傾斜超硬合金の性質と応用

1.従来の均一炭化物の矛盾する特徴

超硬合金は典型的な脆性材料です。伝統的な均一な炭化物、均一な組成と組織のさまざまな部分の材料、合金は全体を通して均質であり、その性能は一貫しています。超硬合金の主成分には、さまざまな硬質相と結合相があります。相および固溶体などの硬質相は、合金の硬度および耐摩耗性において重要な役割を果たす。接合は合金の強度と靭性に重要な影響を及ぼします。
一般に、WC粒径を大きくするか、またはCo含有量を増やすと、合金の結合相の厚さが増し、合金の可塑性が向上します。延性が良好な合金では、局部的に集中した応力が変形のために塑性が乏しい合金を緩和する可能性があります。亀裂の発生と伝播は応力緩和によって引き起こされ、その結果合金に亀裂が生じます。
したがって、伝統的な方法は合金を増やすことです。含有量および粒径の増大は、硬質合金の靭性を増大させる方向として役立つ。しかしながら、同時に、硬度および耐摩耗性が低下する。逆に、曲げ強度および衝撃靭性を犠牲にすることなく硬度および耐摩耗性を高めることができる。そのため、超硬合金材料の硬さと靭性には矛盾があり、従来の均一な超硬合金を高い硬さと靭性を同時に得ることは容易ではない。多くの使用条件では、伝統的な均一硬質合金の適用には一定の制限があります。例えば、ロックドリルボールおよびコバルトヘッドが作動しているとき、それらは衝撃荷重およびねじり荷重を受けるだけでなく、岩石によって真剣に磨耗されなければならない。
これは、コバルト歯が十分な衝撃靭性を有するだけでなく、高いことも必要とする。耐摩耗性はその仕事を完了することができる。合成ダイヤモンド合成に使用される場合、カーバイドトップハンマーは高温高圧にさらされ、ある部分は圧縮応力を受け、そしてある部分は引張応力または剪断応力を受ける。部品によって要件が異なります。
異なる性能と機能このように、伝統的な均一構造超硬合金の硬度と靭性との間の矛盾はその応用分野のさらなる拡大を制限し、現代社会の発展のための「二重高」高硬度および高靭性要件を満たすことは困難である。新しいタイプの硬質合金材料は、工具の異なる部分が異なる機能要件を持つことを特に重要にします。

超硬合金の新しい進歩

世界中の様々な国の材料科学者たちは、様々な効果的な方法で伝統的な均一硬質合金の上記の矛盾を解決し、製造コストと使用コストを削減し、総合的な性能を向上させようとしています。現在、超微細および超硬合金が主流である(いわゆる超微細超硬合金はタングステンカーバイドの粒径が0.2〜0.5μmの合金であり、超硬合金はタングステンカーバイドを含む合金である)。粒径0.2μm未満)、小板強化炭化物、被覆炭化物および機能勾配炭化物、および他の方向は、この矛盾を効果的に解決することができる。例えば、ナノサイズの硬質合金のコバルト含有量が高い場合、良好な破壊性能を有するだけでなく、高い硬度も有し、結合相を硬質にすることによって合金靭性と硬度傾斜機能炭化物との最良の組み合わせに達する。一方向に沿った相は、合金の異なる部分に異なる特性を与えるために増減しているので、炭化物の使用において靭性と耐摩耗性の組合せを完全に達成することができる。以下は、傾斜超硬合金の新しい進歩についての簡単な紹介です。
傾斜機能超硬合金

3.傾斜炭化物を提案

部品内の材料の組成や特性が急激に変化すると、応力が内部か外部かにかかわらず、多くの場合局所的に大きな応力集中が発生します。ある材料から別の材料への移行が徐々に行われると、これらの応力集中は大幅に増加します。減らす。
これらの考慮事項は、ほとんどの傾斜機能材料の基本的な論理的要素を形成します。日本の科学者たちは、機能的傾斜材料を最初に提案しました。それは、構成要素の微細構造や組成の漸進的変化、空間内の微細構造や組成の漸進的変化、そして材料です。
性能は空間内で対応する勾配変化を示すので、それは部品内の異なる位置で異なる性能要件を満たし、それによって部品全体として最良の結果を達成する。
この設計思想は、1980年代半ばから後半にかけて超硬合金の分野で導入され、傾斜超硬合金が提案され、急速な開発が急速に達成されました。超硬合金の実際の使用において、異なる作業現場はしばしば異なる性能要件を有する。例えば、超硬合金コバルトヘッドは、高い表面摩耗抵抗および全体的な耐衝撃性を必要とする。
新しいタイプの超硬合金材料を開発することができるならば、この材料の構造的特徴は表面層が低い結合剤相を有する構造でありそしてコアの結合剤相含有量がそれらの間の平均値であるということである。表面層とコア。それは、高い結合含有量および連続的な分布を有する遷移層である。この種の組織では、各部分における結合相の分布が異なるため、合金表面における結合層の含有量は、各部分における平均値よりも低く、高い硬度および良好な耐摩耗性を有している。トランジションレイヤのコンテンツ高、良好な靭性と耐衝撃性を満たすことができます。

4.傾斜超硬合金の性質

二相構造において、表面層のコバルト含有量は合金の公称コバルト含有量より低く、中間層のコバルト含有量は合金の公称コバルト含有量より高く、そしてコアのコバルト含有量は高い。 η相を含むのは、合金の公称コバルト含有量です。合金のコバルト含有量が勾配変化を示すので、合金の異なる部分の硬度も対応する法則を反映する。さらに、コバルト含有量の勾配分布は、断面の異なる部分における焼結収縮を不均一にし、その結果、合金内に残留応力が生じる。合金の表面層中のコバルトの含有量が少なく、WC + Co +ηの含有量が多いため、合金の表面は非常に高い硬度と非常に良好な耐摩耗性を有する。合金の中間層では、コバルト含有量は合金の公称含有量よりも高いので、層は良好な靭性および可塑性を有し、その結果、合金はより高い荷重に耐えることができる。合金内部のη相構造は良好な剛性を有する。実験結果はDP合金の耐摩耗性と靭性が伝統的な均一硬質合金のそれより明らかに優れていることを示した。 DP合金の採用は明らかに削岩の効率を向上させ、採掘コストを削減することができます。
各国の傾斜材料の現在の研究状況によると、合金、硬質相組成傾斜超硬合金(コーティングマトリックスとして使用されるβ層など)のような傾斜超硬合金結合相組成炭化物の3つのタイプが主にあります。超硬合金)および硬質相粒度勾配超硬合金(粒度勾配超硬合金トップハンマーなど)。

5.グラデーション形成メカニズム

浸炭後の合金中の液体バインダー相の方向性移動によって引き起こされるコバルト相の勾配分布の形成メカニズムの観点はまだ統一されていない。現在の研究報告によると、液相の指向性移動は主に3つの異なるタイプの液相によって引き起こされる物質移動、異なるWC粒径によって引き起こされる結合剤相の配向移動、および異なる炭素含有量によって引き起こされる液相移動を含む。例えば、同じWC炭素含有量、均一な粒径、および異なる結合剤コバルト含有量を有する2つのYG合金を重ね合わせて一定期間液相温度に保持する。結果として、結合コバルト相は、高コバルト含有量から低コバルト含有量にシフトする。移行の一方です。
例えば、粒径の異なるものは微粒子であり、もう一方は同じコバルトを添加して2種類の混合物を形成し、真空焼結のために二層合金にプレス成形するものである。液体結合相は一方から他方へ細かいように見える。穀物側が移動します。高炭素超硬合金が脱炭雰囲気中で脱炭される間、液体結合相は試料の内側から表面に移動し、一方、低炭素合金は浸炭処理液体結合相の後に中心に移動する。
炭素含有量の差によって引き起こされる移動の現象は、合金の異なる部分における液相の量の差によって引き起こされる。この種の脱炭合金または浸炭合金は、不均一な内部炭素含有量を有し、炭素含有量が高い領域では、炭素含有量は比較的多い。低炭素含有量の領域では、液相は高炭素含有量の領域から低炭素含有量の領域へ移動する。まとめると、液相移動の主なメカニズムは次のとおりです。
バインダー相は、粗粒炭化物領域から微粒炭化物領域に移動し、その移動の駆動力は、毛細管圧差、すなわち毛細管力の作用である。結合相は、高液相領域から低液相領域に移動して移動する。駆動力とは、液相内の圧力差、すなわち、液相体積差内の物質の状態が変化したときに圧力を発生させるための体積膨張または収縮の役割である。

グラデーション超硬合金の応用

勾配超硬合金は、従来の均質超硬合金に存在する硬度と靭性との間の矛盾を首尾よく解決する。この新しい材料の開発は、1950年代以来の超硬合金の歴史の中で最も重要なものと考えられています。グラジエント超硬合金のユニークな微細構造と特性のために、それはグラジエント機能材料と超硬合金の分野における重要な研究内容となっています。現在、基材のコーティング、カーバイド切削工具、採鉱および削岩工具、引き伸ばし金型およびパンチング工具に広く使用されており、その応用分野は絶えず拡大している。
(1)コーティング基材として使用
異なる材料の異なる熱膨張係数に起因して、コーティングツール材料は、冷却中の熱応力のために割れる可能性がある。傾斜構造超硬合金がマトリックスとして使用される。すなわち、傾斜焼結被覆マトリックスは表面領域に立方晶炭化物および炭窒化物を欠く延性領域を形成し、それは被覆に形成された亀裂が合金の内部に広がるのを効果的に防ぐことができる。 。 、界面結合強度を改善し、界面応力集中を低減し、それによって炭化物切削工具の性能を改善する。
(2)超硬工具として使用
従来の超硬合金を変えなさい。一定比率モデルを用いて、低表面含有量と高コア含有量を有する傾斜構造硬質合金を製造し、その結果、表面層は高硬度と良好な耐摩耗性を有する一方、コアは高強度と良好な衝撃靭性を有する。そして合金の靭性。それはうまく調整されているので、耐摩耗性と靭性の両方を備えた切削工具を製造するために使用することができます。
(3)採鉱および削岩工具採鉱および削岩工具
ボール歯の使用は動作中により大きな磨耗と衝撃を必要とし、それは合金が高い表面磨耗抵抗と高い強度を有することを必要とする。従来の均一合金はこの要件を満たすのが難しい。耐摩耗性と靭性の両方が従来の均一炭化物よりも著しく優れています。
(4)パンチングツールとして使用
板金は通常パンチングまたはパンチングにより製造される。この方法では、材料は互いに向き合う作業エッジ間で破断されます。打ち抜き中、パンチはダイを通って金属板に垂直な方向に移動し、金属板を打ち抜く。パンチの破損モードは通常、作業刃の磨耗によるものであり、最終的にパンチの刃先が円錐形になり、それによってパンチング中の摩擦力が増大し、最終的にパンチング品質の低下を招く。傾斜炭化物切削工具の寿命をできるだけ延ばすために、中心η相領域を有し、核のない周囲領域によって囲まれ、ηの露出した作用面を有する傾斜超硬合金が使用されるべきである。 -段階。超硬合金をパンチとして使用すると、WCの粒径は2〜3μmであり、標準超硬合金のパンチング回数はわずか15回であり、傾斜構造の超硬合金のパンチングおよびせん断回数は最大64000回である。スチールダイのそれはパンチの数は約7231回です。パンチング工具としての勾配超硬合金は工具の耐用年数を大いに改善することができることが分かる。
勾配超硬合金の研究は3つの部分から成ります:材料設計、材料準備、および特性評価。これら3つの部分は互いに補完し合って不可欠です。材料調製は傾斜超硬合金の研究の中核です。材料設計は構造の最もよい構成そして勾配分布を提供する。設計され準備された材料が所定の機能を満たすかどうかを判断するためには、性能評価を実施しなければならない。

7.傾斜超硬合金デザイン

傾斜超硬合金の設計は、一般に以下のいくつかのリンクを通り抜ける必要があります。まず、部品の構造形状と実際の使用条件に従って、既存の材料合成および性能データベースから熱力学的境界条件を引き出し、可能な金属合成を選択します。セラミック材料の組み合わせシステムと製造方法結合相と硬質相の組み合わせ比と分布則を仮定し、熱弾性理論と計算数学的方法を使用して材料構造の等価物理パラメータを導出するために材料微細構造混合則を使用します。材料構造の勾配成分の分布関数を温度分布によってシミュレートし、熱応力によってシミュレートし、そして最適組成分布と材料系を設計した。勾配超硬合金設計の中核作業は、次の3つの部分から構成されています。
(1)設計された傾斜機能材料が性能要件を満たすように適切な傾斜成分分布モデルを確立する
(2)傾斜材料の物性評価
(3)傾斜機能材料の温度場と熱応力の計算
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