Eigenschaften und Anwendung von Gradienten-Hartmetall

Hartmetall ist ein typisches sprödes Material. Das traditionelle einheitliche Hartmetall, das Material der verschiedenen Teile der einheitlichen Zusammensetzung und Organisation, die Legierung ist durchweg homogen, ihre Leistung ist gleichbleibend. Die Hauptkomponenten von Hartmetall umfassen verschiedene harte Phasen und Bindungsphasen. Harte Phasen wie Phasen und feste Lösungen spielen eine wichtige Rolle für die Härte und Verschleißfestigkeit von Legierungen. Die Verklebung hat einen wichtigen Einfluss auf die Festigkeit und Zähigkeit von Legierungen.

Im Allgemeinen erhöht das Erhöhen der WC-Korngröße oder das Erhöhen des Co-Gehalts die Bindungsphasendicke der Legierung und verbessert die Legierungsplastizität. Bei Legierungen mit guter Duktilität können lokale konzentrierte Spannungen die Legierungen mit geringer Plastizität aufgrund von Verformung entspannen. Rissinitiierung und -ausbreitung werden durch Spannungsrelaxation induziert, was zu Rissen in der Legierung führt.

Daher besteht die traditionelle Methode darin, die Legierung zu erhöhen. Der Gehalt und die Erhöhung der Korngröße dienen als Richtung zur Erhöhung der Zähigkeit der Hartlegierung. Gleichzeitig werden jedoch die Härte und die Verschleißfestigkeit verringert. Umgekehrt können Härte und Verschleißfestigkeit erhöht werden, ohne die Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit zu beeinträchtigen. Daher besteht ein scharfer Widerspruch zwischen der Härte und Zähigkeit von Hartmetallmaterialien, und es ist nicht einfach, ein herkömmliches gleichmäßiges Hartmetall mit gleichzeitig hoher Härte und Zähigkeit zu erhalten. Unter vielen Betriebsbedingungen weist die Anwendung herkömmlicher gleichmäßiger Hartlegierungen bestimmte Einschränkungen auf. Wenn beispielsweise die Gesteinsbohrkugel und der Kobaltkopf arbeiten, sind sie nicht nur Stoß- und Torsionsbelastungen ausgesetzt, sondern müssen auch vom Gestein ernsthaft abgenutzt werden.

Dies erfordert, dass die Kobaltzähne nicht nur eine ausreichende Schlagzähigkeit aufweisen, sondern auch eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Bei der Verwendung in der synthetischen Diamantsynthese werden Hartmetall-Spitzenhämmer einer hohen Temperatur und einem hohen Druck ausgesetzt, einige Teile werden einer Druckspannung ausgesetzt und einige Teile werden einer Zugspannung oder einer Scherbeanspruchung ausgesetzt. Verschiedene Teile haben Anforderungen.

Unterschiedliche Leistung und Funktionen. Auf diese Weise schränkt der Konflikt zwischen der Härte und Zähigkeit der traditionellen Hartlegierung mit einheitlicher Struktur die weitere Ausdehnung ihres Anwendungsbereichs ein, es ist schwierig, die Anforderungen an die „doppelte hohe“ hohe Härte und hohe Zähigkeit für die Entwicklung der modernen Gesellschaft zu erfüllen. so explore Die neuartige Hartmetalllegierung macht es besonders wichtig, dass verschiedene Teile des Werkzeugs unterschiedliche funktionale Anforderungen haben.

Die Materialwissenschaftler verschiedener Länder der Welt versuchen, die oben genannten Widersprüche in der traditionellen einheitlichen Hartlegierung auf verschiedene effektive Weise zu lösen, die Produktions- und Verwendungskosten zu senken und ihre umfassende Leistung zu verbessern. Derzeit gibt es hauptsächlich ultrafeine und nanoharte Legierungen (sogenanntes ultrafeines Hartmetall ist eine Legierung mit einer Wolframcarbidkorngröße von 0,2 bis 0,5 μm und eine nanoharte Legierung ist eine Legierung mit Wolframcarbid Korngröße von weniger als 0,2 & mgr; m), plättchengehärtetes Carbid, beschichtetes Carbid und funktionelles Gradientencarbid und andere Richtungen können diesen Widerspruch wirksam lösen. Wenn beispielsweise der Kobaltgehalt der Hartlegierung in Nanogröße hoch ist, weist sie nicht nur eine gute Bruchleistung auf, sondern weist auch eine hohe Härte auf, wodurch die beste Kombination aus Legierungszähigkeit und Härte erreicht wird, indem der funktionelle Gradientencarbid hergestellt wird, indem die Bindemittelphase oder -hart gemacht wird Die Phase entlang einer Richtung nimmt zu oder ab, um den verschiedenen Teilen der Legierung unterschiedliche Eigenschaften zu verleihen, so dass die Kombination aus Zähigkeit und Verschleißfestigkeit bei der Verwendung des Carbids vollständig erreicht werden kann. Das Folgende ist eine kurze Einführung in den neuen Fortschritt von Gradienten-Hartmetall.

Funktionell abgestuftes Hartmetall

Abrupte Änderungen der Materialzusammensetzung und der Eigenschaften des Bauteils führen häufig zu signifikanten lokalen Spannungskonzentrationen, unabhängig davon, ob es sich um interne oder externe Spannungen handelt. Wenn der Übergang von einem Material zu einem anderen schrittweise durchgeführt wird, steigen diese Spannungskonzentrationen stark an. reduzieren.

Diese Überlegungen bilden das logische Grundelement der meisten funktional abgestuften Materialien. Japanische Wissenschaftler schlugen zunächst funktional abgestufte Materialien vor, die durch die Einführung allmählicher Änderungen der Mikrostruktur und / oder Zusammensetzung eines Bauteils, die allmähliche Änderung seiner Mikrostruktur und / oder Zusammensetzung im Raum sowie die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von gekennzeichnet sind das Material.

Die Leistung weist eine entsprechende Gradientenänderung im Raum auf, so dass sie unterschiedliche Leistungsanforderungen an verschiedenen Stellen in der Komponente erfüllt, wodurch die Komponente als Ganzes die besten Ergebnisse erzielt.

Diese Konstruktionsidee wurde Mitte bis Ende der 1980er Jahre auf dem Gebiet des Hartmetalls eingeführt, und es wurde ein Gradienten-Hartmetall vorgeschlagen, und es wurde schnell eine rasche Entwicklung erreicht. Bei der tatsächlichen Verwendung von Hartmetall haben unterschiedliche Arbeitsstätten häufig unterschiedliche Leistungsanforderungen. Beispielsweise erfordert der Kobaltkopf aus Hartmetall eine hohe Oberflächenverschleißfestigkeit und Gesamtschlagfestigkeit.

Es ist denkbar, dass, wenn ein neuer Typ von Hartmetallmaterial entwickelt werden kann, das strukturelle Merkmal dieses Materials darin besteht, dass die Oberflächenschicht eine Struktur mit einer niedrigen Bindemittelphase ist und der Bindemittelphasengehalt des Kerns ein Durchschnittswert zwischen dem ist Oberflächenschicht und der Kern. Es ist eine Übergangsschicht mit einem hohen Bindungsgehalt und einer kontinuierlichen Verteilung. Bei dieser Art von Struktur ist aufgrund der unterschiedlichen Verteilung der Bindungsphase in jedem Teil der Gehalt der Bindungsschicht in der Legierungsoberfläche niedriger als der Durchschnittswert in jedem Teil mit hoher Härte und guter Verschleißfestigkeit und der Bindungsschicht Inhalt in der Übergangsschicht. Hoch, kann gute Zähigkeit und Schlagfestigkeit erfüllen.

In der Zweiphasenstruktur ist der Kobaltgehalt der Oberflächenschicht niedriger als der nominale Kobaltgehalt der Legierung, der Kobaltgehalt der Zwischenschicht ist höher als der nominale Kobaltgehalt der Legierung und der Kobaltgehalt des Kerns Die η-Phase enthält den nominalen Kobaltgehalt der Legierung. Da der Kobaltgehalt der Legierung eine Gradientenänderung zeigt, spiegelt die Härte der verschiedenen Teile der Legierung auch die entsprechenden Gesetze wider. Darüber hinaus macht die Gradientenverteilung des Kobaltgehalts die Sinterschrumpfung in verschiedenen Teilen des Querschnitts ungleichmäßig, was zu einer Restspannung in der Legierung führt. Aufgrund des geringen Kobaltgehalts in der Oberflächenschicht der Legierung und des hohen Gehalts an WC + Co + η weist die Oberfläche der Legierung eine sehr hohe Härte und eine sehr gute Verschleißfestigkeit auf. In der mittleren Schicht der Legierung ist der Kobaltgehalt höher als der Nenngehalt der Legierung, und daher weist die Schicht eine gute Zähigkeit und Plastizität auf, so dass die Legierung höheren Belastungen standhalten kann. Die η-Phasenstruktur innerhalb der Legierung weist eine gute Steifigkeit auf. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit der DP-Legierung offensichtlich besser sind als die der herkömmlichen gleichmäßigen Hartlegierung. Die Verwendung einer DP-Legierung kann offensichtlich die Effizienz des Gesteinsbohrens verbessern und die Bergbaukosten senken.

Nach dem aktuellen Forschungsstand von Gradientenmaterialien in verschiedenen Ländern gibt es hauptsächlich drei Arten von Gradienten-Hartmetallen mit gebundener Phasenzusammensetzung wie Legierungen, Hartphasen-Zusammensetzungsgradienten-Hartmetall (wie die als Beschichtungsmatrix verwendete β-Schicht) Hartmetall) und Hartphasen-Korngrößengradient Hartmetall (wie z. B. Hartmetall-Hartmetall-Tophammer).

Der Gesichtspunkt des Bildungsmechanismus der Gradientenverteilung der Kobaltphase, der durch die gerichtete Wanderung der flüssigen Bindemittelphase in der Legierung nach dem Aufkohlen verursacht wird, ist noch nicht geklärt. Aktuellen Forschungsberichten zufolge umfasst die gerichtete Migration der flüssigen Phase hauptsächlich die Massenmigration, die durch drei verschiedene Arten von flüssigen Phasen verursacht wird, die Orientierungsmigration der Bindemittelphase, die durch unterschiedliche WC-Partikelgrößen verursacht wird, und die Migration der flüssigen Phase, die durch unterschiedliche Kohlenstoffgehalte verursacht wird. Beispielsweise überlappen sich zwei YG-Legierungen mit dem gleichen WC-Kohlenstoffgehalt, der einheitlichen Teilchengröße und dem unterschiedlichen Bindemittelkobaltgehalt und werden für einen bestimmten Zeitraum auf der Flüssigphasentemperatur gehalten. Infolgedessen verschiebt sich die gebundene Kobaltphase von einem hohen Kobaltgehalt zu einem niedrigen Kobaltgehalt. Eine Seite der Migration.

Beispielsweise ist eine von verschiedenen Teilchengrößen feine Teilchen, und das andere sind grobe Teilchen, denen das gleiche Kobalt zugesetzt wird, um zwei Arten von Gemischen zu bilden, und die zum Vakuumsintern in eine Doppelschichtlegierung gepresst werden. Die flüssige Bindungsphase scheint von einer Seite zur anderen fein zu sein. Die Getreideseite wandert. Während das kohlenstoffreiche Hartmetall in der Entkohlungsatmosphäre entkohlt wird, wandert die flüssige Bindungsphase von innen zur Oberfläche der Probe, während die kohlenstoffarme Legierung nach der Bindungsphase der Aufkohlungsbehandlung in die Mitte wandert.

Das Phänomen der Migration, das durch den Unterschied im Kohlenstoffgehalt verursacht wird, wird durch den Unterschied in der Menge der flüssigen Phase in den verschiedenen Teilen der Legierung verursacht. Diese Art von entkohlter oder aufgekohlter Legierung hat einen ungleichen inneren Kohlenstoffgehalt, und der Kohlenstoffgehalt ist in Regionen mit hohem Kohlenstoffgehalt relativ hoch. In Regionen mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt wandert die flüssige Phase von Gebieten mit hohem Kohlenstoffgehalt in Gebiete mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Zusammengenommen sind die Hauptmechanismen der Flüssigphasenmigration:

Die Bindemittelphase wandert vom grobkörnigen Carbidbereich zum feinkörnigen Carbidbereich, und die treibende Kraft für die Migration ist die Kapillardruckdifferenz, dh die Wirkung der Kapillarkraft. Die Bindungsphase wandert vom Bereich mit hoher flüssiger Phase in den Bereich mit niedriger flüssiger Phase und wandert. Die treibende Kraft ist die Druckdifferenz in der flüssigen Phase, dh die Rolle der Volumenexpansion oder -kontraktion zur Erzeugung von Druck, wenn sich der Zustand der Substanz in der Flüssigphasen-Volumendifferenz ändert.

Gradienten-Sintercarbid löst erfolgreich den Widerspruch zwischen Härte und Zähigkeit, der bei herkömmlichem homogenem Sintercarbid besteht. Die Entwicklung dieses neuen Materials gilt als die wichtigste in der Geschichte des Hartmetalls seit den 1950er Jahren. Innovation." Aufgrund der einzigartigen Mikrostruktur und Eigenschaften von Gradienten-Hartmetall ist es zu einem wichtigen Forschungsinhalt auf dem Gebiet der Gradienten-Funktionsmaterialien und Hartlegierungen geworden. Derzeit ist es weit verbreitet bei der Beschichtung von Substraten, Hartmetall-Schneidwerkzeugen, Bergbau- und Gesteinsbohrwerkzeugen, Streckmatrizen und Stanzwerkzeugen, und seine Anwendungsgebiete werden ständig erweitert.

(1) Wird als Beschichtungssubstrat verwendet

Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien können Beschichtungswerkzeugmaterialien aufgrund thermischer Beanspruchung während des Abkühlens Risse bekommen. Als Matrix wird Hartmetall mit Gradientenstruktur verwendet, dh die mit Gradienten gesinterte Beschichtungsmatrix bildet einen duktilen Bereich ohne kubische Carbide und Carbonitride im Oberflächenbereich, wodurch wirksam verhindert werden kann, dass sich in der Beschichtung gebildete Risse in das Innere der Legierung ausdehnen . , Verbesserung der Grenzflächenbindungsstärke und Verringerung der Grenzflächenspannungskonzentration, wodurch die Leistung von Hartmetallschneidwerkzeugen verbessert wird.

(2) Wird als Hartmetallwerkzeug verwendet

Ändern Sie das traditionelle Hartmetall. Das Modell mit konstantem Anteil wird verwendet, um eine Hartlegierung mit abgestufter Struktur mit geringem Oberflächengehalt und hohem Kerngehalt herzustellen, so dass die Oberflächenschicht eine hohe Härte und eine gute Verschleißfestigkeit aufweist, während der Kern eine hohe Festigkeit und eine gute Schlagzähigkeit aufweist, was die Festigkeit ausmacht und Zähigkeit der Legierung. Es ist gut koordiniert und kann daher zur Herstellung von Schneidwerkzeugen mit Verschleißfestigkeit und Zähigkeit verwendet werden.

(3) Bergbau- und Gesteinsbohrwerkzeuge Bergbau- und Gesteinsbohrwerkzeuge

Die Verwendung von Kugelzähnen erfordert einen größeren Verschleiß und Schlag während des Betriebs, was erfordert, dass die Legierung eine hohe Oberflächenverschleißfestigkeit und eine hohe Festigkeit aufweist. Herkömmliche gleichmäßige Legierungen sind schwierig, diese Anforderung zu erfüllen. Sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Zähigkeit sind deutlich besser als bei herkömmlichen einheitlichen Karbiden.

(4) Wird als Stanzwerkzeug verwendet

Blech wird normalerweise durch Stanzen oder Stanzen hergestellt. Bei dieser Methode wird das Material zwischen einander zugewandten Arbeitskanten gebrochen. Während des Stanzens bewegt sich der Stempel in einer Richtung senkrecht zur Metallplatte durch die Matrize und stanzt die Metallplatte. Der Versagensmodus des Stempels ist normalerweise auf den Verschleiß der Arbeitskante zurückzuführen und führt schließlich dazu, dass die Schneidkante des Stempels konisch wird, wodurch die Reibungskraft während des Stanzens erhöht wird und schließlich die Stanzqualität abnimmt. Um die Lebensdauer des Gradientencarbid-Schneidwerkzeugs so weit wie möglich zu verlängern, sollte ein abgestuftes Hartmetall mit einem zentralen η-Phasenbereich verwendet werden, der von einem kernfreien Umgebungsbereich umgeben ist und eine freiliegende Arbeitsfläche des η aufweist -Phase. Unter Verwendung von Hartmetall als Stempel beträgt die Korngröße von WC 2-3 um, die Anzahl der Stanzzeiten für Standard-Hartmetall beträgt nur das 15-fache und die Anzahl des Stanzens und Scherens von Hartmetall für die Gradientenstruktur beträgt das 64.000-fache. während die des Stahlstempelns Die Zahl ist ungefähr 7231 mal. Es ist ersichtlich, dass Gradienten-Hartmetall als Stanzwerkzeug die Lebensdauer des Werkzeugs erheblich verbessern kann.

Die Untersuchung von Gradienten-Hartmetall besteht aus drei Teilen: Materialdesign, Materialvorbereitung und Bewertung der Eigenschaften. Diese drei Teile ergänzen sich und sind unverzichtbar. Die Materialvorbereitung ist der Kern der Gradienten-Hartmetallforschung. Das Materialdesign bietet die beste Zusammensetzung und Gradientenverteilung der Struktur. Um zu beurteilen, ob das entworfene und vorbereitete Material die vorgegebene Funktion erfüllt, muss eine Leistungsbewertung durchgeführt werden.

Gradient-Hartmetall-Design, sollte im Allgemeinen die folgenden verschiedenen Verbindungen durchlaufen. Ziehen Sie zunächst anhand der strukturellen Form der Komponenten und der tatsächlichen Verwendungsbedingungen die thermodynamischen Randbedingungen aus der vorhandenen Materialsynthese- und Leistungsdatenbank und wählen Sie die mögliche Metallsynthese aus. Keramik Materialkombinationssystem und Herstellungsverfahren Nehmen Sie das Kombinationsverhältnis und die Verteilungsregel der Bindemittelphase und der harten Phase an und verwenden Sie das Materialmikrostruktur-Mischgesetz, um die äquivalenten physikalischen Parameter der Materialstruktur unter Verwendung der thermoelastischen Theorie und der Berechnungsmathematikmethode abzuleiten. Die Verteilungsfunktion der Gradientenkomponenten der Materialstruktur wird durch Temperaturverteilung und durch thermische Beanspruchung simuliert, und die optimale Zusammensetzungsverteilung und das optimale Materialsystem werden entworfen. Die Kernarbeit der Gradienten-Hartmetallkonstruktion besteht aus den folgenden drei Teilen:

(1) Erstellen Sie ein geeignetes Modell für die Verteilung der Gradientenkomponenten, damit das entworfene Gradientenfunktionsmaterial den Leistungsanforderungen entspricht

(2) Abschätzung der physikalischen Eigenschaften von Gradientenmaterialien

(3) Berechnung des Temperaturfeldes und der thermischen Beanspruchung von funktional abgestuften Materialien

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