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硬質合金的其他性能

時間:2015-06-30 07:12:57來源:本站人氣:1957

       硬質合金的其他性能如導熱性、線脹系數(shù)、彈性模量、抗壓強度、抗拉強度、沖擊韌性、耐磨性的測定,在某些情況下有著實際意義。同時,了解硬質合金的這些性能對于進一步研究硬質合金的本質以及其在使用過程中的行為大有裨益。

      1.常溫性能
      (1)導熱性  導熱性表示合金傳導熱量的能力。導熱性的測量比較困難,因為物體的絕熱比較困難。
      硬質合金的導熱性對切削加工有著重要意義。在加工短屑材料(如鑄鐵)時,要求刀具有較好的導熱性,以防由于刀尖過熱而產生軟化。在加工長切屑材料(如普通鋼材)時,則要求刀具有較低的導熱性,以便使切削時產生的熱量大部分傳到切屑上,促使切屑軟化而有利于切削過程的進行。但矛盾的雙方無不在一定條件下互相轉化。在加工高強度鋼、耐熱合金等難加工材料時,由于其強度高,黏性大,因而切削溫度高,此時則要求刀具有較好的導熱性,以減少刀具材料硬度和強度的降低。目前多選用YG類或含有其他碳化物添加劑的YG類合金作為切削難加工材料的刀具材料。
      硬質合金各牌號的熱導率如表29-19。

    由于碳化鈦的熱導率比碳化鎢低,所以WC-TiC-Co合金的熱導率比WC-Co合金低,且隨碳化鈦含量的增高而下降。除了合金成分之外,熱導率還與其組織結構有著甚為密切而復雜的關系。一般而言,硬質合金成分的復雜化,組織結構的變化(如晶粒的細化、組織中出現(xiàn)第三相等)均會導致合金熱導率的降低。

    (2)線脹系數(shù)  線脹系數(shù)表示材料在受熱過程中的體積穩(wěn)定性。它對刀具的鑲焊有著重要的影響。焊接時由于刀頭與刀體材料的線脹系數(shù)不同,冷卻后便產生焊接應力。如果刀頭材料的強度不足,這種應力會導致刀頭產生裂紋。雖然WC-Co合金的線脹系數(shù)比WC-TiC-Co合金低,但由于WC-Co合金具有較高的強度,所以它在焊接時產生裂紋的傾向性要比WC-TiC-Co合金小。
    各種牌號合金的線脹系數(shù)如表29-20所示。

     WC-Co合金的線脹系數(shù)隨著鈷含量的升高而增大,WC-TiC-Co合金線脹系數(shù)則隨碳化鈦含量的增多而增高。物體的熱脹是由于加熱時原子間的距離增大所引起的,它只表征原子間結合力的性質,而不表征晶體組織間的性質,所以線脹系數(shù)是非組織敏感的。硬質合金組織結構的微小變化不會引起其體積的變化,因此也不會導致其線脹系數(shù)的變化。

    (3)彈性模量  彈性模量表示材料抵抗彈性變形的能力。硬質合金在承受彈性載荷的情況下(如硬質合金軋輥,精密鏜桿和頂錘等),測量彈性模量具有實際意義。各牌號合金的彈性模量見表29-21。


WC-Co合金的彈性模量隨著鈷含量升高而降低,WC-TiC-Co合金的彈性模量則隨著碳化鈦和鈷含量的升高而下降。彈性模量與線脹系數(shù)一樣,也是非組織結構敏感的。純金屬與其他金屬或非金屬形成合金,會導致彈性模量的降低。同樣,以一種碳化物為基與其他碳化物形成固溶體,則會降低基體碳化物的彈性模量。在WC-Co合金中,其彈性模量主要取決于碳化鎢骨架的剛性。碳化鎢晶粒的細化并不能提高合金的彈性模量(表29-22),而加入其他碳化物,由于它與碳化鎢形成固溶體而使整個合金的彈性模量降低。同樣,合金成分的復雜化,必定降低合金的彈性模量。
     (4)抗壓強度抗壓強度表示材料抵抗壓縮載荷的能力。硬質合金的抗壓強度為迄今組合材料中最大者,因此,被廣泛地應用在高壓技術中(如人造金剛石用的頂錘等)。
WC-Co合金的抗壓強度隨著鈷含量的增加而降低,而隨著碳化鎢晶粒尺寸的減小而升高。
      一般認為,鈷含量為4%~5%的合金抗壓強度最高,但試驗表明,在鈷含量3%~6%,合金的抗壓強度總是隨著鈷含量的增加而下降(圖29-29)。
       當試樣承受壓縮載荷時,首先產生彈性變形,斷裂前往往產生相當明顯的塑性變形。低鈷合金金和細晶粒合金有較高的彈性變形阻力。所以有較高的抗壓強度。從這個意義上說,它與合金的彈性模量有相似的意義。
       添加少量的其他碳化物[如碳化鉭(鈮),碳化釩等],由于有細化碳化鎢晶粒的作用,故能提高合金的抗壓強度。但添加過多反而會導致抗壓強度的化鎢骨架的剛性,從而降低對彈性變形的阻力。同理,在鈷含量相同的情況下,WC-TiC-C合金的抗壓強度比WC-Co合金為低。添加少量的其他碳化物[如碳化鉭(鈮),碳化釩等],由于有細化碳化鎢晶粒的作用,故能提高合金的抗壓強度。但添加過多反而會導致抗壓強度的降低(表29-23),這是由于過多的添加劑會降低碳化鎢骨架的剛性,從而降低對彈性變形的阻力。同理,在鈷含量相同的情況下,WC-TiC-C合金的抗壓強度比WC-Co合金為低。

    (5)抗拉強度  抗拉強度是材料承受拉伸應力的能力。在合金承受拉力作用時(如大孔徑拉拔模具、沖模和高壓缸套等),必須考慮合金的抗拉強度。硬質合金的抗拉強度一般僅為抗彎強度的40%~60%,故在上述情況下都須考慮鑲套,以彌補合金抗拉強度之不足。顯然,提高合金抗彎強度的因素都會提高合金的抗拉強度,反之亦然。
    由于硬質合金抗拉強度較一般的金屬材料稍高,而硬度更高,測定時試驗機的夾頭容易損壞,而且抗拉試樣的制作(比其他試樣)較為困難,因此,在生產檢驗和試驗中,很少測定硬質合金的抗拉強度。

    (6)韌性  韌性一般表示材料在破斷前吸收能量和進行塑性變形的能力,通常用沖擊值的大小來衡量(稱為沖擊韌性)。也可以用拉力試驗所描繪的應力一應變曲線以下的面積來衡量。硬質合金一般不作抗拉試驗,但在測定硬質合金抗彎強度時,用斷裂應力和變形大小的乘積亦可表示韌性的大小。當硬質合金承受沖擊載荷作用時(如在沖擊鑿巖工具中),測定其沖擊韌性則有著重要意義。
    當合金試樣沖擊破斷時,碳化物是解理斷裂,碳化物晶粒間是邊界斷裂,在膠結金屬中則為剪切斷裂。一般說來,解理斷裂量隨著碳化物晶粒度的增大而增加,邊界斷裂量隨碳化物晶粒度增大而減少,而剪切斷裂量則隨著膠結金屬含量的增加而增加。作為斷裂時試樣中所吸收的能量主要是鈷相剪切、變形直至斷裂所需要的能量,解理斷裂和邊界斷裂所吸收的能量是很少的??梢?,合金的韌性主要取決于鈷層厚度和鈷相性能。增加合金的鈷含量或增大碳化鎢晶粒尺寸以及增加鈷相的塑性等都可以提高合金的韌性(表29-24)。

應當指出,硬質合金沖擊韌性值波動很大(甚至同一批試樣也是如此),這是由于合金脆性很大引起的。沖擊韌性的絕對值與試驗方法有很大關系,因此,僅僅用同一儀器來比較形狀和尺寸相同的樣品沖擊韌性才有意義。

      2.硬質合金的高溫性能
      硬質合金工具通常都在較高的溫度下工作,因此只研究其室溫下的性能顯然是不夠的,還必須研究其在高溫下的性能,才能更確切地評定合金的性能及其在使用時的行為。
      (1)高溫硬度  硬質合金的硬度隨著溫度的升高而降低。在800℃以下,各種牌號硬質合金的硬度隨著溫度升高而呈直線下降(圖29-30、圖29-31)。在800℃時合金的硬度相當于常溫硬度的二分之一。在800℃以上,隨著溫度升高,合金硬度下降的速度較快。據報道,當溫度升到1000℃時,其硬度約為常溫硬度的四分之一。當溫度升到1200℃后,合金的硬度極低,而且各種牌號合金的硬度幾乎沒有什么差別。在高溫下,鈷相已經軟化,硬質合金的硬度主要取決于碳化物相的硬度。由單一碳化物制得的合金,在高溫下硬度下降較快;而由復式碳化物制成之合金,由于碳化物之間形成固溶體使碳化物相本身受到強化,因而在高溫下軟化較慢,這就是在高溫下WC-TiC-Co合金的硬度比WC-Co合金高的原因。碳化物相成分越復雜,合金的高溫硬度越高。因此,在WC-Co合金或WC-TiC-Co合金中添加能與碳化鎢形成固溶體的其他碳化物,都能提高合金的高溫硬度。


(2)高溫抗彎強度  在400℃以下,WC-Co合金的抗彎強度實際上與常溫時相同。對于含鈷量較低的合金而言,在800℃以下的溫度范圍內,其抗彎強度隨著溫度的變化較小。而對
于含鈷量較高的合金來說,當溫度超過400℃以后,其抗彎強度顯著下降(圖29-32)。溫度升高到800℃以后,不同鉆含量的合金的強度差別則逐漸縮小。WC-TiC-Co合金抗彎強度隨溫度的變化較小,YT30合金即使在1000℃的高溫下仍具有常溫下的抗彎強度值(表29-25)。

      硬質合金的高溫強度主要取決于碳化物骨架的強度。在低溫下,鈷相的性能對合金強度影響較大,因為在低溫下碳化物骨架的脆性較大,斷裂裂紋的伸展主要靠鈷相的塑性變形來阻礙。而在高溫下,碳化物骨架的塑性增大,而此時鈷相已經軟化,裂紋的伸展可由碳化物骨架內晶粒的塑性變形而受到阻礙。這就是不同含鈷量的合金在高溫下的強度差別縮小的原因,也是WC-TiC-Co合金在高溫下具有較(WC-Co合金)高強度的原因。如果在WC-Co或WC-Ti-Co合金中加入與碳化鎢形成固溶體的其他碳化物,使碳化物骨架受到強化,降低碳化物骨架在高溫下的軟化速度,那么,就可以提高合金的高溫強度或者使合金強度隨溫度升高下降較小。

     (3)抗氧化性  硬質合金在低于700℃下于空氣中加熱時氧化較少,但在800℃時卻急劇氧化,在其表面上形成一層疏松的氧化產物。將氧化物除去,稱量合金試樣質量損失可表示合金抗氧化性的高低,或者采用試樣氧化后質量的增加作為抗氧化性的指標。
       硬質合金在不同溫度下的氧化損失見表29-26。


溫度越高,氧化越嚴重。WC-TiC-Co合金比WC-Co合金抗氧化性高,其抗氧化能力隨合金中碳化鈷含量增多而提高。

     3.硬質合金的耐磨性
      耐磨性表示材料抵抗摩擦或磨損的能力。耐磨性的測定對評定合金的使用性能有一定的意義,因為合金刀具或工具在大多數(shù)情況下是由于磨損而報廢的。
      硬質合金耐磨性的測定可采用噴砂法、干式或濕式摩擦法。采用摩擦法時,磨損的大小可用相對磨損,體積磨損或相對體積磨損三種方式表示。
      試樣與碳化硼摩擦時的耐磨性隨合金鈷含量的增加而下降,而與鋼材(1X18H9T)直接摩擦時的耐磨性則情況較為復雜,在這種情況下,含鈷量為10%的合金有較高的耐磨性,而含鈷量為30%的合金的耐磨性最低(表29-27),這可能與合金的強度和硬度的配合有關。在摩擦試驗中,比較完善的方法是合金試樣與旋轉圓盤的摩擦法。采用這種方法時,在試樣上形成的小凹穴的大小可以表征試樣耐磨性的高低,以單位摩擦路程磨去之試樣體積(mg3/km)或以磨去單位重量所需要作的摩擦功(kgf·m/mg)來表示,通常用后一種方法表示。顯然在這種情況下,摩擦功愈大,耐磨性愈高。旋轉圓盤上可以放置各種鋼材、鑄鐵以及各種切削對象。某些牌號硬質合金與45號鋼摩擦時,其耐磨性與摩擦線速度的關系如圖29-33所示。從圖中可以看出,高速鋼在50m/min的速度下具有最大的耐磨性,YG8、YTl5、YT30和YT60合金的耐磨性分別80m/min、240m/min、160m/in和180m/min的速度下具有最大值。摩擦速度的增大或減少均會導致耐磨性的降低。

     摩擦過程與切削過程一樣,是一個非常復雜的綜合過程。在摩擦的情況下,既要考慮試樣材料和摩擦材料的強度和摩擦過程中的溫度的作用,又要考慮試樣材料和摩擦材料的強度與溫度的關系。一般說來,硬質合金摩擦時的耐磨性可以認為是顯微強度,即用顆粒問的黏結強度表征。在不太高的溫度下,亦即在不太大的摩擦速度下,合金的機械強度起著很大作用,因此較高的合金強度應該具有較高的耐磨性。隨著摩擦速度的提高,溫度升高,摩擦材料隨之軟化,而硬質合金的強度改變較小,所以其耐磨性隨著摩擦速度的提高而提高,當摩擦速度達到一定值時,摩擦材料達到較大的軟化,而硬質合金在此溫度下仍具有較高的強度時,便出現(xiàn)了最大的耐磨性。當繼續(xù)增大摩擦速度時,雖然摩擦材料繼續(xù)軟化,但此時硬質合金的強度(和硬度)亦有較大的降低,所以其耐磨性隨摩擦速度的增大而降低。正出于這個原因,YT3D、YT60適用于鋼材的高速切削,高速鋼只適合于低速切削。YG8合金盡管具有較高的強度,但與鋼材摩擦時其耐磨性是比較低的,因此,不適用于鋼材的切削。

     測定耐磨性的方法不同,各牌號合金的耐磨性順序亦不相同,這是由于試驗方法不同而改變磨損機理所致。當采用疲勞研磨的方法測定合金耐磨性時,發(fā)現(xiàn)合金的耐磨性不但與合金的強度有關,而且與合金的組織結構有關(表29-28)。



看來,耐磨性是合金強度、硬度和合金組織結構的綜合反映,而不是單純地取決于合金的硬度或強度。

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