硬质合金物理性能检测

物理性能测试肖轩明目录01硬质合金概述硬质合金的概念、特点、分类及生产过程02粉末物理性能测试费氏粒度的测量03硬质合金物理性能测试介绍硬质合金磁性能、密度、硬度、强度等04硬质合金显微组织测试金相第一局部：硬质合金概述1.1硬质合金概念用粉末冶金法生产的由难熔金属化合物〔硬质相〕和粘结金属〔粘结相〕所构成的复合材料。

硬质合金硬度高耐磨性好红硬性好耐腐蚀强度高硬质合金的服役性能与力学性能相关韧性试验冲击试验硬度试验1.2硬质合金特点1.3硬质合金的分类硬质合金（按成分）碳化钨基硬质合金钨钴钛基硬质合金钨钛钽（铌）硬质合金钢结硬质合金金属陶瓷涂层硬质合金1.4

硬质合金的生产过程配料——湿磨——喷雾制粒——压制——烧结——成检第二局部粉末物理性能测试W粉WC粉喷雾料粒短棒状钴和针状SiC2.1粉末的工艺性能粉末的工艺性能包括松装密度、振实密度、流动性、压缩性与成形性松装密度振实密度流动性压缩性成形性2.2压缩性与成型性压制性能=压缩性+成型性压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能力，在规定的模具和润滑条件下加以测定，用在一定的单位压制压力下粉末所到达的压坯密度表示。通常也可以用压坯密度随压制压力变化的曲线图表示。成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末得以成形的最小单位压制压力表示，或者用压坯的强度来衡量。2.3粉末的分散度测量

粉末分散度平均粒度空气透过法吸附法X射线法粒度分布沉降法显微镜法激光衍射/散射法筛分法1μm2.4费氏粒度的测定原理：在恒定流量或压力条件下，空气透过粉末堆的能力与粉末大小相关。

大颗粒容易通过。〔2〕、根据空气透过法，粉末粒度有以下表达式：dvs==c(1)

为了使计算图简化，作出以下规定：

〔1〕、粉末称量M=ρ；

〔2〕、P=50cmH2O；

如果称样量少于其真密度，结果偏高，反之，结果偏低。试样准备：待测试样应均匀，具有代表性。取样量应为试样真密度的两倍以上。试样要求枯燥，不得有团块，且须妥善保管，防止氧化。假设有以下三种情况之一者，本方法不适用：a、粉末形状等轴性很差；b、粉末在缓慢压力下会变形或破碎；c、粉末在施压时会聚结。5.2开机前准备橡皮垫应不漏气。5.2.6稳压管的液面在水位刻度线上，冒泡速度为每秒(2～3)个气泡，以保持进气端压力P＝(50±0.4)cmH2O。5.3校准5.3.1调节压力计零位：5.3.2运转20min，每秒钟冒〔2～3〕个气泡。压力计水位25cmH2O。5.3.3一挡的校准

标准管5.4样品测定5.4.1按粉末真密度值称取试样量，精确到0.01g。5.4.25.4.35.4.7转动手柄，将齿条放低，直至底端与上部黄铜塞相接触。扭转手柄压实试样，提供压力到222.5N〔50lb〕，这样压实并放松反复进行三次，移动读数板，直至粒度指示针与读数板上的试样高度线重合。记录孔隙度指示针所指示的孔隙度，此后不得触动读数板。5.4.8将试样管竖直移到仪器右手轮下的橡皮垫间，旋动手轮，压紧试样管，使试样管两端不漏气。◆注意此时试样管不得振动、平放或倒置。5.4.9此时压力计水位上升,待稳定后〔约3min〕，转动齿条，使粒度指示针的横梁上沿与压力计水位弯月面对齐，读出粒度值。。每次几个检查点：

1、稳压管液位；

2、气泡2-3个；

3、零点液位；

4、校准。注意：

费氏法是一种相对测量方法，不能精确测定粉末粒度，仅用来控制工艺过程和产品质量。

孔隙度、颗粒形状、粒度、粒度分布、压制方法等….

第三局部合金物理性能测试3.1钴磁的测定原理：试样在稳定磁场中磁化到达饱和状态并被转换成试样中可磁化的粘结相总量，在测量设备感应线圈中产生感应电流，产生的感应电流与被测试样中可磁化的粘结相总量的百分率成正比，可通过测量感应电流来计算试样的磁饱和或磁性钴的百分含量。3.1钴磁的测定指合金中能产生磁性的软磁物质〔钴〕的百分含量。比饱和磁化强度。钴磁表征的是什么？3.1钴磁的测定5.2仪器检查◆注意仪器周围不容许放置强磁物质。5.2.2联机完成后、点击测试软件界面“预热〞按钮，进行系统预热，预热10-20次后点击“停止〞按钮停止预热，信息栏中显示“预热完成〞，测试运行时间显示在600-750ms范围内视为预热正常。5.2.3系统预热完成后，把空试样盒放入〔或不放入〕试样运送车内，点击“调零〞进行系统调零，连续操作1-2次。调零完成后，信息栏中显示“调零结束〞，平均零点值为100左右视为调零正常。3.1钴磁的测定5.2.4调零完成后，再将标准样品按规定放入试样盒后放入试样运送车内，点击“校准〞进行系统自动校准。校准完成后，信息栏显示“校准完成〞，校准系数值显示1.0左右视为正常。◆注意应妥善保管本仪器所配的“标准样品〞，保持外表清洁，以免产生“校准〞误差影响测试精度。◆注意仪器周围不容许放置强磁物质。3.1钴磁的测定5.3

测量5.3.1◆注意

试样放入试样盒时，应用干净的丝绸或绒布等非磁性物质将试样压住，以防止试样在测试过程中窜动影响测试结果的精度。3.1钴磁的测定◆注意试样最大尺寸不得超出试样盒内径尺寸。◆注意试样外表应清洁，不得粘有影响试样质量和磁性的其他物质。◆注意为了防止试样磁化达不到饱和状态，试样质量最好不要大于70g；为了保证测量的准确性，试样质量应大于2g；假设单个试样小于2g，可将同批的多个试样并在一起用绸布包裹,放入试样盒塞紧进行测量。3.2磁力的测定原理：试样固定在试样杆上放入测量装置的线圈中，杆上的标线使试样能准确地放在测量点上。试样在线圈中被一个可控的直流电磁场磁化到达磁饱和，然后在预定的时间内退磁到零，从而测出矫顽磁力。3.2磁力的测定磁力表征的是什么？影响测量结果的因素？3.2磁力的测定5.1开机前准备检查仪器周围是否放置强磁性物质。注意测试装置周围0.5m范围内应防止放置其他铁磁性物质。3.2磁力的测定5.2开机测试5.3自动调零注：建议进行两次以上自动调零，能更好保证系统初始状态的稳定性。5.4自动预热用橡胶泥将标准试样固定在“试样板〞上，并使长轴方向与“↑〞符号所指方向保持一致。3.2磁力的测定5.5标准样品校验校验完要测试！如标样测试结果正确且具有好的重现性，此时可进行样品测试，如果误差较大，可重复上面“自动调零〞和“校准标样〞步骤，直至到达要求。3.2磁力的测定5.6样品测试长轴方向与杆的纵向一致；清洁样品，非常重要！测试时，特别是小样品测试，请确保样品在测试过程中不会晃动。3.2磁力的测定仪器使用本卷须知6.1本仪器在执行某一操作时，禁止再次点击按钮从事其它操作。6.2在“调零〞、“校准〞和“测试〞过程中，装置周围0.5m内不应放置其它铁磁性物质，以保证测试的准确性和精度。3.2磁力的测定6.3在“调零〞时，“装置〞内不得放置样品；在点击“测试〞时，“装置〞内不要放置样品，待提示“放入样品〞时方能将样品放入“装置〞中，再点击“确定〞进行测试。3.2磁力的测定6.5在测量完成以后，务必将样品取出，不要将样品一直放在装置中。6.6如果对体积较小的试样进行测试，可将相同的试样叠垒成需要的体积后进行。温度稳定性钴磁磁力均要使样品形状尽量规那么，提高测量精度。3.2磁力的测定磁性能测量精度的影响因素？数值修约一个思考问题：JK10.2钴磁大于6.03.3密度的测定3.3密度的测定合金密度一般略低于理论值，但当合金中出现η相时，密度会稍有增加，相严重时，可超过理论值。3.3密度的测定7.2本卷须知7.2.1试样体积不得小于0.5cm3，假设需测定体积小于0.5cm3的试样，可将几个试样合在一起，但每个试样的体积不得小于0.05cm3。7.2.2应事先处理试样外表粘附的灰尘，油污等。7.2.3仪器使用一年或搬动、更换部件，应进行检定〔测试、校准〕。3.3密度的测定7.2.4使用的吊丝的直径不大于0.25mm，并只许吊丝露出水面。7.2.5称量试样时，液体和周围的空气温度应相同。测量影响因素？3.4硬度的测定——洛氏硬度材料抵抗坚硬物体压入而引起塑性变形的抗力。3.4硬度的测定——洛氏硬度3.4硬度的测定——洛氏硬度性能项目单位性能参数初试验力N98.07总试验力N588.4980.71471金刚石圆锥压头个锥度α=120º

顶尖圆弧半径R=0.2mm最小分度值HR0.13.4硬度的测定——洛氏硬度5.试样的要求5.3粗糙度Ra≤0.2μm。5.5试样外表磨去的厚度不少于0.2mm。5.6试样至少要有3mm×4.5mm的工作面；为便于磨制，试样厚度至少要3mm；制备完的试样的厚度至少为1.6mm。5.7试样试验外表应平行于支承面，其平行度每10mm长度不超过0.1mm。3.4硬度的测定——洛氏硬度6.金刚石压头的要求6.1安装压头时，应认真仔细，保证尖端无损伤、无污染，安装面清洁无异物。长期不用应卸下妥善保存，注意防锈。注：新安装压头后,最初的两个读数不予采用。6.2金刚石压头使用时，用标准硬度块检查，修正系数应小于或等于0.5HRA，否那么更换压头。3.4硬度的测定——洛氏硬度6.测量6.2.10任何两相邻压痕的中心距离及任一压痕中心与试样边缘的距离，至少要有1.5mm。

6.2.12……最初得到的一个读数不予采用，再在试样上任意打两个压痕测定其硬度值，以平均值作为结果。3.4硬度的测定——维氏硬度3.4硬度的测定——维氏硬度维氏硬度适用范围大，测量精度高，破坏作用小，所以是较理想的硬度测定方法。它适用于各种金属，各种状态硬度的测定。根据压痕单位面积上的载荷来计量硬度值的。用于测断裂韧性。四项之间的关系：思考题：牌号确定了，钴磁、磁力、密度、硬度、强度、金相如何互相影响？一个变，其他怎么变化？综合起来，判断异常结果。3.2.1原理将试样自由地平放在两支点上，在跨距中点施加的短时静态作用力下，使试样断裂。

3.2.2试样类型3.5抗弯强度类型长度宽度或直径高度A35±15±0.255±0.25B20±16.5±0.255.25±0.25C25±53.3±0.5——

影响测量结果的因素？3.5抗弯强度3.6冲击韧性无缺口正方形截面长条试样50㎜×5㎜×5㎜3.6冲击韧性思考：检测指标如何表征

硬质合金的使用性能？硬度、抗弯强度、冲击韧性都不是材料的固有性能。弹性模量E：

断裂能f

：裂纹半长度c：材料中最危险的缺陷，其作用在于导致材料内部的局部应力集中，是断裂的动力因素。控制强度的三个参数第四局部合金显微结构测试我们研究材料就是通过改变材料的组成、结构、组织，来到达提高和改善材料的使用性能的目的。我们可用材料四面体来形象的进行描述：使用性能化学组成加工工艺显微组织4.1显微结构测试的手段金相显微镜〔光镜〕电子显微镜X-射线衍射仪HRTEM、TG、ＤＴＡ、红外等1、组织缺陷的成因(1)孔隙孔隙是由于各种原因残留在合金内部的气体造成的。压坯中残留的氧化物在高温区被复原，生成气体外逸时，由于液相外表张力的作用，往往形成边界较圆滑的孔隙。混合料如石蜡分散不均，且枯燥温度偏高，将会形成硬壳粒子。这些粒子在低温区不易充分分解，进入高温区后会分解成碳和氢，气体的急剧逸出也会造成孔隙。如体积较大的压坯烧结时，其中的成形剂未来得及充分裂化就进入高温区，产生的气体急剧逸出，那么易形成形状不规那么的孔隙。此外，外来杂质发生熔化、分解、挥发时，也会造成孔隙。——HIP消除孔隙三、组织缺陷的成因及去除方法(2)异常粗大的碳化钨碳化钨粗晶产生的原因是原始碳化钨粉的粒度分布范围过宽，特别是当烧结温度过高或保温时间过长时，将使碳化钨的重结晶速度加快，导致产生异常粗大的碳化钨晶粒。+过度球磨(3)钴池：钴池产生的主要原因是原始钴粉的颗粒粗大，或混磨工艺不当致使混合料中钴的分散程度差。这时，越是进行短时低温烧结，越易形成钴池。如果合金碳含量偏高，烧结温度也偏高，这时液相量增多，液相粘度降低，钴相也会流聚成团而形成钴池。

(4)游离石墨相、外来夹杂等缺陷的形成原因。

配碳局部碳高夹杂缺陷成因

目前减少硬质合金组织缺陷的最有效方法是热等静压。热等静压时，各向均匀的压力作用在被加热的压坯上，使合金内部的裂纹和孔隙减少或消除，还可使钴池流动均匀化，并充分浸润碳化钨骨架，从而显著提高合金的强度。观察范围工艺孔隙数(个)孔隙体积(%)密度(%)1平方厘米真空烧结热压10um1若干>0.1<99.9热等静压00~0.001>99.999645.2平方厘米烧结3~17-热等静压00~0.001>99.9991立方厘米烧结数百个>0.1<99.9热等静压0=1>99.999表3-2热等静压工艺处理后合金内部孔隙数量的变化减少缺陷方法钴含量（%）WC粒度（um）抗弯强度（兆帕）分散系数（%）烧结HIP烧结HIP611250.83.51.417012838288530133246311022.511.35.611.36.34.4表3-3热等静压与普通烧结的WC-Co合金的强度比照合金牌号表面状态平均抗弯强度(kg/mm2)试验试样数(个)YG8烧结态20020喷砂态23020精磨态26030YG13C烧结态22030喷砂态27030精磨态29530不同外表状态下合金的强度(2)去除混合料中的粗大的碳化钨颗粒和钴颗粒，可以防止合金中30微米以上的粗颗粒钴，并不超过烧结温度和防止长时间烧结，才能使合金强度提高且稳定。(3)喷砂或研磨处理能减少合金外表缺陷，产生压应力，从而提高合金强度。试样表面状态烧结态喷砂态精磨态试验试样数(个)200200200缺陷数(%)表面上表面缺陷4023.59.5棱角处缺陷52.5211.4内部缺陷7.54974.4无法判断的缺陷06.52

断口上组织缺陷的分布情况其它缺陷去除方法WC晶粒度的增大会导致合金硬度的持续下降；而WC晶粒的增大在一定限度内会使合金强度增高，过此限度后那么会使合金强度下降。这说明为了为什么对普通WC-Co合金，硬度和抗弯强度难以同时兼顾。特殊方法制造的超细晶粒合金〔其中碳化物相晶粒平均尺寸〔1〕的硬度、强度均比相同成分的普通合金高。一般硬度要高1.5~2HRA硬度值，抗弯强度要高60~80公斤/毫米2，高温硬度、抗压强度也高得多。碳化钨和粘结相晶粒度对合金性能的影响目前，对相晶粒度的影响的研究较少，但已受到重视。铃木寿在研究中发现γ相晶粒越细，合金的抗弯强度越高，且当钴含量越高时越明显。这一研究结果对硬质合金强度的理解提供了新的事实——γ相细化强化机理。铃木寿还研究了WC、相晶粒度对WC-Co硬质合金蠕变破坏强度的影响，他发现：

粘结相晶粒度一定时，在低温下，WC越细，蠕变强度越高；但高温下却相反。

无论WC晶粒度多大，在各种温度下合金的蠕变强度均随粘结相晶粒度增大而提高。γ相晶粒度对合金性能的影响〔1〕原始粒度原始粒度越细，烧结时越易长大。当原始粉末粒度分布很广，特别是有大量细颗粒WC存在时，烧结时出现异常长大的晶粒数较多。〔2〕杂质近来的研究说明，含量仅为10ppm左右的Fe之类的杂质会促使烧结时WC晶粒长大。约0.3%的Ni和Cr能分别使烧结时WC晶粒发生明显的粗化和细化。(3)碳含量碳含量对合金碳化物晶粒的影响极为显著。普通认为随碳含量增加，烧结时碳化物的长大更为严重。Rees还用下式来定量描述碳含量对烧结时碳化物晶粒长大程度的影响：式中：Xs——烧结后碳化物的平均晶粒度；Xc——烧结前碳化物的平均晶粒度。

WC晶粒度的影响因素(1)烧结后的冷却速度铃木寿(9)和靳裕康等人(11)的研究都说明，冷却速度越大，γ相的晶粒度越小。因为冷却速度大时，成核速度也大，WC对相的晶核就来不及长大。但是，低钴合金的γ相晶粒度受冷却速度的影响较小。(2)钴含量钻含量越高，合金中γ相的晶粒度越大，反之那么越细。这时因为钴含量越高，合金中液相所占的体积百分数也越大，WC对相长大的抑制作用就相对减弱了。(3)WC相的粒度WC相晶粒度越大，γ相的晶粒度也越粗(8)，但也有相反的看法(11)。所以这个问题还有待于进一步的研究。(4)碳含量碳含量对相晶粒度的影响明显。越是低碳的合金，γ相的粒度越粗大。因为对低碳合金，相中固溶的WC量较高，而固相WC量相对减少，凝固时γ相就容易长大。γ相晶粒度的影响因素一、硬质合金中的中间相η中间相的影响：WC-Co硬质合金的性能明显地取决于合金的最终成分和结构，对理想碳含量的稍许偏离都会导致出现石墨或缺碳中间相(通常叫η相)，它们的出现会严重地损害硬质合金的物理机械性能和切削性能。中间相的成分：从结构上看，中间相是烧结过程中从钴粘结相中析出的金属间化合物。据研究，在不同温度下会生成许多中间相，如Co3W3C、Co6W6C、Co2W4C、Co4W2C、Co2W、Co3W、Co13W13C4、CoW3C等等，其中最常见的是Co3W3C。中间相的形态：，η相的形态特征是玻璃状的粗大晶粒，并且几乎没有结构缺陷。电子探针分析还说明即使当硬质合金中含有TiC，NbC，TaC等碳化物，相中也不会溶有Ti、Nb、Ta。第二节中间相析出对合金性能的影响硬质合金中中间相的存在对合金的弹塑性强度及韧性等都有不良影响。相损害硬质合金性能的原因可以从以下几个方面来考虑。1.η相本身是一种硬而脆的金属间化合物，且形状不好，多为针状，板条状的粗大晶粒。所以它按粘结相中可以看作是结构上的弱点，容易造成应力集中，事实上，相的存在常会使合金发生脆断，使用寿命下降。2.η相结合着钴而减少了作粘结用途的钴的数量(比方“W3Co3C就可看成是由WC脱碳后夺取钴而形成的)，因此含相的区域局部地被夺去了粘结相，造成了结构弱化区，钴相自由程下降，合金的塑性、韧性也随之降低。3.η相的热膨胀系数(~9×10-6/℃)与WC的热膨胀系数(5~6×10-6/℃)有较大的差异，因此合金在受热或冷却时，相与WC截面上易造成局部应力集中，从而降低合金性能。4.η相的生成会使钴相中钨的含量增加，从而减少钴相的延性。此外，相本身在高度集中的情况下，也易构成一条裂纹扩展的通道。这些都会严重损害合金的断裂韧性。中间相对合金性能的影响一、钴的结构及相变对合金性能的影响在铁，钴，镍这三种性质接近，用途也有密切联系的金属中，钴有一个特殊的性质，即它在417℃左右会发生同素异晶转变。这是一种马氏体相变类型的转变，在相变温度Ms以上，f.c.c.结构的α相是稳定相，在相变温度Ms以下，h.c.P.结构的ε相是稳定相。众所周知，h.c.p.结构金属往往塑性较差，而且h.c.p.结构的ε-c。其c/a之值约等于1.6223，所以ε-Co与α-Co相比独立滑移系少，形变协调性较差，塑性及韧性较低。比方，Greenwood发现(15)，当Co中α相含量从26%降至4%时，试样的延伸率就从50%降至7%。因此，如何抑制这一有害的相变，使尽可能多的α-Co保存到室温，是提高钴性能必须要解决的问题。硬质合金中的钴相，由于溶入了W和C，其α→ε相变的温度和程度会发生一定的变化，但依然会发生。尤其在硬质合金刀具外表那些变形力涉及的部位，钻的α→ε相变更是不可防止，因为塑性变形会大大降低。α-Co在室温的稳定性。这些ε-Co存在无疑会对合金的物理机械性能和耐磨性产生不良影响。因此，如果能有效地抑制这一相变，对全面地提高硬质合金的性能会有重要作用，这在南非，比利时等国进行的研究中已得到证实。第三节钴粘结相结构对合金性能的影响二、钴及钴相的强化关于钴及钴相的强化，人们已做了不少工作，如合金化、弥散强化等。近年来的研究都集中在如何控制-Co→-Co相变这一问题上。1.钴的合金化关于合金元素对钴性能的影响，研究得比较多，其中以Diderrich等的研究较为系统，详细(17)。他们发现，当钴中含有1%的Fe、W、Al、Ti、Zr、Nb和Ta时，α相的含量会有不同程度的增加。而当钴中有6%的Fe、Ti或10%的Ta时。合金中α相含量超过80%。α相含量的增加一般均伴有合金强度与延伸率的改善，但也有例外当钴中含有1%的Ni或W时，虽然α相含量增加，强度和延伸率反而下降；而当含有6%Fe时，虽然合金结构以α相为主，延伸率大大提高，但强度却有所降低。一般认为，某些合金元素之所以能抑制钴的α→ε相变，增加相含量，是因为这些元素与钴形成固溶体后会提高钻的层错能，使h.c.p.结构的相形核发生困难。近年来对钴粘相所做的X衍射结构分析说明，钴相中相含量比纯钴中的要多，而且钴相中α-Co→ε-Co相变的转变沮度也提高到了750℃左右。这说明钴相中溶解的W和WC对-Co有一定的稳定作用。

2.钴的弥散强化在如何实现钻和钴相的弥散强化上，各国学者也做了不少研究工作。Adkins在研究中发现(18)，适当氧化物的参加能改善钴及钴合金的高温抗蠕变