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  • 超級硬質合金系列一《超級硬質合金是什么?》


    高溫合金中,錸效應的深層作用機理比較復雜,至今為止材料科學家們還未完全掌握,仍處于探索階段。但就高溫合金中對錸的添加實施結果而言,有一點是十分確定的,那就是錸的添加,能顯著的提高包含鐵系、鎳系、鈷系在內的高溫合金材料的強韌度和抗高溫變形能力。

    “超級硬質合金”最早是由國內難熔金屬及硬質材料領域資深創新創業家、十四五規劃重點新材料領軍人物、湖南錸因集團、金剛精工品牌創始人秦寒梅女士主導并于2021年創新性提出,是集高強、高溫、高硬等優異性能于一身的新型高性能硬質合金材料發展概念。要搞懂什么是超級硬質合金材料,先來分析和了解一下“超級合金”和“硬質合金”兩種材料之間的差異性、互補性和在特定的應用領域里須具有的邏輯關聯性。

     

    超級合金

    高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基礎,添加有其它多種難熔金屬組分,能在700℃(甚至1000℃)以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類合金材料。高溫合金具有優異的高溫強度,良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能,良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能,因此被稱為“超級合金”,主要應用于航空航天驅動領域和能源領域。

    氧化和腐蝕是金屬材料的軟肋。在高溫條件下,金屬的氧化腐蝕反應將大大加速,金屬表面會變得粗糙,影響其準確性和強度,甚至會報廢零件。如果它在腐蝕性介質(高溫和高壓汽油燃燒后的氣體中的磷,硫和釩)的高溫條件下工作,腐蝕效果將更加明顯,因此高溫合金必須具有較高的抗氧化性和抗腐蝕性。

    在高溫下運行的合金還必須具有足夠的抗蠕變性能(抗蠕變性能即指固體材料在一定應力下抵抗緩慢且連續變形的能力),以確保它們在經受一定的溫度和應力條件下進行長時間工作,總變形仍能保持在一定的公差范圍內。

    高溫合金在高溫條件下或在交替溫度條件下工作,比常溫下更容易發生疲勞破壞,或由于工作期間反復的快速冷熱變化而引起相當大的熱應力。因此高溫合金必須具有良好的抗疲勞性(抗疲勞性即指在長期變化的載荷下,材料或零件抵抗突然斷裂或失效的能力)。

    基于難熔金屬的熔點普遍在2000℃以上(W鎢熔點3400℃,Re錸3180℃,Ta鉭2996℃,Mo鉬2615℃,Nb鈮2415℃)這一特點,為了滿足最新一代具有大推重比、大運載能力的高科技航空航天裝備的需求,適用于制造在高溫、高應力環境中工作的航空、航天飛行器發動機核心組件,意味著高溫合金需要在1500℃以上的極高燒蝕性環境中服役。這就要求在高溫合金中必須添加大量的難熔金屬元素進行材料強化。其中,在上述五個(鎢、錸、鉬、鉭、鈮)最具代表性的難熔元素中,錸元素的添加效果最為顯著,發揮出的“錸效應”是所有包含鐵系、鎳系、鈷系在內的高溫合金材料中最為顯著的“壯骨強筋”效應。

     

    硬質合金

    硬質合金是以一種或幾種難熔金屬碳化物(碳化鎢、碳化鈦等)的粉末為主要成分,加入作為粘結劑的金屬粉末(鈷、鎳等),經粉末冶金法而制得的合金。硬質合金的基體由兩部分組成:一部分是硬質相;另一部分是粘結相。

    硬質相一般是元素周期表中的過渡金屬碳化物,如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭等。它們的硬度很高,熔點在2000℃以上,有的甚至超過4000℃。此外,過渡金屬的氮化物、硼化物和硅化物具有相似的性質,也可以作為硬質合金中的硬化相。硬質相的存在決定了硬質合金極高的硬度和耐磨性。而粘結相即結合金屬,一般為鐵族金屬,常用的有鈷和鎳。

    1923年,德國的施萊特(Schreiter)在碳化鎢中添加了10%的鈷,作為碳化鎢粉末的粘合劑,從而發明了一種碳化鎢和鈷的新合金,其硬度僅次于金剛石,開始被稱之為“硬質合金”。1929年,美國的施瓦茨科夫(Schwarzkov)在原有硬質相成分中添加了一定數量的碳化鎢和碳化鈦的復合碳化物,從而進一步改善了刀具切削鋼的性能,這是硬質合金發展史上的又一成就。

    硬質合金具有一系列優異的性能,例如高硬度,耐磨性,高強度,耐熱性和耐腐蝕性,尤其是其高硬度和耐磨性,即使在500℃的溫度下也基本保持不變,在1000℃時也具有很高的硬度。硬質合金被廣泛用作切削鋼件,不銹鋼,耐熱合金,鑄鐵,有色金屬,塑料,化纖,石墨,玻璃,石材和其它難加工材料的刀具材料,例如車刀,銑刀,刨床,鉆頭,絲錐,鏜刀等。選擇硬質合金用于切削難加工材料,也是具有很高的性價比優勢,例如耐熱不銹鋼,高錳鋼,工具鋼,高溫合金,鈦合金,甚至很多難熔金屬合金(如鎢、鉬、鉭、鈮等等)?,F在,新型硬質合金刀具的切削效率,已經達到碳鋼的數百倍,高速鋼的數十倍,是目前市場上最普遍使用的切削刀具主流材料,市場占有份額高達70%以上。

    硬質合金還可用于制造鑿巖工具,采礦工具,鉆孔工具,量具,易損件,金屬磨削工具,氣缸套,精密軸承,噴嘴等。涂層硬質合金已經面世近二十年,1969年,瑞典成功開發了碳化鈦涂層刀具,刀具的基礎是鎢鈦鈷硬質合金或鎢鈷硬質合金。表面碳化鈦涂層的厚度只有幾微米,但與同等級的合金工具相比,使用壽命延長了3倍,切割速度提高了25%至50%。第四代涂層刀具出現在1970年代,用于切削難加工的材料。

     

    超級合金+硬質合金=超級硬質合金

    下面要闡述的,就是本文的材料創新核心觀點:

    高溫合金中,錸效應的深層作用機理比較復雜,至今為止材料科學家們還未完全掌握,仍處于探索階段。但就高溫合金中對錸的添加實施結果而言,有一點是十分確定的,那就是錸的添加,能顯著的提高包含鐵系、鎳系、鈷系在內的高溫合金材料的強韌度和抗高溫變形能力。

    硬質合金的制造工藝流程,是將原料(硬化相和粘結相)按照指定的組成比例進行混合,添加酒精或其他介質,在濕式球磨機中濕磨,以便將它們粉碎并充分混合、干燥、篩分,得到的混合物再添加諸如石蠟或膠質,然后干燥并通過篩分、造粒等改善流動性的處理,利用粉末冶金方法通過壓力和模具壓制成型,并加熱至接近粘結相金屬熔點的溫度(1300至1500℃)時(這一過程叫做燒結),硬化相與粘結相金屬形成共晶合金。冷卻后,硬化相分布在相互緊密連接以形成固態整體的結合金屬網格中。硬質合金的硬度取決于硬化相的含量和晶粒尺寸,即硬化相的含量越高,晶粒越細,則硬質合金硬度越大;硬質合金的韌性由結合金屬決定,結合金屬含量越高,剛度越高,則硬質合金抗彎強度越大。

    單就原料成分配比而言,在硬質合金中,硬質相和粘結相的含量是此消彼長的關系,換言之,如要使得硬質相的含量增高,硬度和耐磨度提高,則勢必會降低粘結相金屬的含量,從而降低硬質合金的整體強度;反之,如要使粘結相金屬的含量增高,從而讓強度得到提高,則勢必會降低硬質相的含量,從而降低硬質合金的硬度和耐磨度。所以,一般情況下,硬質合金的兩項重要性能指標:硬度和強度,就如同蹺蹺板一樣,很難兩全。

    “超級硬質合金”材料概念的推出,就很好地解決了這一問題。它是利用了這個“錸效應”的共性特點,將超合金的高強度、高耐溫、高耐熱腐蝕的優點創造性地移植到傳統的硬質合金材料里面,對硬質合金里原有的粘結相金屬(鐵、鈷、鎳系)進行一番“錸效應”的強化,從而達到讓硬質合金的硬度和強度指標“雙高雙飛”的效果。

     

    超級硬質合金的應用場景

    超級硬質合金目前主要有兩大應用方向:①用于制造高速切削和專門加工應對硬、韌等難加工材料的切削刀具、刃具;②用來制作高速及高精密沖壓模具、冷鐓模、拉伸模,量具和耐受沖擊、振動的高耐磨零件;

    超級硬質合金的應用場景

    在機加工行業中主要的被切削加工金屬材料類型有有P、M、K、N、S、H六類,分別代表的是:P類普通鋼件,M類不銹鋼及鑄鋼,K類鑄鐵,N類銅鋁等有色金屬,S類以耐熱不銹鋼、特殊鋼、鈦合金、難熔合金、高溫合金為典型代表的難加工材料,H類淬硬鋼、硬材。其中最難加工的是S類難加工材料,它對刀具材質的耐磨性,紅硬性提出更高更苛刻的要求,普通的硬質合金刀具難以滿足其加工要求。

    錸因精工采用將超級合金的高強、高耐溫和硬質合金的高硬、高耐磨兩種優勢進行巧妙的移植融合,從而在國內首創“超級硬質合金”的新材料概念。金剛精工的研發人員通過在傳統鎢鈷系和鎢鈷鈦系硬質合金中添加錸、釕、鋨等稀有難熔元素組分進行研究,發現不僅顯著抑制WC晶粒的異常長大,同時對于鈷粘結相也起到明顯固溶強化的效果,在一定程度上提升了合金的硬度,同時也大幅提高了合金的強韌度和紅硬性,降低了硬質合金熱傳導性以保證切削中熱量最小程度向刀體傳遞。另外,釕、錸、鋨等元素的添加還可以提高WC-Co系硬質合金在酸性溶液中的耐腐蝕性能,降低腐蝕速率。

    在以上比較優勢的綜合影響下,金剛精工通過大量的切削應用實驗證明:一般針對M、H類,尤其是S類難加工材料的工件來說,用添加錸、釕、鋨等稀有難熔元素組分的超級硬質合金材質制造的高性能切削刀具,其切削效率、使用壽命和性價比,比起普通常規材質牌號的硬質合金刀具而言,能顯著提升2~3倍。

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