碳化鎢基硬質(zhì)合金

鎢的碳化物具有高的硬度、耐磨性和難熔性。這些合金含有85%--95%的碳化鎢和5%--14%的鈷，鈷是作為粘結(jié)劑金屬，它使合金具有必要的強(qiáng)度。主要用于加工鋼的某些合金中，還含有鈦、鉭和鈮的碳化物。所有這些合金都是用粉末冶金法制造的。當(dāng)加熱到1000--1100℃時(shí)，它們?nèi)跃哂懈叩挠捕群湍湍バ?。硬質(zhì)合金刀具的切削速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了的工具鋼刀具的切削速度。硬質(zhì)合金主要用于切削工具、礦山工具和拉絲模等。

主要的鎢礦有十幾種，我國(guó)主要有兩種;黑鎢礦(鎢錳鐵礦)和白鎢礦(鎢酸鈣礦)。

1.黑鎢礦(FeMn)WO4。顏色有暗灰色、淡紅褐、淡褐黑、發(fā)褐及鐵褐等顏色。半金屬光澤、金屬光澤及樹(shù)脂光澤。通常為葉片狀、彎曲片狀、粒狀和致密狀;也有的呈厚板狀、尖柱狀等單斜晶系晶體，常與白色石英一起以脈絡(luò)的形式充填在花崗巖及其附近的巖石裂縫中。硬度5-5.5，比重7.1-7.5。參差狀斷口。性脆，有弱磁性。黑鎢礦是煉鎢和制造鎢酸鹽類的主要原料。

鎢礦山

鎢礦山

2.白鎢礦CaWO4。顏色為灰白色，也有黃褐、綠和淡紅色等。油脂光澤。它屬正方晶系，形成雙錐狀的假八面體或板狀晶體，晶面有時(shí)可見(jiàn)斜條紋，其中插生雙晶者較為常見(jiàn)。也有的晶體呈皮殼狀、腎狀、粒狀和致密塊狀。硬度4.5-5;比重5.9-6.2。性脆，貝殼狀或參差狀斷口。受熒光燈照射時(shí)，白鎢礦可發(fā)出美麗的淺藍(lán)色熒光。白鎢礦產(chǎn)于我國(guó)江西大余、湖南汝城、安化、臨武、云南文山等地。多成砂礦，

以上鎢礦物可用重選(搖床、跳汰等)、浮選、溜槽、淘重砂法等方法得到黑鎢精礦或白鎢精礦。

無(wú)磁硬質(zhì)合金材料的研發(fā)和生產(chǎn)是新型硬質(zhì)合金材料意義重大的表現(xiàn)。硬質(zhì)合金是以元素周期表第ⅣA、ⅤA、ⅥA族難熔金屬碳化物(如碳化鎢WC)，以鐵族過(guò)渡族金屬(鈷Co、鎳Ni、鐵Fe)作為粘結(jié)相，通過(guò)粉末冶金工業(yè)燒結(jié)而成。以上碳化鎢都是無(wú)磁的，而Fe、Co、Ni都是有磁的，其居里點(diǎn)分別為770℃、1120℃、354℃。其中Ni(鎳)的居里點(diǎn)相對(duì)較低，可以通過(guò)一些方法將其降至室溫以下，用Ni做粘結(jié)劑是制取無(wú)磁合金的必備條件。

獲得WC-Ni系無(wú)磁硬質(zhì)合金有以下方法：

1.嚴(yán)格控制碳含量

WC-Ni合金和WC-Co合金一樣，碳含量是影響W在粘結(jié)相中固容量的主要因素，即合金中碳化合物相的碳含量越低，Ni粘結(jié)相中W的固溶量越大，其變化范圍約在10~31%。當(dāng)W在Ni粘結(jié)相中的固溶量超過(guò)17%時(shí)，合金就呈無(wú)磁性。這種方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)降低碳含量，提高W在粘結(jié)相中的固溶量來(lái)獲得無(wú)磁硬質(zhì)合金。實(shí)際通常采用碳含量低于理論碳含量的WC粉，或在混合料中加入W粉的方法來(lái)達(dá)到生產(chǎn)低碳合金的目的。不過(guò)，單純利用控制碳含量的方法來(lái)制取無(wú)磁合金是非常困難的。

2.添加鉻Cr、鉬Mo、鉭Ta

高碳的WC-10%Ni(wt%重量百分比)合金在常溫下呈鐵磁性，如果以金屬的形式添加0.5%以上的Cr、Mo和1%以上的Ta，可使高碳合金由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)磁性。添加Cr，合金磁性與碳含量無(wú)關(guān)，Cr在合金粘結(jié)相中與W一樣大量固溶的結(jié)果。而添加Mo、Ta的合金只能在一定的碳含量下轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)磁合金。由于Mo、Ta在粘結(jié)相中固溶量較少，大部分Mo、Ta只是奪取WC中的碳形成了相應(yīng)的碳化物或碳化物固溶體，所以合金成分向低碳側(cè)偏移，從而引起W在粘結(jié)相中的固溶量增加。也就是說(shuō)，添加Mo、Ta的方法實(shí)際上還是通過(guò)降低碳含量來(lái)獲得無(wú)磁合金，雖然不如添加Cr容易控制，但比純WC-10%Ni合金在控制碳含量方面相對(duì)容易些，含碳量的范圍由5.8~5.95%拓寬至5.8~6.05%。

3.添加NiB或AI

以含硼1~8的NiB(硼化鎳)為粘結(jié)相，以WC、TiC(碳化鈦)、TaC(碳化鉭)等為硬質(zhì)相，通過(guò)1300~1450℃真空燒結(jié)制成的。當(dāng)粘結(jié)相中硼含量大于8%時(shí)，抗彎強(qiáng)度明顯下降。這種合金之所以能獲得無(wú)磁性，推斷是由于硼在合金粘結(jié)相中固溶而使合金居里點(diǎn)降低，或者是由于硼與WC反應(yīng)生成新的硬質(zhì)相而使合金變成低碳合金的結(jié)果。在WC-Ni系硬質(zhì)合金中添加Al,如成分為WC-0.75%Al-14.25%Ni的合金，這種合金在室溫下呈弱磁性，其抗彎強(qiáng)度為1670MPa，硬度為87.4HRA。

在無(wú)磁合金的生產(chǎn)制備方法中，第二種方法在生產(chǎn)中得到了實(shí)際應(yīng)用。種方法因工藝難以控制，第三種方法因?yàn)樾阅茌^差而沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

就第二種方法來(lái)說(shuō)，雖然可以滿足生產(chǎn)無(wú)磁硬質(zhì)合金的要求，但還存在一些問(wèn)題。碳含量是生產(chǎn)無(wú)磁合金中比較難準(zhǔn)確控制的因素，也是獲得正常性能硬質(zhì)合金的基本前提。W-C-Ni三元系能得到正常組織結(jié)構(gòu)(二相區(qū))的碳成分范圍比較窄，而其中能夠獲得無(wú)磁合金的范圍更窄。在工業(yè)生產(chǎn)條件下，比較難以保證合金組織在二相區(qū)中的無(wú)碳區(qū)。如果希望合金無(wú)磁，往往控制碳含量在二相區(qū)的低碳側(cè)，如果碳含量過(guò)低，就會(huì)析出θ相，從而嚴(yán)重影響合金機(jī)械性能。雖然添加Mo、Ta等合金元素可使合金粘結(jié)相二相區(qū)中無(wú)碳區(qū)的范圍增大，但增寬幅度畢竟有限。

對(duì)于添加Cr生產(chǎn)無(wú)磁合金的方法來(lái)說(shuō)，其磁性不依賴合金碳含量的變化。但是加入Cr3C2(碳化鉻)后合金的強(qiáng)度會(huì)受到影響。生產(chǎn)的無(wú)磁硬質(zhì)合金，無(wú)磁的重要指標(biāo)是磁導(dǎo)率偏高，其機(jī)械性能(強(qiáng)度、硬度、耐磨性等)有待進(jìn)一步提高

鎢大部分用于生產(chǎn)硬質(zhì)合金和鎢鐵。鎢與鉻、鉬、鈷組成耐熱耐磨合金用于制作刀具、金屬表層硬化材料、燃?xì)廨啓C(jī)葉片和燃燒管等。鎢與鉭、鈮、鉬等組成難熔合金。鎢銅和鎢銀合金用作電接觸點(diǎn)材料。高密度的鎢鎳銅合金用作防輻射的防護(hù)屏。金屬鎢的絲、棒、片等用于制作電燈泡、電子管的部件和電弧焊的電極。鎢粉可燒結(jié)成各種孔隙度的過(guò)濾器。FW-1用于大型板坯、鎢錸電偶原料。FW-2用于觸頭合金、高比重屏蔽原料。FWP-1用于等離子噴鍍材料。

鎢粉是加工粉末冶金鎢制品和鎢合金的主要原料。純鎢粉可制成絲、棒、管、板等加工材和一定形狀制品。鎢粉與其他金屬粉末混合，可以制成各種鎢合金，如鎢鉬合金、鎢錸合金、鎢銅合金和高密度鎢合金等。鎢粉的另一個(gè)重要應(yīng)用是制成碳化鎢粉，進(jìn)而制備硬質(zhì)合金工具，如車刀、銑刀、鉆頭和模具等。