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        硬質合金深冷處理技術最新進展


        引言:硬質合金是一種或多種以高硬度、高彈性模量的難熔金屬化合物(WC,TiC,TaC,NbC等)為基體,以過渡金屬(Co,Ni,Fe等)或合金作粘結劑,通常采用粉末冶金方法制備的多相復合材料,是粉末冶金領域中最典型、最重要的材料制品之一。

          引言:硬質合金是一種或多種以高硬度、高彈性模量的難熔金屬化合物(WC,TiC,TaC,NbC等)為基體,以過渡金屬(Co,Ni,Fe等)或合金作粘結劑,通常采用粉末冶金方法制備的多相復合材料,是粉末冶金領域中最典型、最重要的材料制品之一。

          

         

          硬質合金綜合了硬質相和粘結相的優良性能,從而具有一系列優點,具有很高的硬度(80~94HRA)和耐磨性,尤其在較高的溫度下仍能保持較高的硬度和強度,600℃時硬度超過高速鋼的常溫硬度,1,000℃時硬度高于碳鋼的常溫硬度,強度還能保持在300MPa附近;具有高的彈性模量,通常為400~700MPa;硬質合金具有很高的抗壓強度,能承受大載荷并保持形狀不變,具有低的熱膨脹系數,一般為鋼的50%,具有良好的化學穩定性,比鋼具有更好的抗氧化和抗腐蝕能力。硬質合金成為幾乎所有工業部門和新技術領域中不可獲缺的工模具材料和結構材料。

          熱處理是改善材料組織性能的重要手段, 而深冷處理作為傳統熱處理工藝的擴展和延伸,自20世紀中期以來,在材料熱處理行業中已經得到了廣泛的應用。對于傳統的鋼鐵材料,深冷處理可轉變殘余奧氏體,提高工件的硬度,穩定工件尺寸;可析出超細碳化物,提高工件的耐磨性;可細化晶粒,提高工模具的沖擊韌性;可提高馬氏體不銹鋼的抗蝕性,提高工件的拋光性能等。隨著液氮冷卻技術和絕熱技術的進一步發展與成熟,深冷處理硬質合金也引起國內外的一些工業企業的關注。

          

         

          深冷處理工藝的現狀

          深冷處理通常采用液氮冷卻,可使工件冷卻到-190℃以下。被處理材料的微觀結構在低溫環境下發生變化,某些性能得到提高。深冷處理最初是1939年由前蘇聯人提出,直到20世紀60年代,美國才將深冷處理技術工業實用化,開始主要用于航空領域,70年代擴展到機械制造領域。

          根據冷卻方法的不同可分為液體法和氣體法。液體法即將材料或工件直接浸入液氮中, 使工件驟冷至液氮溫度,且在此溫度下保溫一定時間,然后取出升溫至某一溫度。這種方式升降溫速度很難控制,對工件有較大的熱沖擊,普遍認為很有可能對工件產生損害。深冷設備較為簡單,如液氮罐。氣體法則是通過液氮的氣化潛熱(約199.54kJ/kg)和低溫氮氣吸熱來制冷。氣體法可使深冷溫度達到-190℃,使低溫氮氣與材料接觸,通過對流換熱,使氮氣經噴管噴出后在深冷箱中氣化,利用氣化潛熱及低溫氮氣吸熱作用使工件降溫。通過控制液氮的輸入量來控制降溫速率,可實現對深冷處理溫度的自動可調,精確控制,且熱沖擊作用較小,開裂的可能性也小。目前氣體法在應用中較多的被研究人員認可,其冷卻設備主要是溫度可控的程控深冷箱。深冷處理可以顯著提高黑色金屬、有色金屬、金屬合金等材料的使用壽命、耐磨性及尺寸穩定性,具有可觀的經濟效益和市場前景。

          硬質合金的深冷技術在20世紀八九十年代始見于報道。1981年日本的《機械技術》,1992年美國的《modernmachine shop》等都報道了硬質合金深冷處理后顯著提高了使用性能。從20世紀70年代以來,國外對深冷處理的研究工作卓有成效,前蘇聯、美國、日本等國均已成功利用深冷處理來提高工模具的使用壽命、工件的耐磨性及尺寸穩定性。美國一家工模具公司實際運用結果表明:硬質合金刀片經處理后,其使用壽命提高2~8倍,而硬質合金拉絲模,處理后的修整周期從幾周延長到幾個月。國內在20世紀90年代開展了對硬質合金深冷技術的研究工作,取得了一定的研究成果??傮w來講,目前對于硬質合金深冷處理技術的研究開展的較少,也不夠系統,所得結論也有較多不一致,有待科研人員進一步深入大量地探索。從現有研究資料看,深冷處理主要提高了硬質合金的耐磨性和使用壽命,但對物理性能的影響不明顯。

          

         

          深冷處理的強化機理

          磨損和早期斷裂是工模具的主要失效形式。硬質合金的深冷處理主要應用在工模具上。工模具的磨損主要為粘結磨損和磨粒磨損;早期斷裂主要為韌性不足。因此,對于其強化機理的研究也主要集中在其耐磨性和使用壽命兩方面,但對物理性能的影響不明顯。

          (1)相變強化。

          硬質合金中的Co存在面心立方晶體結構的α相(fcc)和密排六方晶體結構的ε相(hcp)2種晶體結構。ε-Co比α-Co具有較小的摩擦系數,耐磨損性強。在417℃以上α相的自由能較低,所以Co以α相形式存在。在417℃以下ε相的自由能較低,高溫穩定相α相轉變為自由能較低的ε相。但是由于WC粒子及α相中固溶異類原子的存在,對相變有較大的約束力,使得α→ε相變阻力增大,使得溫度降到417℃以下時α相不能完全轉變為ε相。深冷處理可以更大的增加α與ε兩相自由能差,從而增加相變驅動力,增大ε相轉變量。經過深冷處理的硬質合金,一些溶解在Co中的原子,由于溶解度的降低而以化合物的形式析出,可以增加Co基體中的硬質相,阻礙位錯運動,起到第二相粒子強化作用。

          (2)表面殘余應力的強化。

          深冷處理后研究表明,表層殘余壓應力增加。許多研究者認為表層中產生一定值的殘余壓應力可大大提高其使用壽命。硬質合金在燒結后冷卻過程中,粘結相Co受到拉應力,WC粒子受到壓應力,拉應力對Co的損害較大。因此還有研究者認為深冷導致的表層壓應力的增加減緩或部分抵消了粘結相在燒結后的冷卻過程中產生的拉應力,甚至調整成壓應力,減少微裂紋的產生。

          (3)其它強化機理。

          有人認為深冷處理后,基體中形成的η相粒子連同WC 顆粒使得基體變得更緊密更牢固,而且由于η相的形成,消耗了基體中的Co。粘結相Co含量的降低,增加了材料整體的熱導率,碳化物顆粒尺寸和鄰接度的增長也增加了基體的熱導率。由于熱導率的增加,使得工模具尖端的散熱更快;提高了工模具的耐磨性和高溫硬度。還有人認為深冷處理后由于Co的收縮致密,使得Co對WC粒子的把持牢固作用加強。物理學家認為深冷改變了金屬的原子和分子的結構。

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