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硬质合金的其他性能

时间:2015-06-30 07:12:57来源:本站人气:955

       硬质合金的其他性能如导热性、线胀系数、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、冲击韧性、耐磨性的测定,在某些情况下有着实际意义。同时,了解硬质合金的这些性能对于进一步研究硬质合金的本质以及其在使用过程中的行为大有裨益。

      1.常温性能
      (1)导热性  导热性表示合金传导热量的能力。导热性的测量比较困难,因为物体的绝热比较困难。
      硬质合金的导热性对切削加工有着重要意义。在加工短屑材料(如铸铁)时,要求刀具有较好的导热性,以防由于刀尖过热而产生软化。在加工长切屑材料(如普通钢材)时,则要求刀具有较低的导热性,以便使切削时产生的热量大部分传到切屑上,促使切屑软化而有利于切削过程的进行。但矛盾的双方无不在一定条件下互相转化。在加工高强度钢、耐热合金等难加工材料时,由于其强度高,黏性大,因而切削温度高,此时则要求刀具有较好的导热性,以减少刀具材料硬度和强度的降低。目前多选用YG类或含有其他碳化物添加剂的YG类合金作为切削难加工材料的刀具材料。
      硬质合金各牌号的热导率如表29-19。

    由于碳化钛的热导率比碳化钨低,所以WC-TiC-Co合金的热导率比WC-Co合金低,且随碳化钛含量的增高而下降。除了合金成分之外,热导率还与其组织结构有着甚为密切而复杂的关系。一般而言,硬质合金成分的复杂化,组织结构的变化(如晶粒的细化、组织中出现第三相等)均会导致合金热导率的降低。

    (2)线胀系数  线胀系数表示材料在受热过程中的体积稳定性。它对刀具的镶焊有着重要的影响。焊接时由于刀头与刀体材料的线胀系数不同,冷却后便产生焊接应力。如果刀头材料的强度不足,这种应力会导致刀头产生裂纹。虽然WC-Co合金的线胀系数比WC-TiC-Co合金低,但由于WC-Co合金具有较高的强度,所以它在焊接时产生裂纹的倾向性要比WC-TiC-Co合金小。
    各种牌号合金的线胀系数如表29-20所示。

     WC-Co合金的线胀系数随着钴含量的升高而增大,WC-TiC-Co合金线胀系数则随碳化钛含量的增多而增高。物体的热胀是由于加热时原子间的距离增大所引起的,它只表征原子间结合力的性质,而不表征晶体组织间的性质,所以线胀系数是非组织敏感的。硬质合金组织结构的微小变化不会引起其体积的变化,因此也不会导致其线胀系数的变化。

    (3)弹性模量  弹性模量表示材料抵抗弹性变形的能力。硬质合金在承受弹性载荷的情况下(如硬质合金轧辊,精密镗杆和顶锤等),测量弹性模量具有实际意义。各牌号合金的弹性模量见表29-21。


WC-Co合金的弹性模量随着钴含量升高而降低,WC-TiC-Co合金的弹性模量则随着碳化钛和钴含量的升高而下降。弹性模量与线胀系数一样,也是非组织结构敏感的。纯金属与其他金属或非金属形成合金,会导致弹性模量的降低。同样,以一种碳化物为基与其他碳化物形成固溶体,则会降低基体碳化物的弹性模量。在WC-Co合金中,其弹性模量主要取决于碳化钨骨架的刚性。碳化钨晶粒的细化并不能提高合金的弹性模量(表29-22),而加入其他碳化物,由于它与碳化钨形成固溶体而使整个合金的弹性模量降低。同样,合金成分的复杂化,必定降低合金的弹性模量。
     (4)抗压强度抗压强度表示材料抵抗压缩载荷的能力。硬质合金的抗压强度为迄今组合材料中最大者,因此,被广泛地应用在高压技术中(如人造金刚石用的顶锤等)。
WC-Co合金的抗压强度随着钴含量的增加而降低,而随着碳化钨晶粒尺寸的减小而升高。
      一般认为,钴含量为4%~5%的合金抗压强度最高,但试验表明,在钴含量3%~6%,合金的抗压强度总是随着钴含量的增加而下降(图29-29)。
       当试样承受压缩载荷时,首先产生弹性变形,断裂前往往产生相当明显的塑性变形。低钴合金金和细晶粒合金有较高的弹性变形阻力。所以有较高的抗压强度。从这个意义上说,它与合金的弹性模量有相似的意义。
       添加少量的其他碳化物[如碳化钽(铌),碳化钒等],由于有细化碳化钨晶粒的作用,故能提高合金的抗压强度。但添加过多反而会导致抗压强度的化钨骨架的刚性,从而降低对弹性变形的阻力。同理,在钴含量相同的情况下,WC-TiC-C合金的抗压强度比WC-Co合金为低。添加少量的其他碳化物[如碳化钽(铌),碳化钒等],由于有细化碳化钨晶粒的作用,故能提高合金的抗压强度。但添加过多反而会导致抗压强度的降低(表29-23),这是由于过多的添加剂会降低碳化钨骨架的刚性,从而降低对弹性变形的阻力。同理,在钴含量相同的情况下,WC-TiC-C合金的抗压强度比WC-Co合金为低。

    (5)抗拉强度  抗拉强度是材料承受拉伸应力的能力。在合金承受拉力作用时(如大孔径拉拔模具、冲模和高压缸套等),必须考虑合金的抗拉强度。硬质合金的抗拉强度一般仅为抗弯强度的40%~60%,故在上述情况下都须考虑镶套,以弥补合金抗拉强度之不足。显然,提高合金抗弯强度的因素都会提高合金的抗拉强度,反之亦然。
    由于硬质合金抗拉强度较一般的金属材料稍高,而硬度更高,测定时试验机的夹头容易损坏,而且抗拉试样的制作(比其他试样)较为困难,因此,在生产检验和试验中,很少测定硬质合金的抗拉强度。

    (6)韧性  韧性一般表示材料在破断前吸收能量和进行塑性变形的能力,通常用冲击值的大小来衡量(称为冲击韧性)。也可以用拉力试验所描绘的应力一应变曲线以下的面积来衡量。硬质合金一般不作抗拉试验,但在测定硬质合金抗弯强度时,用断裂应力和变形大小的乘积亦可表示韧性的大小。当硬质合金承受冲击载荷作用时(如在冲击凿岩工具中),测定其冲击韧性则有着重要意义。
    当合金试样冲击破断时,碳化物是解理断裂,碳化物晶粒间是边界断裂,在胶结金属中则为剪切断裂。一般说来,解理断裂量随着碳化物晶粒度的增大而增加,边界断裂量随碳化物晶粒度增大而减少,而剪切断裂量则随着胶结金属含量的增加而增加。作为断裂时试样中所吸收的能量主要是钴相剪切、变形直至断裂所需要的能量,解理断裂和边界断裂所吸收的能量是很少的。可见,合金的韧性主要取决于钴层厚度和钴相性能。增加合金的钴含量或增大碳化钨晶粒尺寸以及增加钴相的塑性等都可以提高合金的韧性(表29-24)。

应当指出,硬质合金冲击韧性值波动很大(甚至同一批试样也是如此),这是由于合金脆性很大引起的。冲击韧性的绝对值与试验方法有很大关系,因此,仅仅用同一仪器来比较形状和尺寸相同的样品冲击韧性才有意义。

      2.硬质合金的高温性能
      硬质合金工具通常都在较高的温度下工作,因此只研究其室温下的性能显然是不够的,还必须研究其在高温下的性能,才能更确切地评定合金的性能及其在使用时的行为。
      (1)高温硬度  硬质合金的硬度随着温度的升高而降低。在800℃以下,各种牌号硬质合金的硬度随着温度升高而呈直线下降(图29-30、图29-31)。在800℃时合金的硬度相当于常温硬度的二分之一。在800℃以上,随着温度升高,合金硬度下降的速度较快。据报道,当温度升到1000℃时,其硬度约为常温硬度的四分之一。当温度升到1200℃后,合金的硬度极低,而且各种牌号合金的硬度几乎没有什么差别。在高温下,钴相已经软化,硬质合金的硬度主要取决于碳化物相的硬度。由单一碳化物制得的合金,在高温下硬度下降较快;而由复式碳化物制成之合金,由于碳化物之间形成固溶体使碳化物相本身受到强化,因而在高温下软化较慢,这就是在高温下WC-TiC-Co合金的硬度比WC-Co合金高的原因。碳化物相成分越复杂,合金的高温硬度越高。因此,在WC-Co合金或WC-TiC-Co合金中添加能与碳化钨形成固溶体的其他碳化物,都能提高合金的高温硬度。


(2)高温抗弯强度  在400℃以下,WC-Co合金的抗弯强度实际上与常温时相同。对于含钴量较低的合金而言,在800℃以下的温度范围内,其抗弯强度随着温度的变化较小。而对
于含钴量较高的合金来说,当温度超过400℃以后,其抗弯强度显著下降(图29-32)。温度升高到800℃以后,不同钻含量的合金的强度差别则逐渐缩小。WC-TiC-Co合金抗弯强度随温度的变化较小,YT30合金即使在1000℃的高温下仍具有常温下的抗弯强度值(表29-25)。

      硬质合金的高温强度主要取决于碳化物骨架的强度。在低温下,钴相的性能对合金强度影响较大,因为在低温下碳化物骨架的脆性较大,断裂裂纹的伸展主要靠钴相的塑性变形来阻碍。而在高温下,碳化物骨架的塑性增大,而此时钴相已经软化,裂纹的伸展可由碳化物骨架内晶粒的塑性变形而受到阻碍。这就是不同含钴量的合金在高温下的强度差别缩小的原因,也是WC-TiC-Co合金在高温下具有较(WC-Co合金)高强度的原因。如果在WC-Co或WC-Ti-Co合金中加入与碳化钨形成固溶体的其他碳化物,使碳化物骨架受到强化,降低碳化物骨架在高温下的软化速度,那么,就可以提高合金的高温强度或者使合金强度随温度升高下降较小。

     (3)抗氧化性  硬质合金在低于700℃下于空气中加热时氧化较少,但在800℃时却急剧氧化,在其表面上形成一层疏松的氧化产物。将氧化物除去,称量合金试样质量损失可表示合金抗氧化性的高低,或者采用试样氧化后质量的增加作为抗氧化性的指标。
       硬质合金在不同温度下的氧化损失见表29-26。


温度越高,氧化越严重。WC-TiC-Co合金比WC-Co合金抗氧化性高,其抗氧化能力随合金中碳化钴含量增多而提高。

     3.硬质合金的耐磨性
      耐磨性表示材料抵抗摩擦或磨损的能力。耐磨性的测定对评定合金的使用性能有一定的意义,因为合金刀具或工具在大多数情况下是由于磨损而报废的。
      硬质合金耐磨性的测定可采用喷砂法、干式或湿式摩擦法。采用摩擦法时,磨损的大小可用相对磨损,体积磨损或相对体积磨损三种方式表示。
      试样与碳化硼摩擦时的耐磨性随合金钴含量的增加而下降,而与钢材(1X18H9T)直接摩擦时的耐磨性则情况较为复杂,在这种情况下,含钴量为10%的合金有较高的耐磨性,而含钴量为30%的合金的耐磨性最低(表29-27),这可能与合金的强度和硬度的配合有关。在摩擦试验中,比较完善的方法是合金试样与旋转圆盘的摩擦法。采用这种方法时,在试样上形成的小凹穴的大小可以表征试样耐磨性的高低,以单位摩擦路程磨去之试样体积(mg3/km)或以磨去单位重量所需要作的摩擦功(kgf·m/mg)来表示,通常用后一种方法表示。显然在这种情况下,摩擦功愈大,耐磨性愈高。旋转圆盘上可以放置各种钢材、铸铁以及各种切削对象。某些牌号硬质合金与45号钢摩擦时,其耐磨性与摩擦线速度的关系如图29-33所示。从图中可以看出,高速钢在50m/min的速度下具有最大的耐磨性,YG8、YTl5、YT30和YT60合金的耐磨性分别80m/min、240m/min、160m/in和180m/min的速度下具有最大值。摩擦速度的增大或减少均会导致耐磨性的降低。

     摩擦过程与切削过程一样,是一个非常复杂的综合过程。在摩擦的情况下,既要考虑试样材料和摩擦材料的强度和摩擦过程中的温度的作用,又要考虑试样材料和摩擦材料的强度与温度的关系。一般说来,硬质合金摩擦时的耐磨性可以认为是显微强度,即用颗粒问的黏结强度表征。在不太高的温度下,亦即在不太大的摩擦速度下,合金的机械强度起着很大作用,因此较高的合金强度应该具有较高的耐磨性。随着摩擦速度的提高,温度升高,摩擦材料随之软化,而硬质合金的强度改变较小,所以其耐磨性随着摩擦速度的提高而提高,当摩擦速度达到一定值时,摩擦材料达到较大的软化,而硬质合金在此温度下仍具有较高的强度时,便出现了最大的耐磨性。当继续增大摩擦速度时,虽然摩擦材料继续软化,但此时硬质合金的强度(和硬度)亦有较大的降低,所以其耐磨性随摩擦速度的增大而降低。正出于这个原因,YT3D、YT60适用于钢材的高速切削,高速钢只适合于低速切削。YG8合金尽管具有较高的强度,但与钢材摩擦时其耐磨性是比较低的,因此,不适用于钢材的切削。

     测定耐磨性的方法不同,各牌号合金的耐磨性顺序亦不相同,这是由于试验方法不同而改变磨损机理所致。当采用疲劳研磨的方法测定合金耐磨性时,发现合金的耐磨性不但与合金的强度有关,而且与合金的组织结构有关(表29-28)。



看来,耐磨性是合金强度、硬度和合金组织结构的综合反映,而不是单纯地取决于合金的硬度或强度。

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