钢结硬质合金的应用与特性分析

钢结硬质合金是以碳化物为硬质相，以钢为粘结相，用粉末冶金方法制成。这种合金用铁及其他合金元素粉末或高速钢粉末代替钴粉作粘结剂，碳化物粉末的比例比一般硬质合金少得多，大约为30%，因此其热硬性、耐磨性比一般硬质合金差，但比高速钢好，而韧性比一般硬质合金强，可进行冷热加工及热处理。钢结硬质合金经退火后，可进行切削加工，经淬火、回火后，具有相当于硬质合金的高硬度和耐磨性和一定的耐热、耐蚀及抗氧化性，也可进行焊接和锻造。

钢结硬质合金经球化退火后供应。常用的钢结硬质合金有GT35、TLW50、TLMW50、GW50和DT等。

1.钢结硬质合金的特性

钢结硬质合金性能介于钢与硬质合金之间，它既有高的强韧性又可进行各种机械加工及热加工，并具有硬质合金的高硬度，经淬火、回火后硬度可达68～73HRC，耐磨性好，但钢结硬质合金价格贵，韧性差，因此宜以镶嵌件形式在模具中使用。

在钢结硬质合金中，硬质相颗粒的大小、分布、形态与工件韧性密切相关。碳化物相越少，韧性越好，但碳化物相的体积分数不得低于30%，否则会降低钢结硬质合金的耐磨性，在硬质相碳化钛系钢结硬质合金（如TLMW50）中，碳化钛颗粒细而圆整；在碳化钨系钢结硬质合金（如GT35）中，硬质相碳化钨颗粒多成尖角形，晶体之间易产生搭桥现象，严重时甚至毗连成片，使合金脆化，机械加工困难。但是，碳化钨系钢结硬质合金生产工艺简单，因此发展较快。

2.钢结硬质合金的工艺性能

（1）钢结硬质合金的热加工 钢结硬质合金具有可锻性，经过锻造成形，可提高合金的密度、改善硬质相的分布、减少碳化物偏析，并使材料成形。

钢结硬质合金的可锻性，取决于硬质相和钢基体的比例和钢基体的可塑性。中低合金钢钢结硬质合金具有良好的可锻性，锻前要对原材料进行检验，去除有孔洞、鼓泡、裂纹、分层、欠烧、严重渗碳、合金流散等粉末冶金生产中常见缺陷的坯料。由于钢结硬质合金导热性比较差，加热应缓慢、均匀，预热要充分，要防止氧化、脱碳。始锻温度可以适当提高，以增加模坯的塑性。始锻温度一般在1150～1200℃。在第一、第二次锻打时，力求轻拍快打，每次锻打变形量控制在5%左右。改形锻打时变形量可适当增加到10%～15%。终锻温度应控制在900～950℃。锻打时模坯冷到终锻温度时，应及时停止锻打，重新回炉加热后继续锻打，锻后必须缓冷。始锻温度过高、终锻温度过低、变形量过大、加热速度太快等原因可使硬质合金锻件出现表面裂纹、中心裂纹、轴向裂纹和角裂等缺陷。

（2）预备热处理 为了降低硬度，改善机械加工性能，并为后续工序和淬火、回火强化及其他后续工序提供有利条件，钢结硬质合金出厂前和锻造成毛坯后都需要进行球化退火，方可进行机械加工。钢结硬质合金退火一般应在真空炉或有保护气氛的热处理炉内进行，以防止氧化、脱碳，在箱式炉内进行时应采用装箱保护，保证填充良好的保护剂。退火工艺为：缓慢加热到850～890℃，保温约4h，炉冷到730℃左右，保温6h，再炉冷至500℃以下可出炉空冷。退火后的组织为硬质相+点状珠光体+合金碳化物，退火后硬度约为40HRC。

（3）淬火及回火 钢结硬质合金的淬火工艺主要取决于粘结相和硬质相的组成特点和模具要求来制定。钢结硬质合金淬火加热必须经过预热，小型模具采用一段预热法，较大工件要采取二段预热法。钢结硬质合金过热倾向比合金工具钢要小，淬火加热温度范围宽。尤其是在制造冷作模具零件时，通过高温和充分保温可以使合金元素和碳化物充分溶解于奥氏体，提高淬火马氏体合金化程度，增加耐回火性。WC型钢结硬质合金淬火温度为1020～1050℃，TiC型淬火温度为950～1000℃，G型淬火温度为1200～1280℃。

钢结硬质合金在盐浴炉中加热保温时间可按0.5～1min/mm选取，箱式炉则加倍，并预防氧化、脱碳。淬火冷却时一般采用热油或分级淬火，在形状复杂或截面尺寸变化较大模具淬火时，宜采用等温淬火，尽量避免开裂和减少变形。

淬火后应尽快回火，回火温度取180～200℃，保温时间1.0～1.5h；当要求较高韧性时，可采用500～550℃高温回火，应避免250～350℃回火脆性区。WC型钢结硬质合金在450～550℃回火时会产生二次硬化现象。在高温回火时有大量碳化物析出并发生连接现象，而使冲击韧度降低，故切忌采用过高的回火温度。

钢结硬质合金经退火软化后，可进行车、铣、刨、钻、铰、攻螺纹等机械加工。加工时宜采用低转速、大背吃刀量和中等的进给速度，不宜采用冷却润滑液，以免因冷却过激引起硬化甚至开裂。在淬火前应将模具加工至最终尺寸或留有极少的余量，尽量在淬火后不再磨削或稍微研磨即可。

3.钢结硬质合金的应用

钢结硬质合金模具不能承受较大冲击载荷，断裂韧度也较低，在用做凹模时，因尽量减少模具承受拉应力，否则会因卡模等产生裂纹以致扩展、碎裂。钢结硬质合金具有普通模具钢无法比拟的高硬度和高耐磨性，因而是比较理想的高寿命冲压模具材料，适用于大批量冲压生产，使用寿命一般可提高数倍或上百倍。钢结硬质合金已在冷冲模、冷挤压模、整形模、冷镦模、部分热作模具上得到广泛地应用。

4.DT钢结硬质合金

国产第二代碳化钨钢结硬质合金（含w（WC）=40%），简称DT合金。它保持了TLMW50的高硬度、高耐磨性，又较大幅度地提高了强度和韧性，在急冷急热的交变热冲击下有极好的抗热裂能力。有别于TLMW50及GT35等钢结硬质合金硬质颗粒明显聚集，分散均匀度较差的状况，DT合金的硬质颗粒细小、均匀、呈弥散分布。能承受较大冲击载荷，同时还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、碎裂等，是较理想的大负荷模具材料之一。

DT合金中尺寸小于2μm的小颗粒碳化物约占碳化物总质量分数的50%，小于5μm的约占总质是分数的80%。DT合金的碳化物颗粒不仅细小，而且分散。

（1）力学性能DT合金的力学性能见表2-41。DT合金与其他钢结硬质合金的性能比较见表2-42。(www.xing528.com)

表2-41 DT合金的力学性能

表2-42 DT合金与其他钢结硬质合金的性能比较一览表

（2）锻造工艺性DT合金的可锻性优于其他钢结硬质合金，锻造温度范围较宽，热塑性好。锻造工艺为：预热温度700～800℃，始锻温度1150～1200℃，终锻温度880～900℃。DT合金在前几次锻打时需反复交替进行镦粗和拔长，要轻拍慢打，每次锻打时变形量控制在5%左右。改锻时，变形量适当控制在10%～15%。严禁在终锻以下温度继续锻造。锻后必须缓冷。

（3）热处理工艺DT合金可采用等温球化退火工艺，淬火前要预热工件，在600℃回火时有高温回火脆性。DT合金也可采用200～300℃×30min的等温淬火工艺。

DT合金经1000℃淬火及不同温度回火后的性能见表2-43。DT合金经不同温度等温淬火后的性能见表2-44。

表2-43 DT合金经1000℃淬火及不同温度回火后的性能

表2-44 DT合金经不同温度等温淬火后的性能

DT合金退火、淬火工艺详见本章2.6节。

（4）机械加工性能 与普通硬质合金相比，DT合金在退火软化后具有较好的可加工性，可进行车、铣、刨、钻、攻螺纹等各种切削加工。DT合金切削加工的难易，除与坯料退火软化程度有关外，还与切削加工工艺参数（如切削加工速度、背吃刀量、刀具几何角度等因素）有很大关系。加工DT合金时，一般采用较低的切削速度、较大的背吃刀量和中等的进给量。

在磨削加工时，DT合金易被烧伤表面或产生网状裂纹。所以，常在退火状态下将其磨削至最终尺寸或接近最终尺寸，尽量少留磨削余量，以免淬火后磨削困难。当精度要求不高时，可在淬火前磨削至最终尺寸，淬火、回火后稍加研磨抛光即可；对于精度要求高的零件，可留少量精磨削余量，以减少淬火、回火后的磨削困难。磨削时应采用高转速、小磨削量，并采取充分冷却的措施，以免过热造成模具刃口回火软化或烧伤。但是，在磨削退火状态的工件时，最好采用干磨，并尽量使用金刚石砂轮。

DT合金可以进行电火花加工和线切割加工等。电火花加工时，可采用DT合金凸模做电极来加工DT合金凹模。电火花加工后，模具加工表面往往有几微米非常硬脆且伴生有微裂纹的放电硬化层，一般采取二次回火来消除；同时要仔细研磨电火花加工面，以去除残存放电硬化层中的微裂纹。

（5）DT合金的应用 用DT合金制作模具时，一般都采取组合的连接方法，这是因为粉末冶金件不容易压制成大尺寸，以及为了节约DT合金材料并发挥与其组合连接结构优点的缘故。常用的组合连接方法有镶套、焊接、粘接和机械连接等。

DT合金越来越多地用来制造冷镦模具、冷挤压模具、冲裁模具、拉深模具等，使用效果良好。据不完全统计，在定子冲裁模、落料模方面，DT合金比W18Cr4V、Cr12MoV模具的使用寿命至少提高10～30倍；在民用五金行业的冷镦模、拉深模方面，DT合金比Cr12钢模具寿命提高10～32倍，从而使成本大幅度降低。DT合金价格比合金钢贵几倍，小批量生产时，技术经济效益不明显。