硬質合金

硬質合金是以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC)微米級粉末為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結而成的粉末冶金制品。

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。

ⅣA、ⅤA、ⅥA族金屬與碳形成的金屬型碳化物中，由于碳原子半徑小，能填充于金屬品格的空隙中并保留金屬原有的晶格形式，形成間充固溶體。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，形成間充固溶體。它們與間充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。

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，加進酒精或其他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。

1923年，德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進10％～20％的鈷做粘結劑，發明了碳化鎢和鈷的新合金，硬度僅次于金剛石，這是世界上人工制成的第一種硬質合金。用這種合金制成的刀具切削鋼材時，刀刃會很快磨損，甚至刃口崩裂。1929年美國的施瓦茨科夫在原有成分中加進了一定量的碳化鎢和碳化鈦的復式碳化物，改善了刀具切削鋼材的性能。這是硬質合金發展史上的又一成就。
硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。硬質合金廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料。現在新型硬質合金刀具的切削速度等于碳素鋼的數百倍。

硬質合金還可用來制作鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具、測量量具、耐磨零件、金屬磨具、汽缸襯里、精密軸承、噴嘴等。

近二十年來，涂層硬質合金也問世了。1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質合金或鎢鈷硬質合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米，但是與同牌號的合金刀具相比，使用壽命延長了3倍，切削速度提高25％～50％。20世紀70年代已出現第四代涂層工具，可用來切削很難加工的材料。