硬质合金基础知识及行业应用

1、硬质合金基础知识及行业应用硬质合金基础知识及行业应用 定义：硬质合金是由一种或多种难熔金属的碳化物（如碳化钨WC）作为硬质相，用金属粘结剂钴（Co）、镍（Ni）、铁（Fe）作为粘结相，经粉末冶金方法烧结而成的一种硬度高、耐磨性高、抗压强度高的复合材料。 性能特点：硬度高、耐磨性高；抗压强度高（可达6000MPa）； 稳定性好；脆性较大。与工具钢相比，硬质合金可提高工具寿命提高工具寿命、提高了切削速度和劳动提高了切削速度和劳动效率、改善工件的精效率、改善工件的精度和光洁度。度和光洁度。硬质合金硬质合金的的基础知识基础知识硬质合金生产流程硬质合金生产流程硬质合金生产过程碳化处理压制烧结涂层加工 C

2、o粉的形貌 X1,0000 WC粉的形貌 X5,000 1、混合料生产设备及工艺搅拌球磨机及磨球与混合料之间的作用酒精湿磨 90 h2、制粉工艺及设备图6 喷雾干燥塔 图7 喷雾干燥塔自动控制系统3、压制、压制85-90 KN4、烧结工艺及生产设备图10 真空烧结炉烧结烧结1450C60bar整个烧结过程大致可分为四个阶段：（1） 脱蜡预烧阶段（ 800 ）（2） 固相烧结阶段（800 共晶温度1340 ）（3）液相烧结阶段（共晶温度烧结温度1400 ）（4）冷却阶段（烧结温度室温）硬质合金检测手段及常见缺陷密度的概念：即单位体积物体的质量,符号用表示，单位为：g/cm3。硬质合金密度测定结果

3、准确到0.01 g/cm3。计算公式m/v。1、硬质合金密度的测定测量密度的意义 硬质合金密度是在已知牌号的情况下，通过测量其密度，主要考察其成份和组织是否变化，内部是否有孔隙、夹杂和石墨等缺陷。 如：合金中出现石墨或较大孔隙和夹杂，密度会低于正常值；合金出现相时，则密度会大于正常值。2、硬质合金矫顽磁力测定A、硬质合金矫顽磁力定义及测试原理 铁磁材料在磁场中其磁化强度随磁场强度的增加而增大，当被磁化达到饱和状态时，称为饱和磁化强度。撤去磁场后，铁磁材料中仍保留一定的磁化强度叫剩磁强度。使这种剩磁强度为零时，所需反向磁场强度的量值，叫做矫顽磁力。用HCJ表示，单位为A/m或kA/m。B、硬质合

4、金矫顽磁力的影响因素1）、矫顽磁力随温度的升高而下降。2）、应力和形变使磁化发生困难，矫顽磁力增加。3）、晶粒愈细，晶界便愈多，磁化的阻力也愈大，愈难磁化，磁力变大。4）、通常情况下，硬质合金矫顽磁力随着钴含量的增加而降低，同钴含量的合金，其晶粒度愈细，矫顽磁力越高，合金中若出现相则矫顽磁力有一个异常高的值。C、测量硬质合金矫顽磁力的意义1）、作为衡量组织结构变化的依据。硬质合金中钴含量增加，矫顽磁力下降，钴分散度越大，矫顽磁力越高。因此，矫顽磁力可以作为间接衡量合金中WC晶粒大小的参数。2）、作为考察工艺变化的依据。湿磨时间长，粉末颗粒细，于是合金的晶粒度细，矫顽磁力高。合金中出现渗碳，往往

5、矫顽磁力偏低，合金中出现脱碳，则矫顽磁力偏高。合金欠烧，矫顽磁力偏高，合金过烧，矫顽磁力偏低。烧结时冷却速度越大，矫顽磁力愈大。3、硬质合金钴磁的测定 硬质合金的钴磁是指合金中能产生磁性钴的百分含量。 意义：1）钴磁与合金的成份有关，但与晶粒度无关。钴磁能准确地反映合金内部微观组织结构的变化，并能以准确的量的关系表达出来。2）、能简单快速测量出合金中的百分钴含量。3）、合金中的钴磁随着碳含量的减少而降低。 4）、根据钴磁值能分辨合金相多少的程度。5）、合金的钴磁高，它的抗弯强度也高。 4、硬质合金抗弯强度测定 1)、抗弯强度是试样在弯曲断裂前所承受的最大正应力。单位：MPa(N/mm2)。 2

6、）、硬质合金强度影响因素A、合金中若碳过量时，将产生游离碳，碳不足时将产生相，都引起合金强度降低。B、随着钴含量的增加，其强度随之增加。 C、晶粒度的影响。增大WC晶粒，可显著改善合金的强度和韧性，晶粒度分布宽的合金其强度低于晶粒度分布窄的合金。 D、显微相缺陷的影响 在合金内部缺陷的周围引起应力的集中，会加速裂纹的形成，从而使合金强度降低。 相使合金变脆，钴分布不均匀，造成钴集中的现象等，都使强度降低。 不同牌号的料互相掺杂，降低强度。 合金内部气孔、环状结构、针状WC或杆状WC都会在受力下产生裂纹而破坏，使强度降低。5、硬质合金的金相显微分析 金相分析目的 众所周知,硬质合金是以粉末冶金方

7、法制得的,是一种固相转变过程。因此这些合金制品内部和表面存在各种具有工艺特征的缺陷,如孔隙、石墨、污垢、 相等。对这些缺陷进行定性、定量，是确定制品质量的重要环节。而对这些合金内部的各种组织进行鉴别又是很重要的，它可以揭示工艺（包括混料、压制、烧结）过程的各个环节的正确与否.硬质合金金相分析的内容 一、缺陷1、孔隙2、石墨3、宏观孔洞4、其他（为压好、裂纹、分层）二、组织1、晶粒度的测定（晶粒的分布）2、脱碳3、钴层厚度（钴池）孔隙度 孔隙度是指某一视场内孔隙所占面积的百分比，即 x=a/b100%式中：x-孔隙度 a-视场内孔隙面积的总和 b-视场的总面积孔隙产生的原因（一） 在硬质合金生产

8、中一些其他原因也可能造成产品孔隙大增，例如：严重过烧、欠烧、为压好等。 严重过烧时，一般产生10-20m的B类孔隙且大部分分布在样品的表面，过烧时，试样的晶粒会长大，欠烧时，孔隙一般比较细小，且集中在试样的中心部位，欠烧时，试样的晶粒成型不是很好，我们通常不能仅仅只通过孔隙的大小来判断样品是过烧还是欠烧，必须通过其他性能指标进行综合判断。 未压好造成的孔隙，一般成了三角形、飞鸟型或菱形，一般集中在压力达不到的刃口或尖角处孔隙的分类 硬质合金检验中孔隙分为： 1、A类孔隙（孔隙尺寸10m） A孔隙分为：A02、A04、A06、A082、B类孔隙 （10m孔隙尺寸25m） B孔隙分为：B00、B0

9、2、B04、B06、B08 相对应的百分含量为： （A00 ） B00 A02-0.02 B020.02 A04-0.06 B040.06 A060.2 B060.2 A080.6 B080.6A类孔隙和B类孔隙100X A04 100X B06渗碳石墨 渗碳也称石墨夹杂简称：石墨 石墨的测定： 石墨有几种类型但主要为点状石墨和巢状石墨。 石墨的分级：C00、C02、C04、C06、C08 相对应的百分含量为： C00 C020.2（小于） C040.5 C061.0 C081.5巢状石墨 100XC040.5脱碳 脱碳也称相，总的来说相是由于合金中碳含量偏低造成的，他的构成和表现形式比较复杂

10、，其分子式： 1相:Co3W3C、Co2W4C、Co3W6C 2相:Co6W6C脱碳图 脱碳与其他添加剂的区别 脱碳颜色与添加剂的颜色有一定的区别并且脱碳的颜色会随着浸蚀加深变成棕红色。添加剂颜色变化没有这么明显。（见图） 脱碳 添加剂分成与裂纹的区别 分层通常位于样品的棱角部位，并从样 品 的棱角向内部连续或不连续地延伸。 裂纹呈细而长的黑色条纹。（如图） 分层 裂纹分成与裂纹的区别 分层通常位于样品的棱角部位，并从样 品 的棱角向内部连续或不连续地延伸。 裂纹呈细而长的黑色条纹。（如图） 分层 裂纹 硬质合金缺陷图谱硬质合金缺陷图谱6、硬质合金维氏硬度测定 维氏硬度试验是将一个相对夹角为维

11、氏硬度试验是将一个相对夹角为136的正四的正四棱锥体金刚石压头以选定的试验力棱锥体金刚石压头以选定的试验力F压入试样表压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量压痕面，经规定保持时间后，卸除试验力，测量压痕的两对角线长度的平均值的两对角线长度的平均值d，计算硬度值的一种，计算硬度值的一种压痕试验。压痕试验。 由于维氏硬度的压痕为正四棱锥，具有轮廓清晰，由于维氏硬度的压痕为正四棱锥，具有轮廓清晰，对角线测量精度高，所以试验结果具有较高准确对角线测量精度高，所以试验结果具有较高准确度。度。 维氏硬度测量与裂纹长度测量维氏硬度测量与裂纹长度测量测量测量硬质合金硬度的意义硬质合金硬度的意义 1）

12、、硬质合金硬度是世界公认的评定其质量的主要指标，能反映出材料的机械性质，并与其他力学性能有一定的关系。因此，硬质合金制品都要经过硬度检测。 2）、硬质合金中若内部有孔隙，石墨和夹杂，硬度会降低。合金组织中出现相时，硬度会提高。同成份的细晶粒比粗晶粒合金硬度高。401700611900712100442150621980822100501995632000851850511995642150902000802050不同合金硬度值（不同合金硬度值（HV30）不同合金硬度值（不同合金硬度值（HV30）扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscope（SEM） 扫描电镜简介及应

13、用扫描电镜简介及应用 扫描电镜的基本原理扫描电镜的基本原理 扫描电镜主要由电子枪发射出的电子束在加速电压扫描电镜主要由电子枪发射出的电子束在加速电压的作用下，经过会聚形成一个直径很小的电子探针的作用下，经过会聚形成一个直径很小的电子探针束（束（probe）投射到试样表面上，同时镜筒内的偏）投射到试样表面上，同时镜筒内的偏转线圈使这个电子束在试样表面作光栅式扫描转线圈使这个电子束在试样表面作光栅式扫描。图1 电子与物质的相互作用示意图扫描电镜的性能特点扫描电镜的性能特点 能直接观察大尺寸试样的原始表面能直接观察大尺寸试样的原始表面 其能够直接观察尺寸可大到直径为其能够直接观察尺寸可大到直径为10

14、0mm，高，高50mm，或，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察也能观察 图像焦深大，富有立体感图像焦深大，富有立体感 由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，并很容由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，并很容易获得一对同样清晰聚焦的立体照片，进行立体观察和立易获得一对同样清晰聚焦的立体照片，进行立体观察和立体分行体分行 能得到高的分辨率和最真实形貌能得到高的分辨率和最真实形貌 对试样的损伤和污染程度很小对试样的损伤和污染程度很小扫描电镜的应用扫描电镜的应用 Cu颗粒颗粒 100,000 头发头发 600 WC

15、 13,000 涂层涂层 5,000 板材板材 150(S1000-2) 850(FR-4)8000孔不同加工板材磨损对比FR-4S1000-2 晶粒异常长大晶粒异常长大 x10,000 粗细不均匀粗细不均匀 x1,600 脏化脏化 30, 00 裂纹裂纹 250 粗糙粗糙 x110 光滑光滑 x110 b边锯齿型边锯齿型 1291.65-12.0新修砂轮磨痕新修砂轮磨痕1500磨合后砂轮磨痕磨合后砂轮磨痕1500通过逐步放大观察断口，发现为通过逐步放大观察断口，发现为富钴富钴所致，可控制供应商品质监控所致，可控制供应商品质监控25300010000合金用料标准图片库阶段性成果：建立现用料阶段

16、性成果：建立现用料5000组织标准库；对来料检测提供标准，监控供应来料的组织标准库；对来料检测提供标准，监控供应来料的稳定性稳定性ABCDEFPCB电路板图片库阶段性成果：已对部分PCB板形貌、成分收集材质研发项目：以此为平台，在2011年建立PCB板材加工形貌数据库，对新产品开发、客户服务提供理论支持。各种板材各种板材15001500倍微观形貌倍微观形貌FR4 1.6X2FR4 1.6X2FP 0.2X2FP 0.2X2高高TG0.8X8TG0.8X8HF 1.0X10HF 1.0X10无卤素板材无卤素板材生益生益S1000-2 1.6x2S1000-2 1.6x2TC350TC350陶瓷粉

17、末陶瓷粉末石墨板粉末石墨板粉末刃面磨损分析应用典型案例典型案例1：针对于超声针对于超声在加工在加工S1000-2不耐磨损不耐磨损情况，情况，不同不同材质材质微观微观形貌形貌分析，优选最佳的材质。分析，优选最佳的材质。涂层应用阶段性成果：可对涂层形貌，厚度进行观察测量以及成分分析；为涂层工艺开发提供依阶段性成果：可对涂层形貌，厚度进行观察测量以及成分分析；为涂层工艺开发提供依据据HAC 涂层厚度测量类金刚石涂层形貌CVD涂层形貌焊接工艺的应用阶段性成果：通过钎料的分布形貌，可判断焊接时间、阶段性成果：通过钎料的分布形貌，可判断焊接时间、焊接温度的合理性，最终优化焊接工艺焊接温度的合理性，最终优化

18、焊接工艺焊接口形貌焊接口形貌观察观察其它 A1000、A2000磨削后切削油中合金颗粒大小磨削后切削油中合金颗粒大小A1000磨削油中的粉末A2000磨削油中的粉末 清洗液对合金表面的影响清洗液对合金表面的影响考察清洗液对合金中Co含量的影响 非标刀具磨削液对合金磨削表面钴析出试验非标刀具磨削液对合金磨削表面钴析出试验 高速钢表面分析高速钢表面分析 能谱仪简介及应用能谱仪简介及应用能谱仪原理：能谱仪原理：高速带电粒子轰击样品中的原子时，会将自己的一部分能量交给原子，外层电子向内层跃迁，释放特征X射线，各种元素所发出的各种元素所发出的X射线光子具有不射线光子具有不同的特征能量，由此可以利用各个同

19、的特征能量，由此可以利用各个X射线的能量来鉴别样品中的原子射线的能量来鉴别样品中的原子。Ehc/12.398/ SEM-EDS功能演示文件功能演示文件显示文件显示文件PM11_2.1.avi元素重量原子O K0.351.34Cr K6.317.47Co K84.4788.22W M8.882.97总量100.00 图图18 孔洞能谱分析孔洞能谱分析能谱仪的应用能谱仪的应用回顾：l 硬质合金是由一种或多种难熔金属的碳化物作为硬质相，用金属粘结剂Fe、Co、Ni作为粘结相，经粉末冶金方法烧结而成的一种硬度高、耐磨性高、抗压强度高的复合材料；l 硬质合金生产流程：混料、制粉、压制、烧结四个过程。不同