力（提高热硬性），因此一般的涂层硬质合金都采取多层涂层，使各种涂层材料的性能相互补充，达到优越的力学性能。

目前金刚石涂层和CBN（立方氮化硼，一种人工合成的超硬材料）涂层也在不断地发展中，纳米结构涂层技术也进入了硬质合金领域，并在迅速发展。

4.高温粉末基硬质合金以高温还原和高温碳化的工艺对原料粉末进行加工，制取得到的金属碳化物（WC等）颗粒具有几何形状好，晶粒完整，强度高等显著优点。

这种经过高温处理的金属碳化物粉末制成的硬质合金具有良好的力学性能，强度与普通硬质合金相比明显提高。

研究更表明其塑性性能也得到了改善③。

由于这种硬质合金具有良好的强度和塑性性能，可用于重载荷和动载荷的场合，比如矿山凿岩工具。

5.含氮硬质合金钽是一种资源稀缺的贵价金属，为了节约钽，人类研发出了以添加氮元素代替钽元素的的硬质合金。

氮一般以TiN或者是以β(N)（WC-TiC-TiN的固溶体）等形式，在真空烧结制造硬质合金的过程中添加。

加入氮元素后，β(N)晶粒比不含氮的β（WC-TiC 固溶体）晶粒更加细，并且呈球状分布，于是相比于不含氮的硬质合金具有更高的强度和韧性。

此外，含氮硬质合金的耐氧化性也比普通硬质合金好。

除了以上介绍的几种常见的新型硬质合金外，某些企业、研究所也一直在试验和研发其他性能优越的新型硬质合金，比如：把已经过烧结的WC-Co合金球粒加入金属粘结剂再次烧结，从而大幅提高断裂韧性的双粘结相结构硬质合金；在高速钢粉末中均匀弥散各种金属碳化物、金属氮化物从而得到介乎硬质合金和高速钢之间的硬度、耐磨性和韧性的钢结硬质合金,等等。

硬质合金被称为“工业牙齿”，它的研发仅仅处在婴儿阶段，必定会有更多样、性能更优越的新型硬质合金会在不久的未来面世。

四．硬质合金制造工艺的进步上文已经介绍，硬质合金是一种粉末冶金材料，所以粉末冶金便是它的制造工艺。

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术④。

然而粉末冶金只是制造硬质合金的基本工艺。

若仅仅进行粉末冶金工艺，只能制造出传统的硬质合金。

而为了得到新型硬质合金或者赋予硬质合金更优越的性能，人类对于硬质合金制造工艺的研究也一直在进行，其侧重点也是在于克服硬质合金韧性差，强度低的缺点。

以下是常见的新型硬质合金制造工艺介绍：1.添加抑制剂——防止碳化物超细颗粒在烧结过程中长大在制造超细颗粒硬质合金的过程中，由于WC晶粒度越小，表面积越大，活性越高，所以在烧结过程中很容易出现晶粒长大现象，导致硬质合金的力学性能变差。

为了防止碳化物超细晶粒在烧结过程中长大，可在烧结前添加抑制剂，有效防止其晶粒变大。

常见的抑制剂是VC、Cr3C2、V2O5、Cr2O3等金属碳化物和氧化物。

研究结果⑤表明：在WC碳化阶段加入V2O5、Cr2O3等氧化物的弥散性最佳，得到的综合力学性能最优。

若抑制剂加入的量过多，硬质合金的力学性能不仅不会提升，反而会降低，所以抑制剂的量应该控制在质量分数2%以下。

2.硬质合金涂层技术——PVD法和CVD法涂层硬质合金现已得到广泛的应用，其最重要的制造工艺是涂层。

以下介绍两种最常用的涂层方法：a.PVD法：PVD法的全称是物理气相沉积涂层法。

它运用物理方法，将涂层材料蒸发后沉积在基体表面上形成涂层。

所谓的物理方法可以分为两大类：第一类是电弧蒸发，产生高密度电流使得阴极材料汽化。

第二类是阴极溅镀，把涂层材料放在阴极，把阴极材料溅射到基体上。

PVD技术最大的优点就是沉积涂层的温度低，能在500℃左右沉积涂层，大大扩大了涂层技术的适用范围。

b.CVD法：CVD法的全称是化学气相沉积涂层法。

它运用化学方法，让反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在基体表面。

CVD法分为热CVD法和等离子CVD法两类。

目前最广泛应用的是热CVD法，它的反应温度通常在900~1100℃之间。

等离子CVD法的反应温度比较低，作为新兴涂层技术，它也扩大了涂层技术的适用范围。

CVD涂层的耐磨性比PVD涂层高，所以CVD涂层法在工业生产中有着较多的应用，尤其是连续工作的车削工具。

3.硬质合金的热处理硬质合金在真空中烧结、淬火、回火后，可以提高其韧性和抗弯强度。

根据对硬质合金的强化机理的研究⑥，硬质合金在真空烧结后油淬可以改善其韧性和抗弯强度。

当今学界已出现专门为硬质合金热处理研制的硬质合金真空烧结淬火炉，可以通过此设备直接对硬质合金进行热处理。