ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬的碳化物、氮化物、硼化物等,由于硬度和熔點特別高,統稱為硬質合金。下面以碳化物為重點來說明硬質含金的結構、特征和應用。[1]
硬質合金刀具
ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬與碳形成的金屬型碳化物中,由于碳原子半徑小,能填充于金屬晶格的空隙中并保留金屬原有的晶格形式,形成間隙固溶體。在適當條件下,這類固溶體還能繼續溶解它的組成元素,直到達到飽和為止。因此,它們的組成可以在一定范圍內變動(例如碳化鈦的組成就在TiC0.5~TiC之間變動),+化學式不符合化合價規則。當溶解的碳含量超過某個極限時(例如碳化鈦中Ti︰C=1︰1),晶格型式將發生變化,使原金屬晶格轉變成另一種形式的金屬晶格,這時的間充固溶體叫做間充化合物。
金屬型碳化物,尤其是ⅣB、ⅤB、ⅥB族金屬碳化物的熔點都在3273K以上,其中碳化鉿、碳化鉭分別為4160K和4150K,是當前所知道的物質中熔點最高的。大多數碳化物的硬度很大,它們的顯微硬度大于1800kg·mm2(顯微硬度是硬度表示方法之一,多用于硬質合金和硬質化合物,顯微硬度1800kg·mm2相當于莫氏一金剛石一硬度9)。許多碳化物高溫下不易分解,抗氧化能力比其組分金屬強。碳化鈦在所有碳化物中熱穩定性最好,是一種非常重要的金屬型碳化物。然而,在氧化氣氛中,所有碳化物高溫下都容易被氧化,可以說這是碳化物的一大弱點。
除碳原子外,氮原子、硼原子也能進入金屬晶格的空隙中,形成間隙固溶體。它們與間隙型碳化物的性質相似,能導電、導熱、熔點高、硬度大,同時脆性也大。
硬質合金的基體由兩部分組成:一部分是硬化相;另一部分是粘結金屬。
硬化相是元素周期表中過渡金屬的碳化物,如碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭,它們的硬度很高,熔點都在2000℃以上,有的甚至超過4000℃。另外,過渡金屬的氮化物、硼化物、硅化物也有類似的特性,也可以充當硬質合金中的硬化相。硬化相的存在決定了合金具有極高硬度和耐磨性。
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粘結金屬一般是鐵族金屬,常用的是鈷和鎳。
制造硬質合金時,選用的原料粉末粒度在1~2微米之間,且純度很高。原料按規定組成比例進行配料,加進酒精或-介質在濕式球磨機中濕磨,使它們充分混合、粉碎,經干燥、過篩后加入蠟或膠等一類的成型劑,再經過干燥、過篩制得混合料。然后,把混合料制粒、壓型,加熱到接近粘結金屬熔點(1300~1500℃)的時候,硬化相與粘結金屬便形成共晶合金。經過冷卻,硬化相分布在粘結金屬組成的網格里,彼此緊密地聯系在一起,形成一個牢固的整體。硬質合金的硬度取決于硬化相含量和晶粒粒度,即硬化相含量越高、晶粒越細,則硬度也越大。硬質合金的韌性由粘結金屬決定,粘結金屬含量越高,抗彎強度越大。
