【鎢業故事】工業的牙齒——碳化鎢硬質合金

本文選自《中國鎢業協會》科普征文活動三等獎作品《硬質合金——人類最成功的工程材料之一》，作者為自貢硬質合金責任有限公司型材事業部王曉靈。

材料是人類文明發展水平的標志，材料的發展和更新可以促進人類文明的進步和跨越。本文將介紹為制造業作出很大貢獻的碳化鎢硬質合金。

1.什么是硬質合金

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

碳化鎢-鈷硬質合金

混凝土

2.硬質合金的起源

1923-2023

硬質合金發明至今已正好一百年。

上世紀二十年代初，德國燈泡公司歐司朗（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明了WC-Co硬質合金，于1923年申請了第一個硬質合金專利（German Patent No. 420,689），并于1925年獲得授權。

硬質合金拉伸模具

1926年，獲得專利授權的軍工巨頭克虜伯（KRUPP）公司生產了第一批商品硬質合金，用作機械加工切削刀頭成倍地提高了加工效率，轟動了世界，并迅速成為戰略物資，價格高昂。當時一克硬質合金的價格比一克黃金還高。

3.硬質合金的種類

01 鎢鈷硬質合金

這一類硬質合金成分只含碳化鎢和鈷，或含有極少量（一般不超過1%）其它添加成分的純WC-Co硬質合金。國際標準（ISO）稱之為K類硬質合金，我國國家標準稱為鎢鈷（YG）類硬質合金；比如YG6（WC-6Co），即含鈷量為6%（質量分數），其余為碳化鎢的硬質合金，這就是世界第一個商品硬質合金的成分。

02 鎢鈷鈦硬質合金

鎢鈷鈦硬質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）硬質合金，國際標準稱為P類，國家標準叫YT類。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碳化鎢的量，則成了“碳化鈦基硬質合金”或更專業化的稱謂是“碳化鈦基金屬陶瓷”。

03 鎢鈷鈦鉭（鈮）硬質合金

第三類是在第二類的基礎上還添加了一定量碳化鉭（TaC）和/或碳化鈮（NbC）的WC-TiC-TaC(NbC)-Co硬質合金，國際標準稱為M類，國家標準叫YW類。

還有用鎳（Ni）替代鈷的WC-Ni硬質合金，或用鐵合金（鋼）替代鈷的鋼結硬質合金。工程師可以通過分別用碳化鈦、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，設計不同的成分來得到性能不同的硬質合金以滿足不同應用領域的使用要求。

4.硬質合金的性能 

（1）硬度高，耐磨性好 

硬質合金硬度在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。在很長一段時期內，硬質合金是硬度僅次于金剛石的材料。事實上，第一代硬質合金的商品名就叫“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明的。所以，可以說硬質合金就是為硬而生的。

（2）強度、彈性模量高

典型硬質合金的抗彎強度可以達到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境下使用的耐磨結構零部件的zui佳材質。

5.硬質合金的用途

硬質合金應用廣泛，從國防軍工、工業制造，地質鉆探、挖礦采油、鑿巖建筑、農業生產到我們的日常生活，到處都可以看到硬質合金制品的身影。

刀具材料

作為機械加工刀具是硬質合金重要的用途，消耗了超過一半的硬質合金產量。硬質合金自誕生之日起至今都是很好的機械加工刀具材料，贏得了“工業的牙齒”的美譽。

模具材料

硬質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

拉伸模具

量具和耐磨零件

硬質合金用于量具的易磨損表面鑲嵌和零件、磨床精密軸承、無心磨床導板和導桿、車床頂尖等耐磨件。

特種硬質合金

伴隨科技的進步硬質合金材料生產也得到快速發展，下游產業的產品技術要求更多的情況下，硬質合金材料市場需求不斷加大。硬質合金材料生產技術也得到改善，對應特種硬質合金材料目前廣泛應用于軍工、航天航空、機械加工、冶金、石油鉆井、礦山工具、電子通訊、建筑等領域。在高新技術武器裝備制造、科學技術的進步以及核能源等領域，也采用高技術含量和高質量穩定性的硬質合金產品。

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