硬质合金与超硬工具材料资料
《硬质合金-》课件
硬质合金，也称为钨钢，是一种高硬度、高耐磨损的材料，广泛应用于切削 工具、矿山机械、石油钻采工具等领域。
介绍硬质合金的概念和发展历史
1 概念定义和特点
硬质合金是由金属硬质相和结合相组成的复 合材料，具有优异的硬度、耐磨性和耐腐蚀 性。
2 发展历史回顾
硬质合金的历史可以追溯到20世纪初，经过 多年的研发和改进，如今已成为重要的工程 材料。
硬质合金具有优异的硬度、耐磨性、耐腐蚀 性和热稳定性，适用于各种恶劣的工作环境。
硬质合金在高温和高压条件下仍能保持较好 的硬度和强度，适用于高速切削和重载工况。
硬质合金的应用领域和案例分析
制造行业中的应用
硬质合金广泛应用于切削工具、模具、矿山机 械等领域，提高生产效率和降低成本。
典型应用案例分析
以切削工具为例，硬质合金刀具在加工高硬度 材料和复杂形状零件时表现出色，提供了更高 的精度和寿命。
硬质合金的发展趋势和展望
1
未来发展方向
将更多先进材料和制造技术应用于硬质合金，提高硬质合金的性能和适用范围。
2
对未来的展望和分析
硬质合金在工程领域有着广阔的应用前景，随着各行业的需求增加，硬质合金的 市场潜力巨大。
总结与展望
通过本次PPT课件的学习，我们对于硬质合金的概念、组成、性能和应用有了 更深入的了解。在未来，硬质合金将持续发展，为各行业带来更多创新和突 破。
硬质合金的组成和制备式
1 主要成分介绍
硬质合金的主要成分是金属硬质相（钨碳化 物）和结合相（钴、镍等），不同成分比例 会影响其性能。
2 常见制备方式
硬质合金的制备方式包括粉末冶金、溶液法、 化学气相沉积等，每种方式都有其适用的场 景和优劣势。
钨钢硬质合金的材料参数
钨钢硬质合金的材料参数
钨钢硬质合金是一种高强度、耐磨损的材料，具有极高的硬度、韧性和耐腐蚀性能。
钨钢硬质合金的材料参数如下：
1.化学成分
钨钢硬质合金的化学成分是非常重要的。
在组成上，钨钢硬质合金主要由钨、钴、碳
和其他元素组成。
其中，钨是钨钢硬质合金最主要的成分之一，通常超过80%。
其次是钴，钴可以提高钨钢硬质合金的韧性和耐腐蚀性能。
碳的含量也很重要，通常在0.2%到1.5%之间。
其他元素，如钛、铬、铌等，也可以添加到钨钢硬质合金中以改善其性能。
2.硬度
钨钢硬质合金具有极高的硬度，通常在90-96 HRA之间。
这种高硬度使得钨钢硬质合
金在制造高速切削工具、磨料和磨具等领域得到了广泛的应用。
3.密度
钨钢硬质合金的密度通常在14.0-14.8 g/cm³之间。
它的高密度使得它成为一种在高
温和高压环境下使用的理想材料。
4.热膨胀系数
钨钢硬质合金的热膨胀系数通常小于6×10^-6/℃。
这种低的热膨胀系数使得钨钢硬
质合金在高温下具有优异的稳定性。
5.韧性
钨钢硬质合金在一定程度上具有韧性，这使得它在高压和高温环境下使用时不容易破
裂或变形。
6.耐蚀性
钨钢硬质合金具有出色的耐腐蚀性能，特别是在强酸和强碱环境中。
硬质合金基本知识简介
硬质合金基本知识简介硬质合金基本知识简介一、硬质合金的基本知识1、硬质合金的定义：由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。
2、硬质合金的特点：具有高硬度、耐磨、强度和韧度性较好、耐热、耐腐等系列优良性能。
3、硬质合金的用途：广泛应用于金属切削、拉伸、耐磨零件、冲压模具、地质矿山、量具、刃具、圆珠笔尖、军事上穿甲弹头。
4、硬质合金的分类：1）、WC-CO 2）、WC-CO-添加剂3）、WC-CO-TiC 4）、WC-Ni （无磁合金）5、硬质合金的组成元素：W 、WC、Co 、Ni6、硬质合金介于钢、陶瓷之间，与钢相比有以下特点：1）高的硬度、高的耐磨性，低的抗冲击性（决定了硬质合金的使用范围）2）高的抗压性、低的抗弯强度，易断裂3）热膨胀系数低只有钢的三分之一4）耐腐蚀、耐磨性5）高温稳定性二、硬质合金的几个重要指标（物理性能、化学性能、机械性能）1）、比重：Co上升，D下降 D ( density )2）、硬度：Co上升，HRA下降、粒径上升3）、抗弯强度：Co上升，抗弯强度上升4）、抗压强度：Co上升，抗压强度下降5）、冲击韧性：Co上升，冲击韧性上升；粒径大、韧性上升6）、娇顽磁力：与Co含量，晶粒度有关，娇顽磁力可以用来控制合金组织，是生产厂的一项内控指标7）、磁饱和：与Co含量有关，检测Co 含量或已知成分Co量是否存在非磁性8）、弹性模量：硬质合金的弹性模量大。
Co上升，弹性模量下降；晶粒度对弹性模量影响大9）、导热性：WC-Co有较高的导热性。
Co上升，导热率下降10）、热膨胀系数：Co含量的增大而增大，合金热膨胀系数比钢材低很多三判断硬质合金的缺陷1、制粉：1）混料：a、成分b、粒径；2）孔洞：大于40um孔洞为脏划孔（不合格产品）、小于40um孔洞为孔隙（合格产品）；3）脱碳：表现为银白色亮点；4）渗碳：石墨夹杂，表现为端口发暗，表面发黑2、成型：1）分层2）裂纹3）未压好：棱角尖锐的三角形、四角形孔洞3、烧结：1）起皮2）鼓泡3）孔洞4）组织不均匀5）变形6）裂纹7）黑心8）过烧9）欠烧Roblloy几种原材料的主要用途锻造模具用原材料：制造汽车产业和机械产业等主要产业所需要各种部材的模锻。
硬质合金与超硬工具材料
➢ Chengchang Jia, Lan Sun, Hua Tang, Xuanhui Qu，Hot Pressing of Nanometer WCCo Powder，International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，accepted and to be published in 2006
制备TiC-WC复式碳化物的方法
用三氧化钨、二氧化钛、炭黑的混合料在1700～2000℃温度下于氢气 中进行碳化，直接得到TiC-WC固溶体。由于三氧化钨、二氧化钛、 炭黑的体积较大，所以采用该方法难以有效地利用炉子的工作空间。 所得复式碳化物的游离碳较高。
分别制备出WC 和TiC，然后在1600～1800℃温度下于氢气中制取复 式碳化物。该方法工序较多，而且一般又不容易制得纯度较高的碳化 钛。
压制与成形
普通模压成形由于操作简单、适用范围广、适用于大批量生产，所以仍 然是目前硬质合金生产中所采用的主要成形方法。现代先进的压机实现 了高精度、高速度和自动化，装备有自动拣制品的机械手和自动监控装 置。而且，所使用的模具也在不断改进。
振动压制成形的主要特点是可大幅度地降低压制压力，获得比普通模压 更加均匀的压坯密度分布，制造形状复杂的制品等。
→ 干燥 → 制粒 → 成型 → 脱脂预烧 → 烧脂 → 成品
加工
气氛： H2、H2+N2、真空 真空特点：密度、硬度、显微结构、切削
硬质合金材料分析
硬质合金材料分析硬质合金是一种由金属碳化物、金属硬质相和金属粘结相组成的坚硬材料。
它具有优异的硬度、韧性和耐磨性，常被用于制造刀具、石油钻头、高速铣刀等工具。
本文将对硬质合金的组成、制备方法及其应用领域进行详细的分析。
硬质合金的主要组成是金属碳化物、金属硬质相和金属粘结相。
金属碳化物是硬质合金的主要成分，常用的有钨碳化物、钛碳化物、钽碳化物等。
金属硬质相是硬质合金中提供硬度的主要相，常见的有钨、钼、钛等。
金属粘结相则用于将金属碳化物和金属硬质相粘结在一起，常用的有镍、镍钴合金等。
这三个组成部分的比例和选择决定了硬质合金的性能。
硬质合金的制备方法有喷射结晶法、烧结法和钎焊法等。
喷射结晶法是将高温高压下的金属和碳化物原料喷射到基体上，形成合金涂层。
烧结法是将金属粉末和碳化物粉末混合后，经过高温高压处理，使其烧结成整体。
钎焊法是使用金属粘结剂将金属碳化物和金属硬质相钎焊在一起。
不同的制备方法会影响硬质合金的组织结构和性能。
硬质合金具有优良的硬度、耐磨性和韧性，因此在切削加工、冲击挤压和磨损等领域有广泛的应用。
在切削加工领域，硬质合金被用于制造刀具，可以实现高速高效的切削加工。
在石油钻井领域，硬质合金被用于制造钻头，可以抵抗高温高压环境下的磨损和腐蚀。
在高速铣刀等工具中，硬质合金的高硬度和耐磨性能使其能够快速去除材料。
然而，硬质合金也存在一些问题。
首先，由于硬质合金中的金属碳化物和金属硬质相的硬度过高，加工难度较大。
其次，硬质合金的加工过程中可能会生成粉尘，对工人的身体健康产生一定的影响。
此外，硬质合金的价格相对较高，限制了其广泛的应用范围。
综上所述，硬质合金是一种由金属碳化物、金属硬质相和金属粘结相组成的材料。
它具有优异的硬度、韧性和耐磨性，在切削加工、石油钻井和高速铣刀等领域有广泛的应用。
但是，硬质合金的制备难度较大，加工过程中可能会产生粉尘，价格也相对较高。
未来，可以探索新的制备方法和改进工艺，以提高硬质合金的性能和降低成本，促进其更广泛的应用。
硬质合金切削刀具材料介绍和基本知识
WC-TaC（NbC）-Co硬质合金
许多WC-Co硬质合金可以通过添加少量（0.5～3%左 右）的TaC、NbC、Cr3C2、VC、TiC、HfC等碳化 物来改进其性能。这些碳化物的作用是细化晶粒， 以使合金保持均匀的细晶结构而不发生明显再结晶； 同时还可明显提高合金的硬度和耐磨性而不降低其 韧性。此外，添加少量碳化物还可改进合金的高温 性能，以及产生一层坚韧的自行补偿的氧化膜，该 氧化膜能在切削某些金属及合金时抵抗粘结和扩散 磨损。目前使用较多的是添加TaC（NbC）和Cr3C2。 含有的硬质合金刀具，可顺利加工各种铸铁（包括 特硬铸铁及合金铸铁）。含有TaC（NbC）3～10% 的低钴硬质合金，可作为通用牌号。
硬质合金切削刀具材料介绍和 基本知识
主要内容
1．硬质合金基础知识 2. 硬质合金的分类 3．如何选择硬质合金切削牌号 4．我公司牌号命名规则及生产的系列牌号 5．切削中常见的问题及解决办法 6. 结束语
1 . 硬质合金基础知识
1.1 切削刀具材料构成 切削刀具材料
工具钢
高速钢
硬质合金
碳
合
素
金
工
工
0.32 80－250(取决于应力状态)
2. 硬质合金的分类
2.1 硬质合金按化学成分与使用性能分为四类：
钨钴类（ISO（K类））（WC+Co） 钨钴钛类（ISO（P类）） （WC+TiC+Co） 添加稀有金属碳化物类（ISO（M类）） （WC+TiC+TaC（NbC）+Co） 金属陶瓷（TiN（TiC）+WC+Mo2C+Ni （Co））
3.2 涂层刀片表面涂层对刀具使用性能的影响： 3.2.1 进行表面处理－涂层的原因
钨钢 硬质合金 高速工具钢 合金工具钢
钨钢硬质合金合金工具钢高速工具钢钨钢含钨的钢材钨钢制品中约含钨18%钨钢属于硬质合金，又称之为钨钛合金。
硬度为维氏10K，仅次于钻石。
正因如此，钨钢的产品（常见的有钨钢手表），具有不易被磨损的特性。
常用于车床刀具、冲击钻钻头、玻璃刀刀头、瓷砖割刀之上，坚硬不怕退火，但质脆。
属于稀有金属之列。
钨钢烧结成型就是将粉末压制成坯料，再进烧结炉加热到一定温度（烧结温度），并保持一定的时间（保温时间），然后冷却下来，从而得到所需性能的钨钢材料。
硬质合金硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（N i）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。
ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔点特别高，统称为硬质合金。
下面以碳化物为重点来说明硬质含金的结构、特征和应用。
ⅣA、ⅤA、ⅥA族金属与碳形成的金属型碳化物中，由于碳原子半径小，能填充于金属品格的空隙中并保留金属原有的晶格形式，形成间充固溶体。
在适当条件下，这类固溶体还能继续溶解它的组成元素，直到达到饱和为止。
因此，它们的组成可以在一定范围内变动（例如碳化钛的组成就在TiC0.5～TiC之间变动），化学式不符合化合价规则。
当溶解的碳含量超过某个极限时（例如碳化钛中Ti︰C＝1︰1），晶格型式将发生变化，使原金属晶格转变成另一种形式的金属晶格，这时的间充固溶体叫做间充化合物。
金属型碳化物，尤其是ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属碳化物的熔点都在3273K以上，其中碳化铪、碳化钽分别为4160K和4150K，是当前所知道的物质中熔点最高的。
大多数碳化物的硬度很大，它们的显微硬度大于1800kg•mm2（显微硬度是硬度表示方法之一，多用于硬质合金和硬质化合物，显微硬度1800kg•mm2相当于莫氏一金刚石一硬度9）。
许多碳化物高温下不易分解，抗氧化能力比其组分金属强。
碳化钛在所有碳化物中热稳定性最好，是一种非常重要的金属型碳化物。
刀具材料的种类很多，常用的材料有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬
刀具材料的种类很多，常用的材料有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬1、碳素工具钢碳素工具钢是指碳的质量分数为0.65％～1.35％的优质高碳钢。
用做刀具的牌号一般是T10A和T12A。
常温硬度60～64HRC。
当切削刃热至200～250℃时，其硬度和耐磨性就会迅速下降，从而丧失切削性能。
碳素工具钢多用于制造低速手用工具，如锉刀、手用锯条等。
2、合金工具钢为了改善碳素工具钢的性能，常在其中加入适量合金元素如锰、铬、钨、硅和钒等，从而形成了合金工具钢。
常用牌号有9SiCr、GCrl5、CrWMn等。
合金工具钢与碳素工具钢相比，其热处理后的硬度相近，而耐热性和耐磨性略高，热处理性也较好。
但与高速钢相比，合金工具钢的切削速度和使用寿命又远不如高速钢，使其应用受到很大的限制。
因此，合金工具钢一般仅用于取代碳素工具钢，作一些低速、手动刀具，如手用丝锥、手动铰刀、圆板牙、搓丝板等。
3、高速钢高速钢是一种含钨、铝、铬、钒等合金元素较多的高合金工具钢。
高速钢主要优点是具有高的硬度、强度和耐磨性，且耐热性和淬透性良好，其允许的切削速度是碳素工具钢和合金工具钢的两倍以上。
高速钢刃磨后切削刃锋利，故又称之为“锋钢”和“白钢”。
高速钢是一种综合性能好、应用范围较广的刀具材料，常用来制造结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀。
拉刀、齿轮刀具等。
高速钢按其用途和性能不同，可分普通高速钢和高性能高速钢；按其化学成分不同，又可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。
1) 普通高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。
常用牌号有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。
① W18Cr4V属钨系高速钢，它具有性能稳定，刃磨及热处理工艺控制方便等优点，但因钨价较高，且使用寿命短故使用较少。
② W6Mo5Cr4V2属钨钼系高速钢，它的碳化物分布均匀，抗弯强度，冲击韧度和高温塑性都比W18Cr4V好，但磨削工艺略差。
因其使用寿命长、价格低，故被广泛使用。
2) 高性能高速钢是在普通高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性、耐磨性。
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制备TiC-WC复式碳化物的方法
用三氧化钨、二氧化钛、炭黑的混合料在1700～2000℃温度下于氢气 中进行碳化，直接得到TiC-WC固溶体。由于三氧化钨、二氧化钛、 炭黑的体积较大，所以采用该方法难以有效地利用炉子的工作空间。 所得复式碳化物的游离碳较高。
分别制备出WC 和TiC，然后在1600～1800℃温度下于氢气中制取复 式碳化物。该方法工序较多，而且一般又不容易制得纯度较高的碳化 钛。
4. 硬质合金与超硬工具材料
4.1 概述
硬质合金是指一种或多种难熔金属的碳化物（WC、TiC等） 作为硬质相，用过渡族金属（Co等）作为粘结相，采用粉 末冶金技术制备的多相材料。作为切削刀具用的硬质合金， 常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的粘结相 有Co、Ni、Fe等。硬质合金的强度主要取决于粘结相的含 量。
角形的WC晶粒被Co 粘结相包围
制备钨粉的方法
制备钨粉的方法有：三氧化物还原法、蓝色氧化钨还原法。 三氧化物还原法可分为一次还原法（直接还原法）和二次
还原法。一次还原法就是直接将三氧化物还原成金属钨； 二次还原法是先将三氧化物还原成褐色的二氧化钨，然后 再进一步将的二氧化钨还原成金属钨。 钨的氧化物还原成金属钨的过程经历不同的反应转变阶段。 WO3→WO2.9→WO2.72→WO2→W 在这些转变阶段中，物料不仅颜色发生变化，而且晶体形 态也发生很大变化。 在还原过程中，微量杂质对钨粉特性具有影响，还原工艺 条件对钨粉的质量骑着决定性的作用。其中还原温度是决 定钨粉粒度的关键因素。应该根据钨粉颗粒长
→ 干燥 → 制粒 → 成型 → 脱脂预烧 → 烧脂 → 成品
加工
气氛： H2、H2+N2、真空 真空特点：密度、硬பைடு நூலகம்、显微结构、切削
耐用度、但强度下降，有利于排除，改善 润湿法
注意：
①Co的挥发、损失 1550℃，1h，6%→降至 4 5 6
0：1 1 10mmHg←压力 ②脱碳，表面氧化物被C还原气氛中的O 添加剂：TaC，WC-Co硬质合金的组织，多
碳化钨的形成
碳化钨形成的总化学反应式是W+C=WC，钨粉碳 化过程是通过含碳的气体进行的。
影响碳化钨粒度的因素很多，主要是钨粉原始颗 粒的大小。一般地，钨粉颗粒越粗，所得到的碳 化钨的颗粒也较粗。钨粉的表面状态、混合料中 的碳含量对碳化钨的粒度也有一定的影响。而碳 化物度对碳化钨颗粒大小的影响并不显著。特别 是对于粗颗粒的钨粉，提高碳化物度几乎不能使 碳化钨的颗粒长大。
预先制备钨粉，然后与二氧化钛、炭黑在1700～2000℃温度下于氢气 中制取复式碳化物。能够省去制备碳化钨的程序，但化学成分难以控 制。
预先制备碳化钨，然后与二氧化钛、炭黑在1700～2000℃温度下于氢 气中制取复式碳化物。该方法被广泛采用，其优点是，当形成细小和 活性高的碳化钛颗粒后，碳化钨便以极高的速率溶解于碳化钛而生成 稳定的TiC-WC固溶体。质量稳定，且生产效率高。
4.2 WC硬质合金 4.2.1 WC与复式碳化物的制造
W+C→WC
TiO2+3C→TiC+2CO WC-TiC 影响粒度的因素：温度、时间、余料粒度 4.2.2 WC基硬质合金的制造工艺与性能 生产工艺
WC + CO or → 湿磨 → 过滤 → 干燥 → 过筛 → 掺胶
WC、TiC+CO （汽油） 喷雾干燥
分类
按照被加工材料可以分为：
P类：主要用于加工钢件（包括铸钢）； K类：主要用于加工铸铁； M类：主要用于加工钢（包括奥氏体钢、锰钢）、铸铁、
有色金属。
按照成分可以分为：
WC-Co硬质合金，硬质相是WC，粘结相是Co，代号为 YG；
WC-TiC-Co硬质合金，硬质相是WC与TiC，粘结相是Co， 代号为YT；
混合料的制备
使碳化物与粘结相粉末混合均匀，并进一步磨细。 硬质合金成品的性能，很大程度上取决于混合料 的制备。
球磨机是制备混合料的主要设备。球磨的各项工 艺参数对混合料的质量有明显的影响。工艺参数 的选择包括：转速为接近60%的临界转速；加入 适量的液体介质（酒精、苯、丙酮等）；使用硬 质合金球，球的直径为5～10mm，球料比为2.5： 1～5：1，装球量为40%～60%；球磨时间为24～ 48小时，细晶硬质合金可增加到72小时或更长。
复式碳化物
在制造含TiC的硬质合金时，TiC通常是以 TiC-WC固溶体（复式碳化物）的形式加入。 这主要是由于工业碳化钛一般含有较多的氧 （氮），而且TiC与TiO的晶格类型相同，并 容易形成连续固溶体。如果碳化钛直接加入 合金混合料中，形成固溶体时由于碳原子置 换TiC晶格中的氧原子和氮原子而析出CO和 N2气体，阻碍合金的正常收缩，增大合金的 孔隙度。
WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬质合金，是在YT硬质合金中添加 TaC(NbC) 。
主要生产国家
世界上有50多个国家生产硬质合金，总产量可达 27000～28000t-，主要生产国有美国、俄罗斯、 瑞典、中国、德国、日本、英国、法国等，世界 硬质合金市场基本处于饱和状态，市场竞争十分 激烈。中国硬质合金工业是50年代末期开始形成 的，60～70年代中国硬质合金工业得到了迅速发 展，90年代初中国硬质合金总生产能力达6000t， 硬质合金总产量达5000t，仅次于俄罗斯和美国， 居世界第3位。
特点：
1、硬度、耐磨性、HRA94, 600℃超高速钢 1000℃常温 钢硬度
2、强度、σb600MPa,900℃>1000MPa 3、E：400-700GPa
4、耐磨、耐蚀、耐酸碱
5、线膨胀系数小
硬质合金 hardmetal;cemented carbide
由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制 成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和 韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的 高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变， 在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料， 如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有 色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也 可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工 的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的 数百倍。