【鎢業(yè)故事】工業(yè)的牙齒——碳化鎢硬質(zhì)合金

本文選自《中國(guó)鎢業(yè)協(xié)會(huì)》科普征文活動(dòng)三等獎(jiǎng)作品《硬質(zhì)合金——人類(lèi)最成功的工程材料之一》，作者為自貢硬質(zhì)合金責(zé)任有限公司型材事業(yè)部王曉靈。

材料是人類(lèi)文明發(fā)展水平的標(biāo)志，材料的發(fā)展和更新可以促進(jìn)人類(lèi)文明的進(jìn)步和跨越。本文將介紹為制造業(yè)作出很大貢獻(xiàn)的碳化鎢硬質(zhì)合金。

1.什么是硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是由難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過(guò)粉末冶金工藝制成的一種合金材料。硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)與混凝土類(lèi)似。碳化鎢硬質(zhì)合金中扮演“水泥”角色的粘結(jié)劑主要是鈷（Co），而扮演“砂石”角色主要是碳化鎢（WC）。

碳化鎢-鈷硬質(zhì)合金

混凝土

2.硬質(zhì)合金的起源

1923-2023

硬質(zhì)合金發(fā)明至今已正好一百年。

上世紀(jì)二十年代初，德國(guó)燈泡公司歐司朗（OSRAM）的工程師卡爾?施勒特爾（Karl Schr?ter）為了尋找拉制鎢燈絲用的昂貴金剛石模具的替代材料而發(fā)明了WC-Co硬質(zhì)合金，于1923年申請(qǐng)了第一個(gè)硬質(zhì)合金專(zhuān)利（German Patent No. 420,689），并于1925年獲得授權(quán)。

硬質(zhì)合金拉伸模具

1926年，獲得專(zhuān)利授權(quán)的軍工巨頭克虜伯（KRUPP）公司生產(chǎn)了第一批商品硬質(zhì)合金，用作機(jī)械加工切削刀頭成倍地提高了加工效率，轟動(dòng)了世界，并迅速成為戰(zhàn)略物資，價(jià)格高昂。當(dāng)時(shí)一克硬質(zhì)合金的價(jià)格比一克黃金還高。

3.硬質(zhì)合金的種類(lèi)

01 鎢鈷硬質(zhì)合金

這一類(lèi)硬質(zhì)合金成分只含碳化鎢和鈷，或含有極少量（一般不超過(guò)1%）其它添加成分的純WC-Co硬質(zhì)合金。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）稱(chēng)之為K類(lèi)硬質(zhì)合金，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為鎢鈷（YG）類(lèi)硬質(zhì)合金；比如YG6（WC-6Co），即含鈷量為6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其余為碳化鎢的硬質(zhì)合金，這就是世界第一個(gè)商品硬質(zhì)合金的成分。

02 鎢鈷鈦硬質(zhì)合金

鎢鈷鈦硬質(zhì)合金除碳化鎢和鈷外，還添加了一定量的（1%以上）碳化鈦（TiC）的鎢鈷鈦（WC-TiC-Co）硬質(zhì)合金，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為P類(lèi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)叫YT類(lèi)。其中碳化鈦的量通常少于碳化鎢的量；如果碳化鈦的量超過(guò)碳化鎢的量，則成了“碳化鈦基硬質(zhì)合金”或更專(zhuān)業(yè)化的稱(chēng)謂是“碳化鈦基金屬陶瓷”。

03 鎢鈷鈦鉭（鈮）硬質(zhì)合金

第三類(lèi)是在第二類(lèi)的基礎(chǔ)上還添加了一定量碳化鉭（TaC）和/或碳化鈮（NbC）的WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬質(zhì)合金，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)為M類(lèi)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)叫YW類(lèi)。

還有用鎳（Ni）替代鈷的WC-Ni硬質(zhì)合金，或用鐵合金（鋼）替代鈷的鋼結(jié)硬質(zhì)合金。工程師可以通過(guò)分別用碳化鈦、碳化鉭、碳化鈮、碳化鉬、碳化鉻等金屬碳化物或鎳、鐵、鉻等金屬部分或全部替代WC-Co中的WC和Co，設(shè)計(jì)不同的成分來(lái)得到性能不同的硬質(zhì)合金以滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求。

4.硬質(zhì)合金的性能 

（1）硬度高，耐磨性好 

硬質(zhì)合金硬度在80~94 HRA之間，而即使是淬火硬化后的工具鋼的zui高硬度也只有80 HRA或稍高一些。在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，硬質(zhì)合金是硬度僅次于金剛石的材料。事實(shí)上，第一代硬質(zhì)合金的商品名就叫“Widia”（源于德文單詞Wie Diamant，意即“似金剛石”），正是為了替代金剛石而發(fā)明的。所以，可以說(shuō)硬質(zhì)合金就是為硬而生的。

（2）強(qiáng)度、彈性模量高

典型硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度可以達(dá)到3000~5000兆帕（N/mm2），不容易變形。

（3）耐熱、耐腐蝕

 一般能很好地抗大氣、酸、堿等腐蝕，不易氧化。

這些特性使它必然成為了高溫和腐蝕環(huán)境下使用的耐磨結(jié)構(gòu)零部件的zui佳材質(zhì)。

5.硬質(zhì)合金的用途

硬質(zhì)合金應(yīng)用廣泛，從國(guó)防軍工、工業(yè)制造，地質(zhì)鉆探、挖礦采油、鑿巖建筑、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)到我們的日常生活，到處都可以看到硬質(zhì)合金制品的身影。

刀具材料

作為機(jī)械加工刀具是硬質(zhì)合金重要的用途，消耗了超過(guò)一半的硬質(zhì)合金產(chǎn)量。硬質(zhì)合金自誕生之日起至今都是很好的機(jī)械加工刀具材料，贏(yíng)得了“工業(yè)的牙齒”的美譽(yù)。

模具材料

硬質(zhì)合金主要用做冷拉模、冷沖模、冷擠模、冷墩模等冷作模具。

冷鐓模具類(lèi)

拉伸模具

量具和耐磨零件

硬質(zhì)合金用于量具的易磨損表面鑲嵌和零件、磨床精密軸承、無(wú)心磨床導(dǎo)板和導(dǎo)桿、車(chē)床頂尖等耐磨件。

特種硬質(zhì)合金

伴隨科技的進(jìn)步硬質(zhì)合金材料生產(chǎn)也得到快速發(fā)展，下游產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)要求更多的情況下，硬質(zhì)合金材料市場(chǎng)需求不斷加大。硬質(zhì)合金材料生產(chǎn)技術(shù)也得到改善，對(duì)應(yīng)特種硬質(zhì)合金材料目前廣泛應(yīng)用于軍工、航天航空、機(jī)械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領(lǐng)域。在高新技術(shù)武器裝備制造、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及核能源等領(lǐng)域，也采用高技術(shù)含量和高質(zhì)量穩(wěn)定性的硬質(zhì)合金產(chǎn)品。

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