磁场下硬质合金的调研和猜想

上海大学2014-2015学年冬季学期研究生课程考试小论文课程名称：纳米硬质合金制备技术课程编号：10SAV9008论文题目:磁场下硬质合金的调研和猜想研究生姓名:陈旭学号:14721899论文评语:成绩:任课教师:评阅日期:磁场下硬质合金的调研和猜想班号：冶金班姓名：陈旭学号：14721899（上海大学材料科学与工程学院，上海200072）摘要：硬质合金因为其具有高强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等优异的性能，被广泛的应用和关注。通过前人的研究发现，磁场对硬质合金的性能有一定的有利效果，因此本文对其进行探讨，并对磁场对硬质合金影响的实验方案及结果进行假设和猜想。关键词：硬质合金、磁场、凝固ResearchandguessofcarbideinmagneticfieldClass:MetallurgicalclassName:ChenXuStudentnumber:14721899(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:Thecarbideisappliedandfocusedwidelybecauseoftheexcellentproperty,likehighstrength,highhardness,wellabrasiveresistanceandCorrosionresistance.Throughtheresearchofpredecessors,itcanconcludethatmagneticcanmakeagoodinfluenceonthepropertyofcarbide.Thusthispaperdiscussit,assumeandguesstheexperimentalprogramsandresultsoftheimpactofmagnetictocarbide.Keywords:carbide;magnetic;solidification1、前言：1923年，德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%～20%的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。用这种合金制成的刀具切削钢材时，刀刃会很快磨损，甚至刃口崩裂。1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物，改善了刀具切削钢材的性能。这是硬质合金发展史上的又一成就。近二十年来，涂层硬质合金也问世了。1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高25%～50%。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。硬质合金是由难熔金属的硬质化合物(如：WC，TiC，Cr3C2，WC-TiC等)和粘结金属（如：Co，Ni，钢等）通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料[1]。同时硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钴具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求不断加大。并且未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及核能源的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金产品的需求。2、硬质合金的分类：2.1碳化钨（WC）基硬质合金碳化钨（WC）基硬质合金主要成分为WC，主要分为钨钴（WC-Co）类硬质合金（YG类）、钨钛钴（WC-TiC-Co）类硬质合金（YT类）、钨钛钽（铌）钴（WC-C-TaC（NbC）-Co）类硬质合金（YW）等3类。YG类（国际上统称为K类），硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等，主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。与YT类合金相比，有较高的抗弯强度和冲击韧性，同时导热性较好。YT类（国际上统称为P类）由于加人TiC,使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性，抗粘结、抗氧化能力较好，适用于加工钢材，切削时刀具磨损小，耐用度较高。高温时的硬度和抗压强度比YG类高，但YT类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。YW类(国际上统称为M类)硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力，兼具YG、YT类合金的良好性能，特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁[2]。近年，ISO又增设了3类硬质合金[3]:（1）H类，用于切削高硬材料；（2）S类，用于切削高温合金、耐热材料；（3）N类，用于切削有色金属。应当注意的是，立方氮化硼PCBN用于切削淬硬钢，被列入H类。热压聚晶金刚石PCD主要用于切削有色金属，被列入N类。故当今硬质合金已分为K、P、M、H、S、N6大类。2.2碳(氮)化钛基硬质合金TiC（N）基硬质合金是以TiC为主体，以Ni-Mo作粘结剂，不含或少含WC，并添加少量其他碳化物的合金，密度低，硬度高（HRC可达到94~95）。此外，它的抗氧化性好、耐热性好(1000℃以上)及化学性能稳定。与WC基合金相比，TiC（N）在碳化物中硬度最高，对金属的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，高温时硬度降低较小，有较好的耐磨性。TiC（N）基硬质合金的性能介于陶瓷和硬质合金之间，所以又被称为金属陶瓷。由于TiC（N）基硬质合金具有接近陶瓷材料的硬度和耐热性，且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，因此，可以用来作为高速切削加工刀具材料[4]。金属陶瓷刀具材料也存在抗塑性变形性能差（低于WC基合金）、抗磨料磨损性能差等缺点，不适用于加工耐磨材料（如铸铁、纤维玻璃等）和耐热合金。日本在TiC（N）基硬质合金应用方面居世界领先地位，其用量占硬质合金和陶瓷刀具总量的28%。为了解决金属陶瓷材料韧性差的问题，很多学者进行了相关研究，并取得了一定的成效。如日本京瓷（Kyocera）公司研究和使用了TiCN-NbC和TiC-TiN基金属陶瓷，其性能得到了进一步提高；发展了超细晶粒金属陶瓷，其平均晶粒粒径为0.6um，抗弯强度达到2.5GPa；采用PVD涂层技术进一步发展了TiA1N涂层的金属陶瓷，性能高于无涂层陶瓷[5,6]。2.3超细晶粒硬质合金超细晶粒硬质合金是一种高硬度和高强度兼备的硬质合金，由超细晶粒碳化钨即0.5um的WC、金属钴Co、碳化钒VC和碳化铬Cr3C2组成，适合在高速钢刀具耐磨性不够，以及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削速度过低而不宜使用传统硬质合金的情况下使用。超细晶粒硬质合金的WC粒度一般为0.2-1.0um，大部分在0.5um以下，是普通硬质合金WC粒度的几分之一到几十分之一，其硬度一般为90~93HRA，抗弯强度为2000~3500MPa，比含钴量相同的一般WC-Co硬质合金高，与加工材料的相互吸附-扩散作用较小，特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢以及其它难加工材料[7-9]。超细晶粒硬质合金的分类及不同晶粒度的硬质合金刀具切削性能如表1、表2所示。细晶粒合金以前多用于K类，但目前在P类、M类的超细硬质合金中，将朝着WC晶粒更细、亚晶结构缺陷更少、综合性能更高的方向发展。世界各国都很重视细晶粒、超细晶粒硬质合金的研制[11]。日本三菱综合材料株式会社研制的超细晶粒硬质合金牌号有HTi10（K10）、TF15(K20)、SF10(K01)等，其硬度为90.7~93.2HRA，抗弯强度为3.2~4.4GPa；韩国高耐公司（Korloy）的超细牌号有FS1（P10，M25）、FCC（P40）、FA1（K20）等，其硬度为91.2~92.7HRA，抗弯强度为2.5~3.5GPa；我国的株洲、自贡两家硬质合金厂也开展了超细硬质合金的研发工作，获得了晶粒尺寸小于500nm的合金[12,13]。超细晶粒硬质合金由于其晶粒极细，刀刃可以磨得锋利、光洁；同时由于它的强度和硬度都很高，故能长时间保持刀刃有极小的圆弧半径和粗糙度。因此，在加工耐热合金钢时，使用YS2、YM051、YM052、YD05等超细晶粒硬质合金刀具，比采用YT、YG、YW3类普通硬质合金刀具有更好的耐热性和综合耐磨性能。从材料的性能看，目前世界上仅有少数国家能生产出兼具高硬度（HRA90）和高强度（TRS3200MPa）的超细晶粒硬质合金。由于受烧结技术和设备的限制，当前的生产工艺还不能十分有效地抑制烧结过程中纳米晶粒的长大，因此尚未出现粒度达到100nm左右的纯纳米硬质合金制品。人们对超细晶粒硬质合金的研究大多集中在纳米硬质合金粉体制备、烧结工艺优化和晶粒生长抑制剂3个方面。3、磁场的性质特点3.1磁场的分类近年来,材料的电磁加工(ElectromagneticProcessingofMaterials，简称EPM)的研究引起了国内外冶金与材料工作者的极大兴趣。材料电磁加工(EPM)的显著特点是将电磁能以“场”的形式转换为材料制备过程中的热能和动能，对材料的制备工艺、组织和性能产生质的影响。目前材料电磁加工(EPM)过程中使用的电磁场主要有：直流磁场、交流磁场、特殊磁场、直流稳恒强磁场。这些磁场可以单独使用,还可以将几种磁场同时用于某一材料加工过程。（1）直流磁场：这种磁场一般都是由传统的线圈产生，强度一般在0.01-0.1T(特斯拉)之间。其主要作用是控制液态金属流动，一般不起搅拌熔体的作用。例如，作为电磁制动抑制连铸结晶器内钢液的流动、抑制中间包内钢液的紊流等，作为电磁“坝”用于薄带连铸的侧封等，改善冶金质量。（2）交流磁场：交流磁场是材料加工过程中应用最为广泛的一种磁场，其频率从几赫兹到数十兆赫兹。可以通过调整磁场的频率，将交流磁场应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程。交流磁场是控制液态金属传输的有力手段。特殊磁场：其他特殊的磁场主要有移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、节能等新技术工艺的开发。脉冲磁场在瞬间内可以产生几千甚至几万特斯拉的磁场。（3）直流稳恒强磁场：这种由超导线圈产生的高强度直流磁场，是目前新材料制备和材料改性研究的重要手段，同时也是目前研究的热点之一。一般起到强磁场取向、控制液态金属流动、影响材料相变过程等作用。例如强磁场可以提高马氏体转变温度；又例如，作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动；控制材料在结晶凝固过程中晶体生长的形态、大小、分布、取向等等，从而控制材料的组织，开发性能优异的新材料。磁场可分为连续磁场和脉冲磁场两大类。连续磁场又可分为稳恒磁场和时变磁场。一般地讲，磁场的强度大于1T就可以称为强磁场。稳恒强磁场的发生设备主要有电磁铁磁体(ResistiveMagnets)、超导磁体（SuperconductingMagnets，SM），以及兼有电磁铁磁体和超导磁体的混合磁体(HybridMagnets)三种。3.2磁场对物质的影响强磁场己经广泛渗透到物理学、化学和生物学等科学领域中。在材料科学中的应用研究则是近十年才兴起的。稳恒强磁场以下简称强磁场在材料科学中的应用研究主要有四个方面，即磁取向、磁热处理、流体流动的磁控制和磁场对物质扩散的影响[14,15]。（1）磁取向：强磁场中，具有磁各向异性的晶体以不同的晶体轴平行磁场时所受的磁化能不同。当晶体能够自由转动时，将在磁场中受到磁力矩的作用，并发生旋转，直到所受磁化能最小为止。这就是磁场中磁各向异性晶体的旋转取向机制。由于磁各向异性在物质中普遍存在，而且可以通过多种方法感生获得，强磁取向的研