硬质合金粉末冶金

任务5　粉末冶金与硬质合金

工业上通常用熔炼法生产金属材料。近数十年来采用了一种新工艺，即用金属粉末或金属与非金属粉末混合压制成型，并在高温下烧结制成合金，这种新的生产方法称为粉末冶金法。由于这种方法与生产陶瓷有相似之处，因而也称为金属陶瓷法。

一、粉末冶金

粉末冶金主要生产工艺：粉料制备↑压制成型↑烧结↑后处理↑成品。

1．粉料制备

粉料制备包括金属粉末的制取、混料等步骤。粉末制取的常用方法如下：①机械破碎法，如用球磨机粉碎原料；②雾化法，用高压气流（压缩空气流、蒸汽流、惰性气体流或其他气流）及高压液体（水）将熔融金属粉碎；③氧化物还原法，如用还原剂把金属氧化物还原成粉末；④电解法，通过电解金属盐的水溶液沉淀积出金属粉末。

混料的目的是使粉末中各组元（包括添加剂）均匀化。

2．压制成型

压制成型是把混匀后的疏松粉末通过压制（或其他方法），制成一定形状、尺寸的压坯。通常是将添加了汽油橡胶或石蜡等增塑剂的粉末，在模具中以500～600MPa的压力压制成需要的形状。在强大的压力下，粉末颗粒表面原子间的嵌合引力增加，加强了粉末接触面的机械连接，使压坯具有一定的密度和强度。

3．烧结

要提高压坯的物理性能和机械性能，必须将压坯放入保护气炉或真空炉中进行烧结。金属在高温时塑性提高，接触面积增多，并通过原子扩散、再结晶、晶粒张大及蠕变过程，减少了坯料中的空隙度，提高了密度，获得了类似金属组织的强度较高的晶体合体——粉末冶金制品。

4．后处理

后处理包括精压、浸油、机加工、热处理和表面处理等。精压的目的是提高形状和尺寸精度、表面光整程度。为提高减摩性、耐腐蚀性，可以浸渍机油或防腐油。为改善和提高综合性能，还可进行淬火、渗碳、碳氮共渗、蒸汽处理，以及渗锌、电镀、涂层等表面处理。

二、粉末冶金的特点与应用

粉末冶金法能制造具有特殊性能的制品，可以简化加工工艺，节约材料和设备，降低成本。粉末冶金的空隙可浸渍润滑油，改善耐磨性及起减振作用。粉末冶金不需熔炼，添加合金元素数量、种类不受溶解度及密度限制，具有较大的灵活性，可制得无密度偏析的合金、过饱和的合金或根本不相互溶解的元素所组成的假合金。但粉末冶金材料均匀性稍差，空隙的存在使力学性能、耐腐蚀性及对热、磁、电的传导能力下降。

1．粉末冶金法能制造具有特殊性的金属材料

粉末冶金法能产生具有一定空隙度的多孔材料，如过滤器及多孔含油轴承，能生产一般熔炼法不能生产的电接触材料（如钨铜假合金）、硬质合金、金刚石与金属组合材料、各种金属陶瓷磁性材料，还可生产钨、钼、钽、铌等难熔金属材料和高温金属陶瓷等。近年来，为避免碳化物偏析，还用粉末冶金法生成高速钢。

2．用粉末冶金法生产机械零件充分发挥了少切削、无切削的优越性

粉末冶金法最初主要用来制造各种衬套和轴套，现已从五金用具到大型机械，广泛地用于各行各业到顶端技术，特别是形状简单、批量大的零件，如齿轮、凸轮、活塞环、摩擦片及含油轴承等。粉末冶金法大量生产可减少加工时间，减少材料消耗，提高劳动生产率。但粉末冶金法采用的金属粉末成本较高，模具费较大，因而成本较高。受压力机容量的限制，制品的尺寸也不能过大，粉末流动性差，薄壁、细长等形状复杂件不宜用此法生产，且生产的零件韧性稍差。

三、硬质合金分类、牌号、主要性能与应用

高速切削时，刃具温度超过600～650℃时，高速钢硬度也会迅速下降，而硬质合金能在工作温度800～1 000℃时保持高硬度。它的耐磨性也比一般工具钢好得多。

硬质合金是以难熔金属碳化物（如碳化钨、碳化钛等）粉末和黏合剂（如钴或镍等）粉末混合加压成型后烧结而成的一种粉末冶金制品。

1．硬质合金的特点

硬质合金具有高硬度、高耐磨性和高的红硬性，常温下硬度达68～81HRC，红硬性可达800～1 000℃。其切削速度比高速钢高4～7倍，刀具寿命高5～80倍，可切削硬度达50HRC的硬度材料，硬质合金具有高的耐腐蚀性、抗氧化性，线膨胀系数小，刚性和抗压强度高，但其抗弯强度较低，脆性大，导热性也差。由于硬质合金硬度高，只能采用电加工或砂轮磨削，因此，在生产中，硬质合金一般都制成各种形状简单的刀片，用钎焊、黏接或机械夹紧方法镶嵌在刀体上使用。

2．硬质合金的分类、牌号和应用

硬质合金按成分和性能特点可分为五类。

（1）钨钴类硬质合金。钨钴类硬质合金的成分主要由碳化钨（WC）和钴（Co）组成，个别牌号含有TaC或NbC。牌号用汉语拼音字母YG（“硬”“钴”两字的汉语拼音字首）表示，后面附数字表示Co的质量分数。例如，YG6代表w_Co＝6%的钨钴合金，余量为WC。牌号加注C、X、H分别表示粗、中细、超细的WC颗粒；A为含有少量的TaC合金；N为含有少量的NbC合金。

在钨钴类硬质合金中，碳化物是合金的骨架，起坚硬耐磨作用；钴起黏接作用，同时影响韧性，随着牌号数字的增大，钴的质量分数的增加，硬质合金的硬度下降、抗弯强度增加；当钴的质量分数相同时，WC的粒度越细，硬度越高。加入TaC及NbC后，钨钴类硬质合金的高温硬度、强度及抗氧化性有提高。常用钨钴类硬质合金的牌号、化学成分、力学性能及用途如表8－10所示。

表8－10　常用钨钴类硬质合金牌号、化学成分、力学性能和用途

续表

（2）钨钴钛类硬质合金。钨钴钛类硬质合金的成分是WC、TiC和Co，牌号用YT（“硬”“钛”两字的汉语拼音字首）表示，附后数字表示TiC的质量分数。例如，YT14表示w_TiC＝14%、余量为WC和Co的钨钴硬质合金。表8－11所列的是常用钨钴钛类合金的牌号、化学成分、力学性能及用途。随着牌号数字的增大，TiC的质量分数的增加，硬质合金的硬度提高。

表8－11　常用钨钴钛类硬质合金的牌号、化学成分、力学性能及用途

YT类与YG类相比较，硬度、红硬度、耐磨性、抗氧化有提高，但抗弯强度和导热性较差。碳化钛的质量分数增加时，硬度和热硬性增高，但抗弯强度降低。因此，YT类硬质合金主要适用于较小振动的切削工具，例如制作精加工钢材的刃具。YG类硬质合金抗弯强度高，一般用来加工脆性材料，如铸铁、非铁金属及其合金、胶木和其他非金属材料。

（3）通用类硬质合金（万能硬质合金）。通用类硬质合金的成分除WC、TiC和Co外还加入部分的TaC或NbC，目的是提高通用类硬质合金的抗氧化性、抗热振性、红硬性与强度。它既可代替YG类切削铸铁和非铁金属，也可以当做YT类加工各种钢材，通常用于切削耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。它的牌号用YW（“硬”“万”两字的汉语拼音字首）表示。

（4）碳化钛基类硬质合金。碳化钛基类硬质合金的主要成分是TiC，有时也可以加入少量的WC，以镍、钼作为黏合剂。由于TiC的质量分数的增大，因而硬度在硬质合金中最高，牌号用YN（N表示不含钴的镍、钼作为黏合剂的合金）表示，主要用于淬火钢的精加工。

（5）钢结硬质合金。钢结硬质合金是一种新型硬质合金，其成分是以碳化物（WC或TiC等）为强化相，以碳钢或合金钢（铬钼钢或高速钢）作为黏合剂的硬质合金。

钢结硬质合金像钢一样可以锻造、热处理和焊接。退火后（约40HRC）可切削加工。经淬火、低温回火后，硬度可达70HRC，具有高的耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性，淬火变形小等特点。用钢结硬质合金制成的刃具，寿命大大超过工具钢，与YG类相近，常用来制作各种形状复杂的刃具、冷热模具和耐磨件。表8－12所列的是常用通用类硬质合金、碳化钛基类硬质合金和钢结硬质合金的牌号、化学成分、力学性能和用途。

表8－12　常用通用类硬质合金、碳化钛基类硬质合金、钢结硬质合金的牌号、化学成分、力学性能及用途