1.传统均匀硬质合金的矛盾特征

硬质合金是一种典型的脆性材料。传统的均匀硬质合金之一,其各个部位的材料组成和组织均匀,合金贯穿始终是均匀的,其性能是一致的。硬质合金的主要成分包括各种硬质相和粘结相。诸如相和固溶体之类的硬质相在合金的硬度和耐磨性中起着重要作用。粘结对合金的强度和韧性有重要影响。
通常,增加WC晶粒尺寸或增加Co含量将增加合金的键合相厚度并改善合金可塑性。在具有良好延展性的合金中,局部集中应力会由于变形而使塑性差的合金松弛。应力松弛引起裂纹的萌生和扩展,从而导致合金开裂。
因此,传统方法是增加合金。含量和晶粒尺寸的增加是增加硬质合金韧性的方向。然而,同时,硬度和耐磨性降低。相反,可以在不牺牲弯曲强度和冲击韧性的情况下提高硬度和耐磨性。因此,硬质合金材料的硬度和韧性之间存在尖锐的矛盾,并且难以同时获得具有高硬度和韧性的常规均匀硬质合金。在许多使用条件下,传统均匀硬质合金的应用将具有一定的局限性。例如,当凿岩球和钴头工作时,它们不仅承受冲击载荷和扭转载荷,而且还必须被岩石严重磨损。
这就要求钴齿不仅要有足够的冲击韧性,而且要有很高的耐磨性才能完成其工作。当用于合成金刚石合成时,硬质合金锤头要承受高温和高压,某些零件要承受压应力,而某些零件要承受拉应力或剪应力。不同零件有要求。
不同的性能和功能。这样,传统的均匀结构硬质合金的硬度和韧性之间的矛盾就限制了其应用领域的进一步扩展,难以满足现代社会发展的“双高”高硬度和高韧性要求,因此,探索这种新型的硬质合金材料使得工具的不同部分具有不同的功能要求尤为重要。

梯度硬质合金的性能与应用1

2.硬质合金的新进展

世界各国的材料科学家都在试图通过各种有效途径来解决传统均匀硬质合金中的上述矛盾,降低生产和使用成本,提高其综合性能。目前,主要有超细和纳米硬质合金(所谓的超细硬质合金是碳化钨晶粒尺寸为0.2-0.5μm的合金,而纳米硬质合金是与碳化钨的合金。晶粒尺寸小于0.2μm。),薄片钢化硬质合金,涂层硬质合金和功能梯度硬质合金等方向可以有效解决这一矛盾。例如,当纳米级硬质合金的钴含量高时,不仅具有良好的断裂性能,而且具有高硬度,通过使粘合剂相或硬质相达到合金韧性和硬度函数梯度碳化物的最佳组合。沿一个方向增加或减少相,使合金的不同部分具有不同的性能,因此在使用碳化物时可以充分实现韧性和耐磨性的结合。以下是梯度硬质合金的新进展的简要介绍。
功能梯度硬质合金

3.建议使用梯度碳化物

部件中材料成分和性能的突然变化通常会导致局部应力集中,无论应力是内部还是外部。如果逐渐从一种材料过渡到另一种材料,这些应力集中将大大增加。降低。
这些考虑因素构成了大多数功能分级材料的基本逻辑元素。日本科学家首先提出了功能梯度材料,其特征是引入了组分的微观结构和/或组成的逐渐变化,其微观结构和/或组成在空间中的逐渐变化以及材料的物理,化学和机械性能。材料。
性能表现出相应的空间梯度变化,因此它在组件中的不同位置满足不同的性能要求,从而使组件整体上达到最佳效果。
该设计思想在1980年代中后期引入硬质合金领域,并提出了梯度硬质合金,并迅速获得了快速发展。在硬质合金的实际使用中,不同的工作场所通常具有不同的性能要求。例如,硬质合金钴头需要高的表面耐磨性和整体抗冲击性。
可以想到的是,如果可以开发一种新型的硬质合金材料,则该材料的结构特征是表层是具有低粘结相的结构,并且芯部的粘结相含量是平均值,介于两者之间。表层和核心。它是具有高结合含量和连续分布的过渡层。在这种结构中,由于各部位的结合相分布不同,因此合金表面的结合层的含量低于各部位的平均值,具有高硬度和良好的耐磨性,并且该结合层过渡层中的内容。高,可以满足良好的韧性和抗冲击性。

4.梯度硬质合金的性能

在两相结构中,表面层的钴含量低于合金的标称钴含量,中间层的钴含量高于合金的标称钴含量,芯材的钴含量含有η相的是合金的标称钴含量。由于合金中钴的含量呈梯度变化,因此合金不同部分的硬度也反映了相应的规律。而且,钴含量的梯度分布使得在截面的不同部分的烧结收缩不均匀,从而导致合金中的残余应力。由于合金表面层中钴含量低,而WC + Co +η含量高,合金表面具有很高的硬度和非常好的耐磨性。在合金的中间层中,钴含量高于合金的标称含量,因此该层具有良好的韧性和塑性,因此合金可以承受更高的载荷。合金内部的η相结构具有良好的刚性。实验结果表明,DP合金的耐磨性和韧性明显优于传统的均匀硬质合金。采用DP合金可以明显提高凿岩效率,降低开采成本。
根据各国梯度材料的研究现状,主要有合金等梯度硬质合金结合相组成碳化物三种,硬质相组成梯度硬质合金(例如用作涂层基体的β层)。硬质合金)和硬相晶粒尺寸梯度硬质合金(例如晶粒梯度硬质合金顶锤)。

5.梯度形成机理

关于渗碳后合金中的液态粘结剂相的定向迁移引起的钴相的梯度分布的形成机理的观点尚未统一。根据当前的研究报告,液相的定向迁移主要包括由三种不同类型的液相引起的质量迁移,由不同的WC粒度引起的粘合剂相的定向迁移以及由不同的碳含量引起的液相的迁移。例如,将具有相同的WC碳含量,均匀的粒度和不同的粘合剂钴含量的两种YG合金重叠并在液相温度下保持一定时间。结果,结合钴相从高钴含量转变为低钴含量。迁移的一侧。
例如,一种不同的粒径是细颗粒,另一种是加入相同钴形成两种混合物的粗颗粒,然后压制成双层合金进行真空烧结。液体结合相从一侧到另一侧似乎很好。谷物面迁移。当高碳硬质合金在脱碳气氛中进行脱碳时,液体结合相将从内部向样品表面迁移,而低碳合金在渗碳处理液体结合相之后将迁移至中心。
由碳含量差异引起的迁移现象是由合金不同部分中液相量的差异引起的。这种类型的脱碳或渗碳合金具有不相等的内部碳含量,并且在具有高碳含量的区域中碳含量相对较高。在碳含量较低的区域中,液相从碳含量高的区域迁移到碳含量低的区域。总体而言,液相迁移的主要机理是:
粘结剂相从粗粒碳化物区域迁移到细粒碳化物区域,并且迁移的驱动力是毛细压力差,即毛细作用力的作用。结合相从高液相区域迁移至低液相区域并迁移。驱动力是液相中的压力差,即,当液相中的物质的状态变化时,体积膨胀或收缩以产生压力的作用。

梯度硬质合金2的性能与应用

6.梯度硬质合金的应用

梯度硬质合金成功地解决了传统均质硬质合金中存在的硬度和韧性之间的矛盾。自1950年代以来,这种新材料的开发被认为是硬质合金历史上最重要的一种。革新。”由于梯度硬质合金独特的微观结构和性能,它已成为梯度功能材料和硬质合金领域的重要研究内容。目前,它已被广泛用于涂层基材,硬质合金切削工具,采矿和凿岩工具,拉伸模具和冲孔工具,其应用领域也在不断扩大。
(1)用作涂层基材
由于不同材料的热膨胀系数不同,因此涂层工具材料可能会由于冷却过程中的热应力而破裂。以梯度结构硬质合金为基体,即梯度烧结的涂层基体形成延展性区域,在表面区域缺少立方碳化物和碳氮化物,可以有效防止涂层中形成的裂纹扩展到合金内部。 ,提高了界面结合强度,降低了界面应力集中,从而提高了硬质合金刀具的性能。
(2)用作硬质合金刀具
改变传统的硬质合金。采用等比例模型制作低表面含量,高铁心含量的梯度结构硬质合金,使表层硬度高,耐磨性好,而铁心强度高,冲击韧性好,使强度高。和合金的韧性。它具有良好的协调性,因此可用于生产兼具耐磨性和韧性的切削工具。
(3)采矿和凿岩工具采矿和凿岩工具
球形齿的使用在操作期间需要更大的磨损和冲击,这要求合金具有高的表面耐磨性和高强度。常规的均匀合金难以满足该要求。耐磨性和韧性均明显优于传统的均匀碳化物。
(4)用作打孔工具
钣金通常通过冲孔或冲孔来制备。通过这种方法,材料会在彼此面对的工作边缘之间断裂。在打孔期间,打孔器在垂直于金属板的方向上移动通过模具并对金属板进行打孔。冲头的失效模式通常是由于工作边缘的磨损而导致的,最终导致冲头的切削刃变得圆锥形,从而增加了冲头期间的摩擦力,并最终导致了冲头质量的下降。为了尽可能延长梯度硬质合金刀具的使用寿命,应使用具有中心η相区域,被无核周围区域包围且η的工作表面裸露的渐变硬质合金-相。以硬质合金为冲头,WC的晶粒尺寸为2-3μm,标准硬质合金的冲切次数仅为15次,梯度结构硬质合金的冲切次数可达64,000次,钢冲压的次数约为7321次。可以看出,梯度硬质合金作为冲压工具可以大大提高工具的使用寿命。
梯度硬质合金的研究包括三个部分:材料设计,材料制备和性能评估。这三个部分是相辅相成的,必不可少的。材料制备是梯度硬质合金研究的核心。材料设计提供了结构的最佳组成和梯度分布。为了判断设计和准备的材料是否符合预定功能,必须执行性能评估。

7.梯度硬质合金设计

梯度硬质合金的设计,一般应经历以下几个环节:首先根据零件的结构形状和实际使用条件,从现有材料合成和性能数据库中得出热力学边界条件,选择可能的金属合成方法。陶瓷材料的结合体系和制备方法假定粘合剂相和硬质相的结合比和分布规律,并利用材料的微观结构混合定律,利用热弹性理论和计算数学方法得出材料结构的等效物理参数。通过温度分布模拟材料结构梯度成分的分布函数,通过热应力模拟材料结构梯度成分的分布函数,设计了最佳的成分分布和材料体系。梯度硬质合金设计的核心工作包括以下三个部分:
(1)建立合适的梯度成分分布模型,使设计的梯度功能材料满足性能要求
(2)估算梯度材料的物理性质
(3)功能梯度材料的温度场和热应力计算
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