钢结硬质合金的研究和发展现状

张 煜,赵一生,高志国

(1.内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头 014010;2.深圳职业技术学院,广东深圳 518055; 3.中南大学材料学院,湖南长沙 410083;4.包头钢铁(集团)公司,内蒙古包头 014010)

钢结硬质合金的研究和发展现状

张 煜1,赵一生2,高志国3,4

(1.内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头 014010;2.深圳职业技术学院,广东深圳 518055; 3.中南大学材料学院,湖南长沙 410083;4.包头钢铁(集团)公司,内蒙古包头 014010)

文章从钢结硬质合金的发展历史、性能特征、特点等几方面进行了较为详细的阐述。总结了钢结硬质合金与钢复合工艺研究现状,并就该合金在国民经济重要产业中的广泛应用现状和前景进行了简述。

钢结硬质合金;研究;发展;应用

硬质合金硬度高且耐磨,作为工业的“牙齿”和“拳头”广泛地应用于刀具、模具、凿具、轧辊和地质钻探装置等材料中,它是以难熔金属碳化物为硬质相,以钴作粘结相的一种组合材料。钢结硬质合金是在硬质合金的基础上发展而来的一种新型工模具材料,它是以碳化物、氮化物等作硬质相、钢作粘结相的一种耐磨合金,始于上世纪五十年代末六十年代初。直到上世纪八十年代中期,该合金领域的研究才开始活跃起来。近年来,由于作为硬质合金粘结相的钴稀缺,价格不断上涨,迫使人们寻代新的替代相。用钢作粘结相不仅可以替代钴元素,而且可以兼顾钢的各种性能优势,使得硬质合金由传统的脆性材料向硬质韧性材料转变。促使钢结硬质合金的研究及开发重新得到发展。众所周知,采用粉末冶金工艺制备钢结硬质合金是一种新型材料的制备方法,其性能的好坏不仅取决于材料配方及其配方成分比例,也取决于制备的方法及工艺。钢结硬质合金的硬质相主要赋予材料以高硬度和高耐磨性,它的粘结相可以赋予材料以一系列独特性能。美国、日本、瑞典、俄罗斯等国不断研究开发新的钢结硬质合金品种,取得了不少新的进展。例如拓宽了硬质相及粘结剂的品种,拓宽了钢结硬质合金中硬质相的成分范围,制备工艺更趋多样化,合金综合性能优异,展现了广阔的开发应用前景[1～3]。

1 钢结硬质合金的发展简史

二十世纪五十年代中期,美国铬合金公司烧结铸造分公司先后提出用浸渍和液相烧结的方法制取钢结硬质合金,进行了工业生产。之后,该公司为了满足日益增长的需要,进行了一系列的研制工作,使钢结硬质合金产量逐年提高,品种牌号不断增加,用途日益扩大,1962年开始成吨生产。至1967年,产量以35%的年综合增长率增长[4],1974年,铬合金公司钢结硬质合金的年产量达50 t之多,其用途很快就由工模具方面扩大到高温、腐蚀、高应力等苛刻条件下工作的耐磨零件、机器零件方面。原西德也是研制与生产钢结硬质合金比较早的国家之一。1963年西德的蒂森特种钢厂开始生产Ferro-TiC C牌号合金,以后又陆续创造了一些新牌号,淘汰一些旧牌号。钢结硬质合金在其他国家也有不同程度的发展,1970年荷兰菲利蒲灯泡有限公司的工具与机械制造厂研制并生产了十三种钢结硬质合金牌号。

我国的钢结硬质合金自上世纪六十年代初期研制成功以来,取得了迅速的发展,国内株洲硬质合金集团公司与合肥工业大学在钢结硬质合金的研制领域内技术水平较为领先,其中株洲硬质合金集团公司已经开发并投入生产应用的钢结硬质合金有高速钢钢结硬质合金、高锰钢钢结硬质合金、不锈钢钢结硬质合金、合金钢钢结硬质合金等,而合肥工业大学尤显卿等人则对GJW50等牌号钢结硬质合金性能、热处理工艺的研究尤为深入。

2 钢结硬质合金特点

2.1 钢结硬质合金性能和特征

钢结硬质合金的特征[1,2]如下,这些特性是钢结硬质合金区别于普通硬质合金的重要标志。

1.广泛的工艺特性。钢结硬质合金首要的工艺特性就是可加工性和热处理性,因此,可认为钢结硬质合金是可加工、可热处理的硬质合金。钢结硬质合金另一个重要特性是可锻性,锻造钢结硬质合金时不仅能使其产生变形,而且会改善材料的组织,从而有利于提高其使用性能。

2.良好的物理机械性能。钢结硬质合金本身最主要的性能是在硬化态下具有很高的硬度,其耐磨性与高钴含量的硬质合金相当,甚至更高。此外,钢结硬质合金与普通硬质合金相比具有较高的韧性,与钢相比具有较高的刚性、弹性模量、抗弯强度以及较低的密度、良好的自润滑、高的阻尼特性与固有频率、与钢相近的线膨胀系数和没有钴的半衰期问题等一系列有益的物理性能。

3.优异的化学稳定性。钢结硬质合金具有耐高温、抗氧化、抗各种介质的腐蚀性。

上述特点可以看出:钢结硬质合金综合了钢与硬质合金各自的特点,构成了自己独特的性能,成为介于钢和硬质合金之间的工程材料,从而填补了它们之间的空白。

2.2 钢结硬质合金的基本特点

钢结硬质合金由于组成不同、生产方法不同,其特点亦不相同,一般来说有如下几个基本特点[5]:

1.钢结硬质合金中的硬质相(碳化钨或碳化钛等)一般可占合金总重量的30%～50%,其余部分为钢的基体。由于钢的基体所占比例较大,钢的性质较为明显,因而可进行锻造和热处理等加工工艺。经过粉末混合、压制成形、烧结、锻造、切削加工、热处理等工序后,可得到各种规格、各种形状的钢结硬质合金制品,其韧性指标较普通硬质合金有较大程度的改善,硬度可达到60～70HRC,经过锻造、切削加工和热处理等工艺处理后,可制成各种复杂的模具,其应用范围将更加广泛。

2.钢结硬质合金制品可根据需要进行各种热处理操作,以满足不同模具在使用性能上的要求,特别是经过淬火和回火后,可获得回火马氏体+合金碳化物+均匀分布的硬质相的典型组织,保证了模具材料的强度、硬度、韧性等使用性能要求,同时形成了有效的耐磨面,从而大大提高了钢结硬质合金模具的耐磨性。

3.钢结硬质合金的成分可根据模具的使用性能要求和工艺性能要求进行灵活的调整。作为钢结硬质合金基体和粘结相的钢种可以根据具体需要进行大范围的改变,这种改变有利于在满足模具使用要求的前提下,有效地降低生产成本,提高生产效益。

4.钢结硬质合金模具与合金钢模具相比,虽然价格较高,但模具的使用寿命会提高十几倍到几十倍,可以减少模具用量以及更换模具所需的时间,可以采用镶嵌的方式在模具的关键部位使用,从而降低生产成本,提高产品的加工质量及加工精度。

5.对于有特殊要求的模具和耐磨件,如在要求耐磨的同时又要求耐蚀、耐热、导热、耐氧化等性能时,可通过调整粘结相的基本类型,使其具有不锈钢、耐热钢、耐磨钢、高速钢等特性,同时兼有较好的韧性,以满足不同场合的使用要求。

3 钢结硬质合金与钢复合工艺研究现状

对于普通硬质合金而言,它的粘结相钴是稀贵的战略物资,价格高。如一个直径为254 mm的硬质合金轧辊,其单重就60 kg,仅原材料费就10 000元以上,而且制作这么大的硬质合金轧辊从压制成形到烧结到磨制加工都有一定难度。因此,从降低成本、提高工作性能和使用寿命考虑,人们在不断开发硬质合金的复合技术。但是硬质合金与钢(铁)的物理性能差异悬殊(如线(膨)胀系数二者之比近于1∶2),从而给它们的复合带来相当大的困难。因线(膨)胀系数的差异所引起的残余应力,导致复合工件的破裂,是一个长期困扰材料工作者而又难以根治的症结。为此,研究工作者相继开展了相关的梯度合金的研究和复合材料的开发,如机械复合、熔焊和钎焊复合、扩散复合、梯度硬合金的形成及与钢的复合、硬质合金与铸钢的铸造复合等。对于钢结硬质合金而言,可以利用粉末等离子喷涂、等离子喷焊等。尽管喷涂层的厚度较高,但是结合强度较低。

近年来,人们利用各种先进工艺技术将硬质合金与低成本的金属板成功复合的例证比比皆是,如首都钢铁研究院贾佐诚等人以粉末-钢(铁)金属板复合思想为基础,利用热等静压法[3]成功复合了复合硬质合金轧辊,即在预先烧结好的硬质合金辊环的内孔和端面填充铁基复合粉末,将辊环上需复合铁基材质的表面掩埋,然后封装于热等静压金属包套中,置于热等静压机中处理。在高温高压下,通过包套的变形传压,铁基复合粉末烧结致密,同时硬质合金辊环形成冶金结合。尽管爆炸焊接是能把不同金属部件焊接起来的技术,但对材料的要求是金属复板的冲击韧性不低于20.3 J[6],而钢结硬质合金以及硬质合金的冲击韧性最高也只能达到12 J,远远不足以进行爆炸焊接。利用爆炸冲击成形技术将按照钢结硬质合金牌号配制的混合粉末在预复合的碳钢板上压实成形,然后送往真空烧结炉通过液相烧结技术将粉末转化为合金板,同时利用烧结时的热能使钢结硬质合金板会与碳钢基板扩散复合,从而可解决钢结硬质合金板与碳钢板爆炸复合以及常规焊接技术无法做到的技术难题[7]。纵观上述几种复合工艺方法,热等静压法、爆炸焊接等现代连接技术前景和发展方向应基于特种热过渡层进行焊接,可以实现玻璃、陶瓷等脆性材料和钢铁韧性材料的焊接。

4 钢结硬质合金的应用

钢结硬质合金综合了钢与硬质合金各自的特点,构成了自己独特的综合性能优势,使得它广泛地应用于国民经济和科学研究的许多部门,包括机械工业、电机电器、汽车、拖拉机、机车车辆、电子工业、冶金工业、化学工业、仪表、地质、建材工业、轻工业以及国防军工、航海、航空航天等领域。具体而言,钢结硬质合金可用于制造各种工具模,如冷镦、冷冲、冷挤、引伸、拉拔、剪裁、落料、成形、打印、热镦、热锻、热冲、压铸等;钢结硬质合金还可用于制作耐磨零件和耐磨工具及密封器件等材料,如导位轮、导辊、螺纹套、花键套、送丝轮、轴承、气体轴承、高温轴承的零件、阀门零件、转子发动机刮片、各种泵和管道的密封环等;此外钢结硬质合金也可以用于制作量卡具和钻头、破碎锤头等耐磨件。

5 结 论

国内外许多单位和研究者致力于钢结硬质合金新材料、高技术开发。目前钢结硬质合金作为新型工模具材料广泛地应用于国民经济的生产各行各业。从研究开发角度思考,制备高强韧钢结硬质合金是当前和今后相当长的一段时间的主要发展方向。作为粘结相的钢成分和组织设计是促进这一方向发展的主要手段和突破口。运用现代高端热处理设计软件针对钢成分、组织和力学性能设计和计算是钢结硬质合金新型工模具材料研发核心技术的最佳平台和必由之路。

[1] 贾佐诚,姜伟,张鹏.硬质合金-钢(铁)复合材料的发展[J].粉末冶金工业,2003,13(3):6-9.

[2] 株洲硬质合金厂.钢结硬质合金[M].北京:冶金工业出版社, 1982.1-4.

[3] 陈飞雄,强劲熙,贾佐诚,等.热等静压法制取复合硬质合金轧辊[J].稀有金属材料与工程,1998,27(3):177-181.

[4] 《国外硬质合金》编写组.国外硬质合金[M].北京:冶金工业出版社,1976.404.

[5] 高为国,吴安如.钢结硬质合金模具的热处理工艺及应用[J].湖南工程学院学报,2002,12(3):35-38.

[6] 郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用[M].长沙:中南大学出版社,2002.704-705.

[7] 赵一生,高志国,魏世忠,等.碳钢/钢结硬质合金覆层材料制备及界面分析[J].深圳职业技术学院学报,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

张 煜(1964-),男,副教授,主要从事机械制造研究工作。

2010-08-20