張 煜,趙一生,高志國

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010;2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東深圳 518055; 3.中南大學(xué)材料學(xué)院,湖南長沙 410083;4.包頭鋼鐵(集團(tuán))公司,內(nèi)蒙古包頭 014010)

鋼結(jié)硬質(zhì)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(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古包頭 014010;2.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東深圳 518055; 3.中南大學(xué)材料學(xué)院,湖南長沙 410083;4.包頭鋼鐵(集團(tuán))公司,內(nèi)蒙古包頭 014010)

文章從鋼結(jié)硬質(zhì)合金的發(fā)展歷史、性能特征、特點(diǎn)等幾方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的闡述?？偨Y(jié)了鋼結(jié)硬質(zhì)合金與鋼復(fù)合工藝研究現(xiàn)狀,并就該合金在國民經(jīng)濟(jì)重要產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用現(xiàn)狀和前景進(jìn)行了簡述。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金;研究;發(fā)展;應(yīng)用

硬質(zhì)合金硬度高且耐磨,作為工業(yè)的“牙齒”和“拳頭”廣泛地應(yīng)用于刀具、模具、鑿具、軋輥和地質(zhì)鉆探裝置等材料中,它是以難熔金屬碳化物為硬質(zhì)相,以鈷作粘結(jié)相的一種組合材料。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是在硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)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(zhì)相、鋼作粘結(jié)相的一種耐磨合金,始于上世紀(jì)五十年代末六十年代初。直到上世紀(jì)八十年代中期,該合金領(lǐng)域的研究才開始活躍起來。近年來,由于作為硬質(zhì)合金粘結(jié)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(jié)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(zhì)合金由傳統(tǒng)的脆性材料向硬質(zhì)韌性材料轉(zhuǎn)變。促使鋼結(jié)硬質(zhì)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(jié)硬質(zhì)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(jié)硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相主要賦予材料以高硬度和高耐磨性,它的粘結(jié)相可以賦予材料以一系列獨(dú)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(jié)硬質(zhì)合金品種,取得了不少新的進(jìn)展。例如拓寬了硬質(zhì)相及粘結(jié)劑的品種,拓寬了鋼結(jié)硬質(zhì)合金中硬質(zhì)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(yīng)用前景[1～3]。

1 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的發(fā)展簡史

二十世紀(jì)五十年代中期,美國鉻合金公司燒結(jié)鑄造分公司先后提出用浸漬和液相燒結(jié)的方法制取鋼結(jié)硬質(zhì)合金,進(jìn)行了工業(yè)生產(chǎn)。之后,該公司為了滿足日益增長的需要,進(jìn)行了一系列的研制工作,使鋼結(jié)硬質(zhì)合金產(chǎn)量逐年提高,品種牌號不斷增加,用途日益擴(kuò)大,1962年開始成噸生產(chǎn)。至1967年,產(chǎn)量以35%的年綜合增長率增長[4],1974年,鉻合金公司鋼結(jié)硬質(zhì)合金的年產(chǎn)量達(dá)50 t之多,其用途很快就由工模具方面擴(kuò)大到高溫、腐蝕、高應(yīng)力等苛刻條件下工作的耐磨零件、機(jī)器零件方面。原西德也是研制與生產(chǎn)鋼結(jié)硬質(zhì)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(chǎn)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(jié)硬質(zhì)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(jī)械制造廠研制并生產(chǎn)了十三種鋼結(jié)硬質(zhì)合金牌號。

我國的鋼結(jié)硬質(zhì)合金自上世紀(jì)六十年代初期研制成功以來,取得了迅速的發(fā)展,國內(nèi)株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司與合肥工業(yè)大學(xué)在鋼結(jié)硬質(zhì)合金的研制領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)水平較為領(lǐng)先,其中株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司已經(jīng)開發(fā)并投入生產(chǎn)應(yīng)用的鋼結(jié)硬質(zhì)合金有高速鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金、高錳鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金、不銹鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金、合金鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金等,而合肥工業(yè)大學(xué)尤顯卿等人則對GJW50等牌號鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能、熱處理工藝的研究尤為深入。

2 鋼結(jié)硬質(zhì)合金特點(diǎn)

2.1 鋼結(jié)硬質(zhì)合金性能和特征

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

1.廣泛的工藝特性。鋼結(jié)硬質(zhì)合金首要的工藝特性就是可加工性和熱處理性,因此,可認(rèn)為鋼結(jié)硬質(zhì)合金是可加工、可熱處理的硬質(zhì)合金。鋼結(jié)硬質(zhì)合金另一個重要特性是可鍛性,鍛造鋼結(jié)硬質(zhì)合金時不僅能使其產(chǎn)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(jī)械性能。鋼結(jié)硬質(zhì)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(zhì)合金相當(dāng),甚至更高。此外,鋼結(jié)硬質(zhì)合金與普通硬質(zhì)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(qiáng)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(xué)穩(wěn)定性。鋼結(jié)硬質(zhì)合金具有耐高溫、抗氧化、抗各種介質(zhì)的腐蝕性。

上述特點(diǎn)可以看出:鋼結(jié)硬質(zhì)合金綜合了鋼與硬質(zhì)合金各自的特點(diǎn),構(gòu)成了自己獨(dú)特的性能,成為介于鋼和硬質(zhì)合金之間的工程材料,從而填補(bǔ)了它們之間的空白。

2.2 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的基本特點(diǎn)

鋼結(jié)硬質(zhì)合金由于組成不同、生產(chǎn)方法不同,其特點(diǎn)亦不相同,一般來說有如下幾個基本特點(diǎn)[5]:

1.鋼結(jié)硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)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(zhì)較為明顯,因而可進(jìn)行鍛造和熱處理等加工工藝。經(jīng)過粉末混合、壓制成形、燒結(jié)、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(jié)硬質(zhì)合金制品,其韌性指標(biāo)較普通硬質(zhì)合金有較大程度的改善,硬度可達(dá)到60～70HRC,經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等工藝處理后,可制成各種復(fù)雜的模具,其應(yīng)用范圍將更加廣泛。

2.鋼結(jié)硬質(zhì)合金制品可根據(jù)需要進(jìn)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(jīng)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(zhì)相的典型組織,保證了模具材料的強(qiáng)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(jié)硬質(zhì)合金模具的耐磨性。

3.鋼結(jié)硬質(zhì)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(jìn)行靈活的調(diào)整。作為鋼結(jié)硬質(zhì)合金基體和粘結(jié)相的鋼種可以根據(jù)具體需要進(jìn)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(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效益。

4.鋼結(jié)硬質(zhì)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(guān)鍵部位使用,從而降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品的加工質(zhì)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(dǎo)熱、耐氧化等性能時,可通過調(diào)整粘結(jié)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(jié)硬質(zhì)合金與鋼復(fù)合工藝研究現(xiàn)狀

對于普通硬質(zhì)合金而言,它的粘結(jié)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(zhì)合金軋輥,其單重就60 kg,僅原材料費(fèi)就10 000元以上,而且制作這么大的硬質(zhì)合金軋輥從壓制成形到燒結(jié)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(zhì)合金的復(fù)合技術(shù)。但是硬質(zhì)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(fù)合帶來相當(dāng)大的困難。因線(膨)脹系數(shù)的差異所引起的殘余應(yīng)力,導(dǎo)致復(fù)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(jié)。為此,研究工作者相繼開展了相關(guān)的梯度合金的研究和復(fù)合材料的開發(fā),如機(jī)械復(fù)合、熔焊和釬焊復(fù)合、擴(kuò)散復(fù)合、梯度硬合金的形成及與鋼的復(fù)合、硬質(zhì)合金與鑄鋼的鑄造復(fù)合等。對于鋼結(jié)硬質(zhì)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(jié)合強(qiáng)度較低。

近年來,人們利用各種先進(jìn)工藝技術(shù)將硬質(zhì)合金與低成本的金屬板成功復(fù)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(fù)合思想為基礎(chǔ),利用熱等靜壓法[3]成功復(fù)合了復(fù)合硬質(zhì)合金軋輥,即在預(yù)先燒結(jié)好的硬質(zhì)合金輥環(huán)的內(nèi)孔和端面填充鐵基復(fù)合粉末,將輥環(huán)上需復(fù)合鐵基材質(zhì)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(jī)中處理。在高溫高壓下,通過包套的變形傳壓,鐵基復(fù)合粉末燒結(jié)致密,同時硬質(zhì)合金輥環(huán)形成冶金結(jié)合。盡管爆炸焊接是能把不同金屬部件焊接起來的技術(shù),但對材料的要求是金屬復(fù)板的沖擊韌性不低于20.3 J[6],而鋼結(jié)硬質(zhì)合金以及硬質(zhì)合金的沖擊韌性最高也只能達(dá)到12 J,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以進(jìn)行爆炸焊接。利用爆炸沖擊成形技術(shù)將按照鋼結(jié)硬質(zhì)合金牌號配制的混合粉末在預(yù)復(fù)合的碳鋼板上壓實(shí)成形,然后送往真空燒結(jié)爐通過液相燒結(jié)技術(shù)將粉末轉(zhuǎn)化為合金板,同時利用燒結(jié)時的熱能使鋼結(jié)硬質(zhì)合金板會與碳鋼基板擴(kuò)散復(fù)合,從而可解決鋼結(jié)硬質(zhì)合金板與碳鋼板爆炸復(fù)合以及常規(guī)焊接技術(shù)無法做到的技術(shù)難題[7]?？v觀上述幾種復(fù)合工藝方法,熱等靜壓法、爆炸焊接等現(xiàn)代連接技術(shù)前景和發(fā)展方向應(yīng)基于特種熱過渡層進(jìn)行焊接,可以實(shí)現(xiàn)玻璃、陶瓷等脆性材料和鋼鐵韌性材料的焊接。

4 鋼結(jié)硬質(zhì)合金的應(yīng)用

鋼結(jié)硬質(zhì)合金綜合了鋼與硬質(zhì)合金各自的特點(diǎn),構(gòu)成了自己獨(dú)特的綜合性能優(yōu)勢,使得它廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究的許多部門,包括機(jī)械工業(yè)、電機(jī)電器、汽車、拖拉機(jī)、機(jī)車車輛、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、儀表、地質(zhì)、建材工業(yè)、輕工業(yè)以及國防軍工、航海、航空航天等領(lǐng)域。具體而言,鋼結(jié)硬質(zhì)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(jié)硬質(zhì)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(dǎo)位輪、導(dǎo)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(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)刮片、各種泵和管道的密封環(huán)等;此外鋼結(jié)硬質(zhì)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(jié) 論

國內(nèi)外許多單位和研究者致力于鋼結(jié)硬質(zhì)合金新材料、高技術(shù)開發(fā)。目前鋼結(jié)硬質(zhì)合金作為新型工模具材料廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)各行各業(yè)。從研究開發(fā)角度思考,制備高強(qiáng)韌鋼結(jié)硬質(zhì)合金是當(dāng)前和今后相當(dāng)長的一段時間的主要發(fā)展方向。作為粘結(jié)相的鋼成分和組織設(shè)計(jì)是促進(jìn)這一方向發(fā)展的主要手段和突破口。運(yùn)用現(xiàn)代高端熱處理設(shè)計(jì)軟件針對鋼成分、組織和力學(xué)性能設(shè)計(jì)和計(jì)算是鋼結(jié)硬質(zhì)合金新型工模具材料研發(fā)核心技術(shù)的最佳平臺和必由之路。

[1] 賈佐誠,姜偉,張鵬.硬質(zhì)合金-鋼(鐵)復(fù)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(zhì)合金廠.鋼結(jié)硬質(zhì)合金[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1982.1-4.

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

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

[5] 高為國,吳安如.鋼結(jié)硬質(zhì)合金模具的熱處理工藝及應(yīng)用[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報,2002,12(3):35-38.

[6] 鄭遠(yuǎn)謀.爆炸焊接和金屬復(fù)合材料及其工程應(yīng)用[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2002.704-705.

[7] 趙一生,高志國,魏世忠,等.碳鋼/鋼結(jié)硬質(zhì)合金覆層材料制備及界面分析[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)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(jī)械制造研究工作。

2010-08-20