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硬質(zhì)合金與高溫合金

2023-06-13

硬質(zhì)合金      硬質(zhì)合金的基體由兩部分組成:一部分是硬化相;另一部分是粘結(jié)金屬。     硬化相是元素周期表中過渡金屬的碳化物,如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭,它們的硬度很高,熔點(diǎn)都在2000℃以上,有的甚至超過4000℃。另外,過渡金屬的氮化物、硼化物、硅化物也有類似的特性,也可以充當(dāng)硬質(zhì)合金中的硬化相。硬化相的存在決定了合金具有極高硬度和耐磨性。     粘結(jié)金屬一般是鐵族金屬,常用的是鈷和鎳。     制造硬質(zhì)合金時,選用的原料粉末粒度在1~2微米之間,且純度很高。原料按規(guī)定組成比例進(jìn)行配料,加進(jìn)酒精或其他介質(zhì)在濕式球磨機(jī)中濕磨,使它們充分混合、粉碎,經(jīng)干燥、過篩后加入蠟或膠等一類的成型劑,再經(jīng)過干燥、過篩制得混合料。然后,把混合料制粒、壓型,加熱到接近粘結(jié)金屬熔點(diǎn)(1300~1500℃)的時候,硬化相與粘結(jié)金屬便形成共晶合金。經(jīng)過冷卻,硬化相分布在粘結(jié)金屬組成的網(wǎng)格里,彼此緊密地聯(lián)系在一起,形成一個牢固的整體。硬質(zhì)合金的硬度取決于硬化相含量和晶粒粒度,即硬化相含量越高、晶粒越細(xì),則硬度也越大。硬質(zhì)合金的韌性由粘結(jié)金屬決定,粘結(jié)金屬含量越高,抗彎強(qiáng)度越大。     1923年,德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進(jìn)10%~20%的鈷做粘結(jié)劑,發(fā)明了碳化鎢和鈷的新合金,硬度僅次于金剛石,這是世界上人工制成的第一種硬質(zhì)合金。用這種合金制成的刀具切削鋼材時,刀刃會很快磨損,甚至刃口崩裂。1929年美國的施瓦茨科夫在原有成分中加進(jìn)了一定量的碳化鎢和碳化鈦的復(fù)式碳化物,改善了刀具切削鋼材的性能。這是硬質(zhì)合金發(fā)展史上的又一成就。     硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能,特別是它的高硬度和耐磨性,即使在500℃的溫度下也基本保持不變,在1000℃時仍有很高的硬度。硬質(zhì)合金廣泛用作刀具材料,如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等,用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材,也可以用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料?,F(xiàn)在新型硬質(zhì)合金刀具的切削速度等于碳素鋼的數(shù)百倍。     硬質(zhì)合金還可用來制作鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具、測量量具、耐磨零件、金屬磨具、汽缸襯里、精密軸承、噴嘴等。     近二十年來,涂層硬質(zhì)合金也問世了。1969年瑞典研制成功了碳化鈦徐層刀具,刀具的基體是鎢鈦鈷硬質(zhì)合金或鎢鈷硬質(zhì)合金,表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米,但是與同牌號的合金刀具相比,使用壽命延長了3倍,切削速度提高25%~50%。20世紀(jì)70年代已出現(xiàn)第四代涂層工具,可用來切削很難加工的材料。     高溫合金     高溫合金通常在700℃(甚至1000℃)以上高溫環(huán)境下工作,必須有抗氧化腐蝕和高溫強(qiáng)度等特殊性能。     易被氧化腐蝕是金屬的弱點(diǎn),而在高溫條件下,金屬的氧化腐蝕反應(yīng)將大大加快,結(jié)果會使金屬表面粗糙,影響其精度和強(qiáng)度,嚴(yán)重時甚至?xí)沽慵髲U。若在有腐蝕性介質(zhì)的高溫條件下工作(如高溫高壓的汽油燃燒后氣體中含磷、硫、釩元素),則腐蝕作用更強(qiáng),所以高溫合金必須具備很高的抗氧化腐蝕能力。     高溫合金在極高的溫度下工作,必須具備足夠的抗蠕變(即固體材料在一定應(yīng)力的作用下發(fā)生緩慢而連續(xù)的形變)能力,以保證它在一定的溫度和應(yīng)力的條件下,經(jīng)過長時間工作,總的形變?nèi)栽谝欢ǖ娜菰S限度以內(nèi)。     高溫合金由于在高溫下工作或在溫度交替變化的條件下工作,比常溫下更易發(fā)生疲勞破壞,或由于工作過程中反復(fù)急劇的冷熱變化形成相當(dāng)大的熱應(yīng)力而造成疲勞破壞。高溫合金必須具有良好的耐疲勞(即在長期變化載荷的作用下材料或零件發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象)性能。 名稱   成分   用途    鐵基合金   含F(xiàn)e一半以上,一定量的Ni、Cr及其他合金元素   低于800℃的中等溫度條件工作,主要用作航空發(fā)動機(jī)和燃汽輪機(jī)上的渦輪,以及柴油機(jī)上的廢氣增壓渦輪    鎳基合金   Ni 50%以上,適量Cr、Co、Mo、W、Ta、Al、Ti、Nb以及少量C、B、Zr、V、稀土等   工作溫度650~1000℃,制燃汽輪機(jī)的渦輪葉片、渦輪盤、燃燒室、航天器、火箭發(fā)動機(jī)、核反應(yīng)堆、化石及能源轉(zhuǎn)換設(shè)備高溫部件    鈷基合金   Co 40%~65%,較多的Cr、Ni,適量的W、Ta、Nb   有優(yōu)良的高溫性能,抗熱腐蝕、熱疲勞的能力較強(qiáng),但抗氧化能力較低        上表中三類高溫合金,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提高硬化合金熔點(diǎn);B、Zr改善合金抗蠕變和熱加工性能等。      為了適應(yīng)最新高科技的需要,以難熔金屬(W熔點(diǎn)3400℃、Re3160℃、Ta2996℃、Mo2615℃、Nb2415℃)為基體的高溫合金可以在1500℃以上的高濕環(huán)境下工作,適合于制造工作在高溫、高應(yīng)力環(huán)境下的航天器零部件。難熔金屬之中,Ta和Nb的合金具有耐高溫、耐腐蝕的特點(diǎn),而且強(qiáng)度高、硬度大。某些鈮基合金可在1300~1600℃范圍內(nèi)工作,比鎳基合金高出300~500℃。國內(nèi)研制的一種鉭基合金,含W8%、Hf2%,在2000℃的超高溫度下仍有很高的強(qiáng)度、很好的切削性和焊接性,是一種更為理想的高溫合金。金屬陶瓷有時也列入高溫合金。

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