碳含量對硬質(zhì)合金的影響
發(fā)布日期：2015-07-15
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工業(yè)生產(chǎn)中，要制備綜合性能良好的硬質(zhì)合金，必須解決兩個問題，一是必須抑制硬質(zhì)相碳化物晶粒在燒結(jié)過程中的長大，以獲得超細(xì)及納米晶粒的合金；二是必須得到正常的合金組織。但即使合金處于正常組織中，碳含量不同，合金的機(jī)械性能也不同，碳含量的變化對組織性能影響的研究對于合理控制碳含量，制備綜合性能良好的硬質(zhì)合金具有十分重要的意義。
碳含量是影響硬質(zhì)合金性能的關(guān)鍵因素，微量的碳含量波動會引起合金相組成和顯微結(jié)構(gòu)的變化，從而影響合金的性能 。合金中碳含量不足時，易出現(xiàn)脫碳組織相，這種相性脆且不穩(wěn)定，導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降，使用時極易出現(xiàn)斷裂、崩刃。合金中碳含量較高時內(nèi)部將出現(xiàn)游離態(tài)的石墨，石墨的存在破壞了合金基體的連續(xù)性，起到一定的割裂作用，對合金的抗彎強(qiáng)度、韌性及耐磨性等均產(chǎn)生不利影響。
碳含量即使在正常相區(qū)的范圍內(nèi)波動，對合金的性能也有明顯的影響，偏上限時強(qiáng)度或韌性高而硬度和矯頑磁力低，偏下限則相反。這是因為碳含量的變動雖然沒有改變相數(shù)，但是粘結(jié)相成分卻因為碳的變化而變化。粘結(jié)相的硬度是由鎢含量決定的，而燒結(jié)過程中粘結(jié)相中的鎢含量可以由原料中的總碳來控制，因此合金總的碳含量對材料的硬度和韌性相當(dāng)重要。對國外使用壽命較高的微鉆和沖壓模解剖時發(fā)現(xiàn)：使用壽命較高的合金的磁飽和都控制在75％~80％之間，也就是說合金的碳含量都控制在正常相區(qū)的下限。
以鎢鈷(WC-Co)硬質(zhì)合金為例，WC-C0合金正常的組織為兩相組織，即WC+y， 相為WC溶解在Co中形成的固溶體(下圖)。WC-Co硬質(zhì)合金存在二相區(qū)，表明在合金的正常組織內(nèi)，碳含量是允許有一定范圍的，二相區(qū)的寬度即為二相區(qū)內(nèi)碳含量允許的波動范圍。鎢鈷合金二相區(qū)的寬度大小是多年來硬質(zhì)合金界經(jīng)常探討的問題。最早研究兩相區(qū)寬度的Routalar和Norton認(rèn)為，兩相區(qū)對稱地分布于Co—WC線兩側(cè)，后來Gurland的研究則認(rèn)為，兩相區(qū)中碳含量的上限與WC中的理論碳量6．12％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中未另作說明的含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))相吻合，即上限與Co—WC線相重合，而下限則取決于合金的鈷含量。
碳含量是影響硬質(zhì)合金性能的關(guān)鍵因素，微量的碳含量波動會引起合金相組成和顯微結(jié)構(gòu)的變化，從而影響合金的性能 。合金中碳含量不足時，易出現(xiàn)脫碳組織相，這種相性脆且不穩(wěn)定，導(dǎo)致合金強(qiáng)度下降，使用時極易出現(xiàn)斷裂、崩刃。合金中碳含量較高時內(nèi)部將出現(xiàn)游離態(tài)的石墨，石墨的存在破壞了合金基體的連續(xù)性，起到一定的割裂作用，對合金的抗彎強(qiáng)度、韌性及耐磨性等均產(chǎn)生不利影響。
碳含量即使在正常相區(qū)的范圍內(nèi)波動，對合金的性能也有明顯的影響，偏上限時強(qiáng)度或韌性高而硬度和矯頑磁力低，偏下限則相反。這是因為碳含量的變動雖然沒有改變相數(shù)，但是粘結(jié)相成分卻因為碳的變化而變化。粘結(jié)相的硬度是由鎢含量決定的，而燒結(jié)過程中粘結(jié)相中的鎢含量可以由原料中的總碳來控制，因此合金總的碳含量對材料的硬度和韌性相當(dāng)重要。對國外使用壽命較高的微鉆和沖壓模解剖時發(fā)現(xiàn)：使用壽命較高的合金的磁飽和都控制在75％~80％之間，也就是說合金的碳含量都控制在正常相區(qū)的下限。
以鎢鈷(WC-Co)硬質(zhì)合金為例，WC-C0合金正常的組織為兩相組織，即WC+y， 相為WC溶解在Co中形成的固溶體(下圖)。WC-Co硬質(zhì)合金存在二相區(qū)，表明在合金的正常組織內(nèi)，碳含量是允許有一定范圍的，二相區(qū)的寬度即為二相區(qū)內(nèi)碳含量允許的波動范圍。鎢鈷合金二相區(qū)的寬度大小是多年來硬質(zhì)合金界經(jīng)常探討的問題。最早研究兩相區(qū)寬度的Routalar和Norton認(rèn)為，兩相區(qū)對稱地分布于Co—WC線兩側(cè)，后來Gurland的研究則認(rèn)為，兩相區(qū)中碳含量的上限與WC中的理論碳量6．12％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中未另作說明的含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))相吻合，即上限與Co—WC線相重合，而下限則取決于合金的鈷含量。
鈷含量越高碳含量允許波動的范圍越大，這就是低鈷合金（Co<5%）在生產(chǎn)中較難控制質(zhì)量的原因。合金二相區(qū)的下限計算公式為
碳含量下限=6.125％-0.0737*ωCo
式中ωCo為合金中Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)公式我們可以算出不同牌號的鎢鈷合金的兩相區(qū)寬度(碳含量上下波動范圍)。碳含量對硬質(zhì)合金顯微組織結(jié)構(gòu)的影響是具體表現(xiàn)在每一個參數(shù)上，硬質(zhì)合金生產(chǎn)工藝過程中對碳含量的控制必須嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，以生產(chǎn)出性能最好的合金產(chǎn)品。
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