鋼結硬質合金的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

張 煜,趙一生,高志國

(1.內蒙古科技大學機械工程學院,內蒙古包頭 014010;2.深圳職業(yè)技術學院,廣東深圳 518055; 3.中南大學材料學院,湖南長沙 410083;4.包頭鋼鐵(集團)公司,內蒙古包頭 014010)

鋼結硬質合金的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

張 煜1,趙一生2,高志國3,4

(1.內蒙古科技大學機械工程學院,內蒙古包頭 014010;2.深圳職業(yè)技術學院,廣東深圳 518055; 3.中南大學材料學院,湖南長沙 410083;4.包頭鋼鐵(集團)公司,內蒙古包頭 014010)

文章從鋼結硬質合金的發(fā)展歷史、性能特征、特點等幾方面進行了較為詳細的闡述?？偨Y了鋼結硬質合金與鋼復合工藝研究現(xiàn)狀,并就該合金在國民經濟重要產業(yè)中的廣泛應用現(xiàn)狀和前景進行了簡述。

鋼結硬質合金;研究;發(fā)展;應用

硬質合金硬度高且耐磨,作為工業(yè)的“牙齒”和“拳頭”廣泛地應用于刀具、模具、鑿具、軋輥和地質鉆探裝置等材料中,它是以難熔金屬碳化物為硬質相,以鈷作粘結相的一種組合材料。鋼結硬質合金是在硬質合金的基礎上發(fā)展而來的一種新型工模具材料,它是以碳化物、氮化物等作硬質相、鋼作粘結相的一種耐磨合金,始于上世紀五十年代末六十年代初。直到上世紀八十年代中期,該合金領域的研究才開始活躍起來。近年來,由于作為硬質合金粘結相的鈷稀缺,價格不斷上漲,迫使人們尋代新的替代相。用鋼作粘結相不僅可以替代鈷元素,而且可以兼顧鋼的各種性能優(yōu)勢,使得硬質合金由傳統(tǒng)的脆性材料向硬質韌性材料轉變。促使鋼結硬質合金的研究及開發(fā)重新得到發(fā)展。眾所周知,采用粉末冶金工藝制備鋼結硬質合金是一種新型材料的制備方法,其性能的好壞不僅取決于材料配方及其配方成分比例,也取決于制備的方法及工藝。鋼結硬質合金的硬質相主要賦予材料以高硬度和高耐磨性,它的粘結相可以賦予材料以一系列獨特性能。美國、日本、瑞典、俄羅斯等國不斷研究開發(fā)新的鋼結硬質合金品種,取得了不少新的進展。例如拓寬了硬質相及粘結劑的品種,拓寬了鋼結硬質合金中硬質相的成分范圍,制備工藝更趨多樣化,合金綜合性能優(yōu)異,展現(xiàn)了廣闊的開發(fā)應用前景[1～3]。

1 鋼結硬質合金的發(fā)展簡史

二十世紀五十年代中期,美國鉻合金公司燒結鑄造分公司先后提出用浸漬和液相燒結的方法制取鋼結硬質合金,進行了工業(yè)生產。之后,該公司為了滿足日益增長的需要,進行了一系列的研制工作,使鋼結硬質合金產量逐年提高,品種牌號不斷增加,用途日益擴大,1962年開始成噸生產。至1967年,產量以35%的年綜合增長率增長[4],1974年,鉻合金公司鋼結硬質合金的年產量達50 t之多,其用途很快就由工模具方面擴大到高溫、腐蝕、高應力等苛刻條件下工作的耐磨零件、機器零件方面。原西德也是研制與生產鋼結硬質合金比較早的國家之一。1963年西德的蒂森特種鋼廠開始生產Ferro-TiC C牌號合金,以后又陸續(xù)創(chuàng)造了一些新牌號,淘汰一些舊牌號。鋼結硬質合金在其他國家也有不同程度的發(fā)展,1970年荷蘭菲利蒲燈泡有限公司的工具與機械制造廠研制并生產了十三種鋼結硬質合金牌號。

我國的鋼結硬質合金自上世紀六十年代初期研制成功以來,取得了迅速的發(fā)展,國內株洲硬質合金集團公司與合肥工業(yè)大學在鋼結硬質合金的研制領域內技術水平較為領先,其中株洲硬質合金集團公司已經開發(fā)并投入生產應用的鋼結硬質合金有高速鋼鋼結硬質合金、高錳鋼鋼結硬質合金、不銹鋼鋼結硬質合金、合金鋼鋼結硬質合金等,而合肥工業(yè)大學尤顯卿等人則對GJW50等牌號鋼結硬質合金性能、熱處理工藝的研究尤為深入。

2 鋼結硬質合金特點

2.1 鋼結硬質合金性能和特征

鋼結硬質合金的特征[1,2]如下,這些特性是鋼結硬質合金區(qū)別于普通硬質合金的重要標志。

1.廣泛的工藝特性。鋼結硬質合金首要的工藝特性就是可加工性和熱處理性,因此,可認為鋼結硬質合金是可加工、可熱處理的硬質合金。鋼結硬質合金另一個重要特性是可鍛性,鍛造鋼結硬質合金時不僅能使其產生變形,而且會改善材料的組織,從而有利于提高其使用性能。

2.良好的物理機械性能。鋼結硬質合金本身最主要的性能是在硬化態(tài)下具有很高的硬度,其耐磨性與高鈷含量的硬質合金相當,甚至更高。此外,鋼結硬質合金與普通硬質合金相比具有較高的韌性,與鋼相比具有較高的剛性、彈性模量、抗彎強度以及較低的密度、良好的自潤滑、高的阻尼特性與固有頻率、與鋼相近的線膨脹系數(shù)和沒有鈷的半衰期問題等一系列有益的物理性能。

3.優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。鋼結硬質合金具有耐高溫、抗氧化、抗各種介質的腐蝕性。

上述特點可以看出:鋼結硬質合金綜合了鋼與硬質合金各自的特點,構成了自己獨特的性能,成為介于鋼和硬質合金之間的工程材料,從而填補了它們之間的空白。

2.2 鋼結硬質合金的基本特點

鋼結硬質合金由于組成不同、生產方法不同,其特點亦不相同,一般來說有如下幾個基本特點[5]:

1.鋼結硬質合金中的硬質相(碳化鎢或碳化鈦等)一般可占合金總重量的30%～50%,其余部分為鋼的基體。由于鋼的基體所占比例較大,鋼的性質較為明顯,因而可進行鍛造和熱處理等加工工藝。經過粉末混合、壓制成形、燒結、鍛造、切削加工、熱處理等工序后,可得到各種規(guī)格、各種形狀的鋼結硬質合金制品,其韌性指標較普通硬質合金有較大程度的改善,硬度可達到60～70HRC,經過鍛造、切削加工和熱處理等工藝處理后,可制成各種復雜的模具,其應用范圍將更加廣泛。

2.鋼結硬質合金制品可根據(jù)需要進行各種熱處理操作,以滿足不同模具在使用性能上的要求,特別是經過淬火和回火后,可獲得回火馬氏體+合金碳化物+均勻分布的硬質相的典型組織,保證了模具材料的強度、硬度、韌性等使用性能要求,同時形成了有效的耐磨面,從而大大提高了鋼結硬質合金模具的耐磨性。

3.鋼結硬質合金的成分可根據(jù)模具的使用性能要求和工藝性能要求進行靈活的調整。作為鋼結硬質合金基體和粘結相的鋼種可以根據(jù)具體需要進行大范圍的改變,這種改變有利于在滿足模具使用要求的前提下,有效地降低生產成本,提高生產效益。

4.鋼結硬質合金模具與合金鋼模具相比,雖然價格較高,但模具的使用壽命會提高十幾倍到幾十倍,可以減少模具用量以及更換模具所需的時間,可以采用鑲嵌的方式在模具的關鍵部位使用,從而降低生產成本,提高產品的加工質量及加工精度。

5.對于有特殊要求的模具和耐磨件,如在要求耐磨的同時又要求耐蝕、耐熱、導熱、耐氧化等性能時,可通過調整粘結相的基本類型,使其具有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、高速鋼等特性,同時兼有較好的韌性,以滿足不同場合的使用要求。

3 鋼結硬質合金與鋼復合工藝研究現(xiàn)狀

對于普通硬質合金而言,它的粘結相鈷是稀貴的戰(zhàn)略物資,價格高。如一個直徑為254 mm的硬質合金軋輥,其單重就60 kg,僅原材料費就10 000元以上,而且制作這么大的硬質合金軋輥從壓制成形到燒結到磨制加工都有一定難度。因此,從降低成本、提高工作性能和使用壽命考慮,人們在不斷開發(fā)硬質合金的復合技術。但是硬質合金與鋼(鐵)的物理性能差異懸殊(如線(膨)脹系數(shù)二者之比近于1∶2),從而給它們的復合帶來相當大的困難。因線(膨)脹系數(shù)的差異所引起的殘余應力,導致復合工件的破裂,是一個長期困擾材料工作者而又難以根治的癥結。為此,研究工作者相繼開展了相關的梯度合金的研究和復合材料的開發(fā),如機械復合、熔焊和釬焊復合、擴散復合、梯度硬合金的形成及與鋼的復合、硬質合金與鑄鋼的鑄造復合等。對于鋼結硬質合金而言,可以利用粉末等離子噴涂、等離子噴焊等。盡管噴涂層的厚度較高,但是結合強度較低。

近年來,人們利用各種先進工藝技術將硬質合金與低成本的金屬板成功復合的例證比比皆是,如首都鋼鐵研究院賈佐誠等人以粉末-鋼(鐵)金屬板復合思想為基礎,利用熱等靜壓法[3]成功復合了復合硬質合金軋輥,即在預先燒結好的硬質合金輥環(huán)的內孔和端面填充鐵基復合粉末,將輥環(huán)上需復合鐵基材質的表面掩埋,然后封裝于熱等靜壓金屬包套中,置于熱等靜壓機中處理。在高溫高壓下,通過包套的變形傳壓,鐵基復合粉末燒結致密,同時硬質合金輥環(huán)形成冶金結合。盡管爆炸焊接是能把不同金屬部件焊接起來的技術,但對材料的要求是金屬復板的沖擊韌性不低于20.3 J[6],而鋼結硬質合金以及硬質合金的沖擊韌性最高也只能達到12 J,遠遠不足以進行爆炸焊接。利用爆炸沖擊成形技術將按照鋼結硬質合金牌號配制的混合粉末在預復合的碳鋼板上壓實成形,然后送往真空燒結爐通過液相燒結技術將粉末轉化為合金板,同時利用燒結時的熱能使鋼結硬質合金板會與碳鋼基板擴散復合,從而可解決鋼結硬質合金板與碳鋼板爆炸復合以及常規(guī)焊接技術無法做到的技術難題[7]。縱觀上述幾種復合工藝方法,熱等靜壓法、爆炸焊接等現(xiàn)代連接技術前景和發(fā)展方向應基于特種熱過渡層進行焊接,可以實現(xiàn)玻璃、陶瓷等脆性材料和鋼鐵韌性材料的焊接。

4 鋼結硬質合金的應用

鋼結硬質合金綜合了鋼與硬質合金各自的特點,構成了自己獨特的綜合性能優(yōu)勢,使得它廣泛地應用于國民經濟和科學研究的許多部門,包括機械工業(yè)、電機電器、汽車、拖拉機、機車車輛、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、化學工業(yè)、儀表、地質、建材工業(yè)、輕工業(yè)以及國防軍工、航海、航空航天等領域。具體而言,鋼結硬質合金可用于制造各種工具模,如冷鐓、冷沖、冷擠、引伸、拉拔、剪裁、落料、成形、打印、熱鐓、熱鍛、熱沖、壓鑄等;鋼結硬質合金還可用于制作耐磨零件和耐磨工具及密封器件等材料,如導位輪、導輥、螺紋套、花鍵套、送絲輪、軸承、氣體軸承、高溫軸承的零件、閥門零件、轉子發(fā)動機刮片、各種泵和管道的密封環(huán)等;此外鋼結硬質合金也可以用于制作量卡具和鉆頭、破碎錘頭等耐磨件。

5 結 論

國內外許多單位和研究者致力于鋼結硬質合金新材料、高技術開發(fā)。目前鋼結硬質合金作為新型工模具材料廣泛地應用于國民經濟的生產各行各業(yè)。從研究開發(fā)角度思考,制備高強韌鋼結硬質合金是當前和今后相當長的一段時間的主要發(fā)展方向。作為粘結相的鋼成分和組織設計是促進這一方向發(fā)展的主要手段和突破口。運用現(xiàn)代高端熱處理設計軟件針對鋼成分、組織和力學性能設計和計算是鋼結硬質合金新型工模具材料研發(fā)核心技術的最佳平臺和必由之路。

[1] 賈佐誠,姜偉,張鵬.硬質合金-鋼(鐵)復合材料的發(fā)展[J].粉末冶金工業(yè),2003,13(3):6-9.

[2] 株洲硬質合金廠.鋼結硬質合金[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1982.1-4.

[3] 陳飛雄,強勁熙,賈佐誠,等.熱等靜壓法制取復合硬質合金軋輥[J].稀有金屬材料與工程,1998,27(3):177-181.

[4] 《國外硬質合金》編寫組.國外硬質合金[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1976.404.

[5] 高為國,吳安如.鋼結硬質合金模具的熱處理工藝及應用[J].湖南工程學院學報,2002,12(3):35-38.

[6] 鄭遠謀.爆炸焊接和金屬復合材料及其工程應用[M].長沙:中南大學出版社,2002.704-705.

[7] 趙一生,高志國,魏世忠,等.碳鋼/鋼結硬質合金覆層材料制備及界面分析[J].深圳職業(yè)技術學院學報,2009,8(3):67-70.

Review of Study and Development of Steel-bonded Cemented Carbide

ZHANGYu1,ZHAO Yi-sheng2,GAO Zhi-guo3,4
(1.Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou014010,China;2.Shenzhen Polytechnic,Shenzhen518055,China;3.Central South University,Changsha410083,China;4.Baogang Group,Baotou014010,China)

The development,properties and characteristic of steel-bonded cemented carbide were investigated.The research about metallurgical combination of steel-bonded cemented carbide and steel plate was generalized.The important applications and prospects of steel-bonded cemented carbide in national economy were reviewed.

steel-bonded cemented carbide;investigation;development;application

TG161

A

1003-5540(2010)05-0039-03

張 煜(1964-),男,副教授,主要從事機械制造研究工作。

2010-08-20