超细晶粒硬质合金刀具的应用Ⅰ

超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金,它的WC粒度一般为0.2~1.0µm以下,大部分在0.5µ,m以下,是普通硬质合金WC粒度的几分之一到几十分之一,具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度一般为90~93HRA,抗弯强度为2000~3500MPa,比含钴量相同的一般WC-Co硬质合金要高,与加工材料的相互吸附-扩散作用较小,特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢以及其它难加工材料。

下面以超细晶粒硬质合金YS2,YM051,YM052等刀具牌号为例,阐述在加工耐热合金钢生产中的一些应用。
 
(1)YS2硬质合金
YS2硬质合金是一种超细晶粒硬质合金,其性能相当于ISO标准中的K30,它的WC晶粒尺寸小于0.5µ,m,硬度为91.5HRA,抗弯强度达2200MPa,在800℃时的高温硬度为930HV,比一般YG类硬质合金高出200~300HV。

在加工K3镍基铸造合金的外圆时,在相同切削用量v=5~6m/min,f=0.5mm/r,ap=0.1mm的条件下,YG8的磨损为0.5mm左右,YS2为0.25mm;在后刀面磨损量同为0.3mm时,YS2的刀具耐用度为15min,而YG8或YG8W的刀具耐用度还不到5min。

用YS2车刀加工耐热不锈钢Cr17Ni2时,当以n=700r/min,f=0.04min/r,ap=0.5~0.6mm的切削用量镗f30+0.03mm孔时,在保证精度及表面粗糙度的条件下,刀具刃磨一次的加工件数为:YT15为4~5件,YT05为29~50件,而YS2则可加工90~140件。由此可见,超细晶粒硬质合金YS2的耐磨性或刀具耐用度要比普通硬质合金高。


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钨合金发展历史

1907年,一种低镍含量的钨合金问世,它是通过机械加工方法制备的,但是严重的脆性妨碍了它的应用。直到1909年,美国通用电器公司的库利奇(W.D.Coolidge)通过粉末冶金法制得钨坯条,再利用机械加工生产出在室温下具有延性的钨丝,从而奠定了钨丝加工业的基础,也奠定了粉末冶金的基础。

然而这种“延性”钨合金在灯泡点燃后表现出明显的脆性。1913年,平(Pintsch)发明了钍钨丝(ThO2的 含量为1%~2%),从而使白炽灯丝的脆性大大降低。起初,灯丝的下垂(见钨丝的抗下垂性能)并不是一个问题,因为此时的灯丝是直丝,但1913年以后, 兰米尔(Langmuir)将直丝改为螺旋丝,这样,当灯泡使用时,高的工作温度和自重的作用使灯丝下垂,因而纯钨和钍钨都难以满足使用要求

为了解决钨丝下垂和寿命短等问题,1917年,柏斯(A.Pacz)发明了高温下“不变形”的钨合金。起初,他在制备纯钨时采用耐火坩埚焙烧WO3,无意中发现用这种WO3还原所得钨粉制成的钨丝螺旋,经再结晶后异常神秘地不再下垂。随后,经过218次反复实验验证,他终于发现在钨酸(WO3·H2O)中添加钾和钠的硅酸盐,经过还原、压制、烧结、加工等制得的钨丝,再结晶后形成相当粗的晶粒结构,既不软又抗下垂,这是最早的不下垂钨丝。柏斯的发现奠定了不下垂钨丝的生产基础,直到现在美国仍称不下 垂钨丝为“218钨丝”,以纪念柏斯的这项重大发现。

掺杂钨合金的生产工序冗长,包括钨冶炼、粉末冶金制坯和塑性加工几个主要阶段。

掺杂钨合金的生产通常选用仲钨酸铵(APT)为原料。从钨精矿制 取仲钨酸铵除了传 统的经典工艺外,20世纪50年代国际上开展了萃取法和离子交换法的研究,中国在70年代也采用了这些工艺,从而简化了工艺流程,提高了钨的回收率。20 世纪60年代以来,许多国家都相继采用蓝色氧化钨掺杂工艺代替三氧化钨掺杂,从而提高了掺杂效果。钨粉的酸洗是20世纪60年代开始应用于生产的,其主要目的在于洗去钨粉中多余的掺杂剂、超细粉和部分有害杂质,从而改善加工性能,提高钨丝的高温性能。从20世纪60年代开始,孔型轧制法不断得到应用。孔型 轧制是使坯料在一对旋转着的轧辊的孔 型中通过,在轧辊压力的作用下使断面减缩和长度延伸。

虽然只有少部分钨矿最终被做成灯钨丝和类似的产品,钨在科学上和技术上所承担的最重要的意义就是其研究成果向实际应用的转换。所获得的知识在粉末冶金新的领域,尤其是在硬质合金的制造上具有不可估量的价值。


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钨合金热处理

钨合金性能对杂质、气氛、冷却速度较敏感。杂质(如P、S等)偏析在晶界上会降低界面结合强度,从而降低合金性能。冷却速度控制不当会产生中间相或使杂质偏析在晶界。

因此,为了提高烧结态钨合金性能,对烧结态的钨合金进行热处理是必须的。烧结后的热处理包括淬火、快冷、气氛脱氢处理和表面硬化处理,其目的就是降低P、S杂质在界面的偏析,减少氢脆、提高钨合金性能或满足合金其他性能方面的要求。采用热处理热消除氢脆和磷脆,降低杂质在界面的偏析,提高钨合金的界面强度,使钨合金的强度和塑性都得以提高。


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钨合金配重与松木玩具车

松木玩具车是童子军中(美国的童子军按年龄划分)一年一度的盛事。这是童子军中最流行的事。在父母的帮助下童子军用松木做自己的车,通常包含了松木、塑料轮和金属轴、配重块等。随着松木玩具车的普及,为其他行业的发展提供了一个轨道,定时器、鳞片等其他产品。

游戏规则

松木玩具车的游戏规则和万有引力的验证实验是同样的原理。在一个斜面上让车自由的行驶,在重力的作用下车开始加速,到达斜坡最下面时加速停止。在惯性的作用下车继续前进直到停止,有的也用轨道引导前进。用车在平地上行驶的距离长度来决定比赛的输赢。

配重块选择

车身重量和体积是比赛的关键。

车身的重量在车行驶前段部分起到加速的作用,而且重量越大获得的加速度越大。在车行驶的后半段重量起着减速的负作用。重量越大车对地面的摩擦力也越大,减速效果越明显。

车身体积在车的整个行驶过程都是减速作用。体积越大对空气的阻力也就越大。所以为了减少这个阻力应该尽量减小车身的体积。

综合车身的重量和体积两大因素,合理地选择配重块是赢得比赛的关键。

选择高密度金属材料的配重块是最合理的做法。密度高剂在重量上有保证也在体积上有优势。至于具体的重量则要根据比赛的不同场所来定。

钨合金配重的应用

钨合金的密度是铅的1.7倍,密度类似于黄金、铂金等稀有金属。将钨合金配重加入车内,可以保持赛车在运行中的高表现,提供车的可控制度。而且钨合金是无毒、环保材料,可供儿童和成年人安全使用,钨合金配重圆盘多运用于松木德比汽车中。

在很多应用中,钨合金配重块比铅块更适合。例如,铅在许多河流中都禁止使用,因此用钨合金配重快来取代铅块捕鱼是再好不过的。加上钨合金配重块无毒的性质,使得钨合金配重块变成应用的最理想金属。

钨合金配重块可以很容易地安装在松木玩具车上,只要在汽车底部用凿子或锋利的刀挖一个槽将配重块固定在上面。如果在重量上不是那么精确的话,也可以用钨泥进行微调。

 

 

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医用钨合金屏蔽件

简介

医用钨合金屏蔽件材料分为两类一类为高比重钨合金材料,其主要由90%以上的钨粉与其他金属粉末如镍,铁,铜粉混合而成,另一类是由柔韧的耐热屏蔽沉浸在有机硅或树脂聚合物的钨铁金属粉末制成的材料。它具有高密度,高辐射屏蔽,及环保的特性,是制造医用辐射屏蔽件的首选。
医用钨合金屏蔽件主要应用于核医疗中,作为放射治疗癌症肿瘤,医疗造影,及放射性示踪的辐射屏蔽材料。医用钨合金屏蔽件可用于准直器,核辐射屏蔽件,射线拦阻物,PET注射器屏蔽件,保护罐,放射性同位素容器,脱氧核糖核酸(FDG)容器,多叶准直器等。

优势

高射线屏蔽性:由于医用钨合金屏蔽件的钨合金材料具有对各种射线的屏蔽本领高的优点,对阻止150keV的γ射线,衰减90%的 厚度仅需3mm厚,非常适合于对空间分辨率要求高的场合,如医疗准直器,多页光栅等。钨合金材料有着很高的密度(比铅大60%),减小了射线屏蔽件的尺寸, 却不影响射线屏蔽效果。就相同辐射屏蔽性能的钨合金和铅相比较,钨合金的体积不到铅的1/3。
环保性:使用铅作为放射性治疗屏蔽其危害性较大,而铀材料作为屏蔽伽马射线的屏蔽件其本身具有很强的放射性,由于医用钨合金屏蔽件材料的环保特性,由钨合金为材料制造的医疗器材没有危害性。

生产工艺

主要工艺为混料,压制,烧结,加工。
混料通常是指一种粉末不同批次或物理性能的粉末及两种以上不同成分的粉末混合的均匀的过程,混合的目的主要是使粉末物理性能更加一致,富集性杂质均化,进行颗粒搭配,加入其他不同元素粉末,加入粘结剂润滑剂等。钨合金采用干法混合,混合时同时加入不低于90%的钨粉及其他金属粉末如镍、铁、铜等,及润滑剂在同一混料器内进行,加入的润滑剂多为酒精与甘油的混合液。钨及合金粉末采用粉末混料时,桶内应放置合适量的钨球及钨块。
压制成型一般分为钢模压制成型和冷等静压成型。钢模压制成型是普通压模成型的主要方法,主要设备为压力机和压模,压力机有机械式、液压式、机械-液压组合式。钨及钨合金钢模压制主要采用液压机。钨及钨合金压制与产品的牌号及润滑条件有关,一般压制压力在100~600MPa范围。冷等静压成型是借助高压泵的作用把流体介质(气体或液体,液体为水或油)压入耐高温的缸体米粉容器内,高压流体的静压力直接作用在弹性模套内的粉末上,粉末体在同一时间内在各个方向上均匀受压而获得密度分布均匀和强度较高的压坯。
烧结工艺是钨合金屏蔽件的主要生产工艺。烧结是一种热处理工艺,压坯或送装粉末体的强度和密度都是很低的。为了提高压坯或送装粉末体的强度,需要在适当的条件下进行热处理。这就是把压坯或松装粉末体加热到其基本组元熔点以下的温度(约0.7~0.8T绝对熔点),并在此温度下保温,从而是粉末颗粒结合起来,改善其性能。
烧结对钨合金屏蔽件的性能有着决定性的影响。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结,烧结体的强度增加,而且在大多数的情况下,其密度也提高。在烧结过程中,压坯要经历一系列的物理化学变化,开始是水分或有机物的蒸发或挥发,吸附气体的排除,应力的消除,粉末颗粒表面氧化 物的还原;继之是原子间发生扩散,粘帖流动和塑性流动,颗粒间的接触面增大,发生再结晶,晶粒长大等等。
加工有铣光,磨光,车光,螺纹制作,取孔等。

应用

用于放射治疗
医用钨合金屏蔽件可作为医疗直线加速器,医疗多页光栅,X线治疗机等医疗器械的屏蔽材料常应用于放射治疗。放射治疗是利用一种或多种电离辐射对恶性肿瘤及一些良性病进行的治疗,放射治疗的手段是电离辐射。放射治疗中最常用的直接电离粒子是电子,最常用的间接电离粒子。放射治疗所用X辐射能 量范围为1-25MV。钨合金放射性治疗屏蔽件可缩小粒子束或光波,使粒子射线沿着特定的方向,即只允许与治疗屏蔽件平行的射线通过,或使空间截面梁体变得更窄从而限制射线量。
用于医疗造影
医用钨合金屏蔽件可作为CT断层扫描仪的屏蔽件。CT扫描仪可产生X光,这是一种强大的电磁能。这种较高的能量水平可以使X光直接穿过人体大多数的软组织。 穿透人体的射线将被,钨辐射屏蔽件吸收,得到的数据传输到计算机利用光影原理进行成像。
用于放射性示踪
医用钨合金屏蔽件可作为提取屏蔽注射器及PET屏蔽注射器的屏蔽件。提取屏蔽注射器上有一个2mm厚的钨合金部件。注射器提取放射性药剂时,该部件可以保护手臂免遭辐射。当药剂注射到人体内时,钨合金部件可以拆卸掉。 9mm厚5.2g/cc的钨合金屏蔽件可提供最大的防护,而且拆卸十分简单。屏蔽件上有一旋钮,可将屏蔽件与注射器牢牢地固定住。
PET屏蔽注射器可存放PET放射性药剂,而且十分安全。PET屏蔽注射器上带有一T型锁,方便提取。这样过去所使用的放射性药剂容器可以彻底地摒弃。 PET注射器T型锁的样式类似于保温瓶上的把手,在进行药剂提取时,可以减少辐射量,为未触碰药剂容器壁的那只手提供最大的防护。注射之前,基座打开,这样中心部分就可以作为屏蔽注射器使用。安装在PET支架上,可为病人提供最简单却最大的防护效果。
 
 
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