磁场下硬质合金的调研和猜想(共13页)

1、上海大学(shn hi d xu) 2014-2015 学年(xunin) 冬 季学期(xuq)研究生课程考试小论文课程名称： 纳米硬质合金制备技术 课程编号： 10SAV9008 论文题目: 磁场下硬质合金的调研和猜想 研究生姓名: 陈旭 学 号: 14721899 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: 磁场下硬质合金的调研(dio yn)和猜想班号：冶金(yjn)班 姓名(xngmng)：陈旭 学号：14721899 （上海大学材料科学与工程学院，上海 200072）摘要：硬质合金因为其具有高强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等优异的性能，被广泛的应用和关注。通过前人的研究发现，磁场对硬质

2、合金的性能有一定的有利效果，因此本文对其进行探讨，并对磁场对硬质合金影响的实验方案及结果进行假设和猜想。关键词：硬质合金、磁场、凝固Research and guess of carbide in magnetic fieldClass: Metallurgical class Name: Chen Xu Student number:14721899(School of Materials Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: The carbide is applied

3、and focused widely because of the excellent property, like high strength, high hardness, well abrasive resistance and Corrosion resistance. Through the research of predecessors, it can conclude that magnetic can make a good influence on the property of carbide. Thus this paper discuss it , assume an

4、d guess the experimental programs and results of the impact of magnetic to carbide.Keywords: carbide; magnetic; solidification1、前言(qin yn)：1923年，德国的施勒特尔往碳化钨粉末(fnm)中加进10%20%的钴做粘结(zhn ji)剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。用这种合金制成的刀具切削钢材时，刀刃会很快磨损，甚至刃口崩裂。1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物，改善

5、了刀具切削钢材的性能。这是硬质合金发展史上的又一成就。近二十年来，涂层硬质合金也问世了。1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高25%50%。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。硬质合金是由难熔金属的硬质化合物(如：WC，TiC，Cr3C2，WC-TiC等)和粘结金属（如：Co，Ni，钢等）通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500

6、的温度下也基本保持不变，在1000时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料1。同时硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钴具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求不断加大。并且未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及核能源的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金产

7、品的需求。2、硬质合金(yn zh h jn)的分类：2.1 碳化钨（WC）基硬质合金(yn zh h jn)碳化钨（WC）基硬质合金(yn zh h jn)主要成分为WC，主要分为钨钴（WC-Co）类硬质合金（YG类）、钨钛钴（WC-TiC-Co）类硬质合金（YT类）、钨钛钽（铌）钴（WC-C-TaC（NbC）-Co）类硬质合金（YW）等3类。YG类（国际上统称为K类），硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、 导热性等，主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。与YT类合金相比，有较高的抗弯强度和冲击韧性，同时导热性较好。YT类（国际上统称为P类）由于加人TiC,使材料的硬度和耐磨性有所提

8、高，但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性，抗粘结、抗氧化能力较好，适用于加工钢材，切削时刀具磨损小，耐用度较高。高温时的硬度和抗压强度比YG类高，但YT类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。YW类(国际上统称为M类)硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力，兼具YG、YT类合金的良好性能，特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁2。近年，ISO又增设了3类硬质合金3:（1）H类，用于切削高硬材料；（2）S类，用于切削高温合金、耐热材料；（3）N类，用于切削有色金属。应当注意的是，立方氮化硼PCBN用于切削淬硬钢，被列入H类。热压聚晶金刚石PCD主要用于切削有

9、色金属，被列入N类。故当今硬质合金已分为K、P、M、H、S、N6大类。2.2 碳(氮)化钛基硬质合金TiC（N）基硬质合金是以TiC为主体，以Ni-Mo作粘结剂，不含或少含WC，并添加少量其他碳化物的合金，密度低，硬度高（HRC可达到9495）。此外，它的抗氧化性好、耐热性好(1000以上)及化学性能稳定。与WC基合金相比，TiC（N）在碳化物中硬度最高，对金属的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，高温时硬度降低较小，有较好的耐磨性。TiC（N）基硬质合金的性能介于(ji y)陶瓷和硬质合金之间，所以又被称为金属陶瓷。由于TiC（N）基硬质合金(yn zh h jn)具有接近

10、陶瓷材料的硬度和耐热性，且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，因此，可以用来作为高速切削加工刀具材料4。金属陶瓷(jn sh to c)刀具材料也存在抗塑性变形性能差（低于WC基合金）、抗磨料磨损性能差等缺点，不适用于加工耐磨材料（如铸铁、纤维玻璃等）和耐热合金。日本在TiC（N）基硬质合金应用方面居世界领先地位，其用量占硬质合金和陶瓷刀具总量的28%。为了解决金属陶瓷材料韧性差的问题，很多学者进行了相关研究，并取得了一定的成效。如日本京瓷（Kyocera）公司研究和使用了TiCN-NbC和TiC-TiN基金属陶瓷，其性能得到了进一步提高；发展了超细晶粒金属陶瓷，其平均晶粒粒径为0.6um，抗弯强度达

11、到2.5GPa；采用PVD涂层技术进一步发展了TiA1N涂层的金属陶瓷，性能高于无涂层陶瓷5,6。2.3 超细晶粒硬质合金超细晶粒硬质合金是一种高硬度和高强度兼备的硬质合金，由超细晶粒碳化钨即0.5um的WC、金属钴Co、碳化钒VC和碳化铬Cr3C2组成，适合在高速钢刀具耐磨性不够，以及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削速度过低而不宜使用传统硬质合金的情况下使用。超细晶粒硬质合金的WC粒度一般为0.2-1.0um，大部分在0.5um以下，是普通硬质合金WC粒度的几分之一到几十分之一，其硬度一般为9093HRA，抗弯强度为20003500MPa，比含钴量相同的一般WC-Co硬质合金高，与加工

12、材料的相互吸附-扩散作用较小，特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢以及其它难加工材料7-9。超细晶粒硬质合金的分类及不同晶粒度的硬质合金刀具切削性能如表1、表2所示。 细晶粒合金(hjn)以前多用于K类，但目前(mqin)在P类、M类的超细硬质合金(yn zh h jn)中，将朝着WC晶粒更细、亚晶结构缺陷更少、综合性能更高的方向发展。世界各国都很重视细晶粒、超细晶粒硬质合金的研制11。日本三菱综合材料株式会社研制的超细晶粒硬质合金牌号有HTi10（K10）、TF15(K20)、SF10(K01)等，其硬度为90.793.2HRA，抗弯强度为3.24.4GPa；韩国高耐公司（Korloy）的超细

13、牌号有FS1（P10，M25）、FCC（P40）、FA1（K20）等，其硬度为91.292.7HRA，抗弯强度为2.53.5GPa；我国的株洲、自贡两家硬质合金厂也开展了超细硬质合金的研发工作，获得了晶粒尺寸小于500nm的合金12,13。超细晶粒硬质合金由于其晶粒极细，刀刃可以磨得锋利、光洁；同时由于它的强度和硬度都很高，故能长时间保持刀刃有极小的圆弧半径和粗糙度。因此，在加工耐热合金钢时，使用YS2、YM051、YM052、YD05等超细晶粒硬质合金刀具，比采用YT、YG、YW3 类普通硬质合金刀具有更好的耐热性和综合耐磨性能。从材料的性能看，目前世界上仅有少数国家能生产出兼具高硬度（HR

14、A90）和高强度（TRS3200MPa）的超细晶粒硬质合金。由于受烧结技术和设备的限制，当前的生产工艺还不能十分有效地抑制烧结过程中纳米晶粒的长大，因此尚未出现粒度达到100nm左右的纯纳米硬质合金制品。人们对超细晶粒硬质合金的研究大多集中在纳米硬质合金粉体制备、烧结工艺优化和晶粒生长抑制剂3个方面。3、磁场(cchng)的性质特点3.1 磁场(cchng)的分类近年来,材料的电磁(dinc)加工(Electromagnetic Processing of Materials，简称EPM)的研究引起了国内外冶金与材料工作者的极大兴趣。材料电磁加工(EPM)的显著特点是将电磁能以“场”的形式转换

15、为材料制备过程中的热能和动能，对材料的制备工艺、组织和性能产生质的影响。目前材料电磁加工(EPM)过程中使用的电磁场主要有：直流磁场、交流磁场、特殊磁场、直流稳恒强磁场。这些磁场可以单独使用,还可以将几种磁场同时用于某一材料加工过程。（1）直流磁场：这种磁场一般都是由传统的线圈产生，强度一般在0.01-0.1T(特斯拉)之间。其主要作用是控制液态金属流动，一般不起搅拌熔体的作用。例如，作为电磁制动抑制连铸结晶器内钢液的流动、抑制中间包内钢液的紊流等，作为电磁“坝”用于薄带连铸的侧封等，改善冶金质量。（2）交流磁场：交流磁场是材料加工过程中应用最为广泛的一种磁场，其频率从几赫兹到数十兆赫兹。可以

16、通过调整磁场的频率，将交流磁场应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程。交流磁场是控制液态金属传输的有力手段。特殊磁场：其他特殊的磁场主要有移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、节能等新技术工艺的开发。脉冲磁场在瞬间内可以产生几千甚至几万特斯拉的磁场。（3）直流稳恒强磁场：这种由超导线圈产生的高强度直流磁场，是目前新材料制备和材料改性研究的重要手段，同时也是目前研究的热点之一。一般起到强磁场取向、控制液态金属流动、影响材料相变过程等作用。例如强磁场可以提高马氏体转变温度；又例如，作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动；控制材料在结晶凝固过程中晶体生长的形

17、态、大小、分布、取向等等，从而控制材料的组织，开发性能优异的新材料。磁场可分为连续磁场和脉冲磁场两大类。连续磁场又可分为稳恒磁场和时变磁场。一般(ybn)地讲，磁场的强度大于1T就可以称为强磁场。稳恒强磁场的发生设备(shbi)主要有电磁铁磁体(Resistive Magnets)、超导磁体(cho do c t)（Superconducting Magnets，SM），以及兼有电磁铁磁体和超导磁体的混合磁体(Hybrid Magnets)三种。3.2 磁场对物质的影响强磁场己经广泛渗透到物理学、化学和生物学等科学领域中。在材料科学中的应用研究则是近十年才兴起的。稳恒强磁场以下简称强磁场在材料

18、科学中的应用研究主要有四个方面，即磁取向、磁热处理、流体流动的磁控制和磁场对物质扩散的影响14,15。（1）磁取向：强磁场中，具有磁各向异性的晶体以不同的晶体轴平行磁场时所受的磁化能不同。当晶体能够自由转动时，将在磁场中受到磁力矩的作用，并发生旋转，直到所受磁化能最小为止。这就是磁场中磁各向异性晶体的旋转取向机制。由于磁各向异性在物质中普遍存在，而且可以通过多种方法感生获得，强磁取向的研究己经成为强磁场在材料科学中研究和应用的一个非常重要的部分。如下图是BiMn合金施加与不施加磁场条件下取向变化情况。（2）磁热处理：在材料的固态相变过程中，利用不同组成相磁性能的差异，强磁场有可能改变相变的温度

19、和程度，以及相变组织的形态和大小等，从而影响材料的热处理过程和效果。目前(mqin)，强磁场热处理的研究主要集中在铁基合金系。研究表明，强磁场可以延迟Fe-3.25wt.%Si冷轧硅钢(gugng)的再结晶过程，促使hk0再结晶织构和小角度(jiod)晶界的优先形成，促进铁基合金-Fe相变和珠光体相变，减少形核数量和提高A3点温度等。稳恒磁场能对低碳锰妮钢的-相变产生影响，在奥氏体化后空冷过程中加磁场，可以提高奥氏体向铁素体相变的起始温度，且铁素体晶粒得到显著细化。强磁场对固态相变的影响，在奥氏体向马氏体转变的过程中（如下图），由于具有铁磁性的马氏体与顺磁性的奥氏体相比具有较高的磁化强度，当施

20、加磁场时，其Gibbs自由能将会大大的降低，而顺磁性的奥氏体的Gibbs自由能在磁场下则降低较小，因此具有铁磁性的马氏体在磁场下变得更稳定。（3）流体流动(lidng)的磁控制：a.磁场抑制流体(lit)运动液体中的流动是与体系传热、传质和晶体生长有关的重要问题。当一个导电熔体中存在因重力场引起的对流运动时，外加(wiji)磁场感应产生Lorents力，这个力总趋向于使对流运动的强度减小。强磁场对导电熔体中流动的抑制作用非常强，有可能消除定向凝固过程中对流对凝固界面处溶质分离的干扰，从而获得成分均匀的材料，这对于有掺杂元素的半导体单晶体的制备具有十分重要的意义。在渗Te的InSb定向凝固过程中

21、施加8T轴向磁场，结果Te的轴向分布变均匀，但在(Bi,Sb)2Te3定向凝固过程中施加轴向磁场(0-8T)，轴向上Bi的宏观偏析反而随磁场强度的增加而增大。b.磁场诱发流体运动在某些特定条件下，强磁场对导电熔体的流动还有促进作用。如合金定向凝固过程中界面为树枝晶生长时，由于塞贝克效应，在固液界面上存在一个温差电流外加一个磁场将在糊状区内引起流体流动，即热电磁流体力学效果，导致凝固组织粗化和疏松，如图AlCu合金。 Seebeck效应(xioyng) 枝晶前沿(qinyn)热电磁(dinc)流现象Al-Cu合金在不同条件下糊状区的组织状态（上、不施加磁场；下、施加磁场）（4）磁场对元素扩散的影

22、响：1964年Youdelis等利用3T强磁场研究了Cu在Al中的扩散，发现在垂直于磁场方向Cu原子的扩散系数降低25%随后Nakajima等。研究指出4T强磁场对Ni在Ti中扩散无任何显著影响Pokoev等报道了0-0.7T磁场下Ni在-Fe和Fe-1.94at.%Si中的扩散，指出在铁磁性温度范围内磁场对其扩散行为产生一个非单调的影响。随着磁感应强度的增加，磁场对扩散的促进作用降低，扩散系数减小，并且在磁场下的扩散系数逐渐小于不施加磁场时的扩散系数，磁场的作用也由促进变为抑制；而在顺磁性温度范围内磁场对扩散系数不产生显著影响。随后，Nakamichi等研究了6T强磁场对Ti在-Fe中扩散行

23、为。结果表明，磁场对Ti在-Fe中的扩散并无显著影响。这一点与Nakajima等的研究结果相一致，进一步分析发现，在有、无磁场时并不改变Ti在-Fe中扩散的激活能。在某些特定条件下，强磁场对导电熔体的流动还有促进作用。如合金定向凝固过程中界面为树枝晶生长时，由于塞贝克效应，在固液界面上存在一个温差电流外加一个磁场将在糊状区内引起流体流动，即热电磁流体力学效果，导致凝固组织粗化和疏松。在电化学反应过程，强磁场与带电粒子相互作用，改变电解质的流动和传质条件，从而改变了电化学反应的进程，例如强磁场可以减小铜片在硝酸中的腐蚀速度。强磁场对非导电流体同样有控制作用。铁磁质和顺磁质的磁化率都是温度的函数，

24、当它们的体系中存在温度梯度或磁化率的不均匀分布时， 就有可能在强磁场中引起流动，并不要求流体一定具有导电性，例如强磁场能够在碳氢基铁磁性流体中引起对流。4、磁场(cchng)对硬质合金的影响通过(tnggu)很多学者(xuzh)对施加磁场后对硬质合金组织影响的研究发现16-17：1、在匀强磁场中烧结硬质合金，与无磁场烧结相比，能降低合金的孔隙度，改善粘结金属钴的分布及结构状态，提高WC结晶完整性，降低WC邻接度等，从而有效地改善合金的物理机械性能；-bb的提高随磁场增强而愈为显著。2、磁场烧结的合金其微观结构发生明显变化，提高粘结金属钴的面心结构Co(fcc)的含量，减少了钴的脆性六方相Co(

25、hcp)的出现和减少WC缺陷的形成，从而提高了合金的韧性和耐冲击能力；3、用磁场烧结法代替常规烧结生产韧性相近的WC-Co系合金，可降低用钴量1-3%，因而，磁场烧结是发展低钴合金行之有效的一项新技术。4、磁场淬火处理可以使YG6的维氏硬度提高3%，横向断裂强度提高18%，冲击韧性提高24%并改变合金磁性；磁场淬火较常规淬火对YG6合金性能改善作用更加明显；而磁场淬火对YN6合金相应的性能改变却不明显。 5、磁场淬火使钴基硬质合金的黏结相中-Co含量提高，W和C在黏结相中的固溶度增加，WC晶粒棱角趋于圆滑；同时，磁场引起钴基硬质合金中WC晶粒出现锯齿状形貌并偏转为有序方向排列，是合金性能改善的

26、主要原因。5、猜想：通过对王老师课程的学习、对相关文献的阅读，以及和自己课题内容相互联系，得出的结论是-从前人的实验结果中，不难发现磁场对硬质合金的组织和性能有着明显的影响。但是，目前研究的结果中涉及到的磁场强度和类型有限，并且磁场下硬质合金的研究相对较少。因此，我提出以下实验建议：1、在高强(goqing)静磁场下探索磁场对于其组织和性能的影响原因(yunyn)：磁场(cchng)除了对WC等的硬质合金硬质相有取向影响外，高强静磁场下还会产生的热电磁力会很大，可能会使得硬质相界面前沿熔体扰动剧烈。促进W和C在Co中固溶反应，细化硬质相，并且还能促使硬质相棱角光滑，提高硬质合金韧性。2、在交变

27、磁场、交变电场亦或交变复合电磁场条件下对其其组织和性能的影响原因：交变电磁场会使得熔体中产生交变Lorents力，对溶液有搅拌作用，不仅对硬质相表面有冲刷作用，还可以使得熔体溶质充分交换和均匀化，提高硬质合金的致密度。希望在磁场的作用下，对硬质合金的工艺性能有一定的作用效果，并可以推测出最佳的工艺参数，制得最佳性能的硬质合金。参考文献：1 肖诗纲. 刀具材料及其合理选择(第二版)M. 北京: 机械工业出版社, 1990.2 刘长付, 柳文进. 硬质合金刀具材料的发展与应用J 现代材料动态, 2001(2): 12.3 张武装, 高海燕, 黄伯云. 纳米WC-Co复合粉的研究J 硬质合金, 2002, 19(2): 9195.4 李力, 栾道成. 硬质合金刀具新技术研究进展J 中国钨业, 2010(2): 4548.5 韩韡, 许晓静, 刘延山. 硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路J 中国钨业, 2010 (2): 4548.6 郭力.国内外硬质合金刀具材料的发展及应用前景J 机电国际市场, 2002