硬质合金与高温合金

硬质合金 硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结金属。 硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很高，熔点都在2000℃以上，有的甚至超过4000℃。另外，过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。 粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。 制造硬质合金时，选用的原料粉末粒度在1～2微米之间，且纯度很高。原料按规定组成比例进行配料，加进酒精或其他介质在湿式球磨机中湿磨，使它们充分混合、粉碎，经干燥、过筛后加入蜡或胶等一类的成型剂，再经过干燥、过筛制得混合料。然后，把混合料制粒、压型，加热到接近粘结金属熔点（1300～1500℃）的时候，硬化相与粘结金属便形成共晶合金。经过冷却，硬化相分布在粘结金属组成的网格里，彼此紧密地联系在一起，形成一个牢固的整体。硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。 1923年，德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10％～20％的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。用这种合金制成的刀具切削钢材时，刀刃会很快磨损，甚至刃口崩裂。1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物，改善了刀具切削钢材的性能。这是硬质合金发展史上的又一成就。 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。 硬质合金还可用来制作凿岩工具、采掘工具、钻探工具、测量量具、耐磨零件、金属磨具、汽缸衬里、精密轴承、喷嘴等。 近二十年来，涂层硬质合金也问世了。1969年瑞典研制成功了碳化钛徐层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高25％～50％。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。 高温合金 高温合金通常在700℃（甚至1000℃）以上高温环境下工作，必须有抗氧化腐蚀和高温强度等特殊性能。 易被氧化腐蚀是金属的弱点，而在高温条件下，金属的氧化腐蚀反应将大大加快，结果会使金属表面粗糙，影响其精度和强度，严重时甚至会使零件报废。若在有腐蚀性介质的高温条件下工作（如高温高压的汽油燃烧后气体中含磷、硫、钒元素），则腐蚀作用更强，所以高温合金必须具备很高的抗氧化腐蚀能力。 高温合金在极高的温度下工作，必须具备足够的抗蠕变（即固体材料在一定应力的作用下发生缓慢而连续的形变）能力，以保证它在一定的温度和应力的条件下，经过长时间工作，总的形变仍在一定的容许限度以内。 高温合金由于在高温下工作或在温度交替变化的条件下工作，比常温下更易发生疲劳破坏，或由于工作过程中反复急剧的冷热变化形成相当大的热应力而造成疲劳破坏。高温合金必须具有良好的耐疲劳（即在长期变化载荷的作用下材料或零件发生突然断裂的现象）性能。 名称 成分 用途 铁基合金 含Fe一半以上，一定量的Ni、Cr及其他合金元素 低于800℃的中等温度条件工作，主要用作航空发动机和燃汽轮机上的涡轮，以及柴油机上的废气增压涡轮 镍基合金 Ni50％以上，适量Cr、Co、Mo、W、Ta、Al、Ti、Nb以及少量C、B、Zr、V、稀土等 工作温度650～1000℃，制燃汽轮机的涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室、航天器、火箭发动机、核反应堆、化石及能源转换设备高温部件 钴基合金 Co40％～65％，较多的Cr、Ni，适量的W、Ta、Nb 有优良的高温性能，抗热腐蚀、热疲劳的能力较强，但抗氧化能力较低 上表中三类高温合金，都添加有其他合金元素，各有不同的作用。如Ti、Al使合金硬度提高；Co提高硬化合金熔点；B、Zr改善合金抗蠕变和热加工性能等。 为了适应最新高科技的需要，以难熔金属（W熔点3400℃、Re3160℃、Ta2996℃、Mo2615℃、Nb2415℃）为基体的高温合金可以在1500℃以上的高湿环境下工作，适合于制造工作在高温、高应力环境下的航天器零部件。难熔金属之中，Ta和Nb的合金具有耐高温、耐腐蚀的特点，而且强度高、硬度大。某些铌基合金可在1300～1600℃范围内工作，比镍基合金高出300～500℃。国内研制的一种钽基合金，含W8％、Hf2％，在2000℃的超高温度下仍有很高的强度、很好的切削性和焊接性，是一种更为理想的高温合金。金属陶瓷有时也列入高温合金。