硬质合金基础知识

2.2 ISO国际标准

这类分类方法是根据合金的使用范围分类，随着硬 质合金工业的不断发展，各个国家的命名规则不一 致，甚至即使同一国家不同厂家的命名也是各不相 同，为了方便用户，国际标准化组织规定了以下统 一分类方法： 分为三类P类、M类、K类 P类：P01、P05、P10、P15、P20、P25、P30、P40 M类：M10、M20、M30、M40 K类：K05、K10、K20、K30、K40
WC-TaC（NbC）-Co硬质合金

许多WC-Co硬质合金可以通过添加少量（0.5～3%左 右）的TaC、NbC、Cr3C2、VC、TiC、HfC等碳化 物来改进其性能。这些碳化物的作用是细化晶粒， 以使合金保持均匀的细晶结构而不发生明显再结晶； 同时还可明显提高合金的硬度和耐磨性而不降低其 韧性。此外，添加少量碳化物还可改进合金的高温 性能，以及产生一层坚韧的自行补偿的氧化膜，该 氧化膜能在切削某些金属及合金时抵抗粘结和扩散 磨损。目前使用较多的是添加TaC（NbC）和Cr3C2。 含有的硬质合金刀具，可顺利加工各种铸铁（包括 特硬铸铁及合金铸铁）。含有TaC（NbC）3～10% 的低钴硬质合金，可作为通用牌号。
基本组成(参考值) 分类分组 代 号 01 10 P 20 30 40 10 M 20 30 40 01 10 K 20 30 40 61～81 59～80 64～84 70～84 72～85 75～87 77～85 79～85 80～92 ≥93 ≥88 ≥87 ≥85 ≥82 WC TiC (TaC. NbC 等) 15～35 15～35 10～25 8～20 5～15 4～14 6～10 4～12 1～ 3 ≤4 ≤4 ≤3 ≤3 ≤3 Co(Ni. Mo 等) 4～ 6 5～ 9 6～10 7～11 8～13 5～ 7 5～ 7 6～10 8～15 3～ 6 5～10 5～11 6～12 12～15 力 学 性 能 维氏硬度 HV≦ 1860 1630 1500 1480 1320 1780 1550 1480 1400 1710 1630 1550 1400 1200 洛氏硬度 HRA≦ 92.0 90.5 90.0 89.5 88.5 91.5 90.0 89.5 89.0 91.0 90.5 90.0 89.0 88.0 抗弯强度 MPa≦ 700 1200 1300 1450 1650 1200 1400 1500 1650 1200 1350 1450 1650 1900
WC-TiC-Co硬质合金
WC-TiC-Co（YT）类硬质合金适于加工塑性材料如钢材。 钢料由于加工时塑性变形很大，与刀具之间的摩擦剧烈， 因此切削温度高。YT类合金具有较高的硬度，特别是有 较高的耐热性，在高温时的硬度和抗压强度比YG类合金 高，抗氧化性能好。另外，在加工钢材时，YT类合金有 很高的耐磨性。YT类硬质合金的导热性较差，切削时传 入刀具的热量较少，大部分的热量集中在切削中，切削受 强热后会发生软化，因而有利于切屑过程的顺利进行。 YT类硬质合金中含钴量较多、含碳化钛较少时，抗弯强 度较高，较能承受冲击，适于作粗加工用；含钴量较少、 含碳化钛较多时，耐磨性及耐热性较好，适于作精加工用。 但含碳化钛愈高，其磨加工性和焊接性能也愈差，刃磨及 焊接时容易产生裂纹。
1.5 碳化物的一些主要性质
碳化物 Cr3C2 Mo2C WC VC NbC TaC TiC ZrC HfC 晶格类型 斜方晶格 密排六方 简单六方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 密度 g/cm3 6.68 9.18 15.7 5.36 7.56 14.48 4.9 6.73 12.2 显微硬度 kg/cm2 1350 1499 1780 2090 1961 1599 3200 2925 2913 弹性模量 kg/cm2 38000 54400 71000 43000 34500 29100 46000 35500 35900 导热率 cal/cm℃s 0.0458 0.016 0.047 0.094 0.044 0.053 0.0869 0.10 0.07 熔点 ℃ 1895 2410 2720 2810 3480 3880 3147 3530 2890
WC-TiC-TaC（NbC）-Co硬质合金

在WC-TiC-Co硬质合金中加入适当的TaC，可提 高其抗弯强度（显著增加刀刃强度）、疲劳强度 和冲击韧性，提高耐热性、高温硬度、高温强度 和抗氧化能力，提高其耐磨性，增加抗月牙洼磨 损和抗后刀面磨损能力。这类合金兼有WC-TiCCo及WC-TaC-Co合金的大部分最佳性能，它既 可用于加工钢料（主要用途），又可用于加工铸 铁和有色金属，故常被称为通用合金（代号 YW）。这类合金通常用于加工各种高合金钢、 耐热合金和各种合金铸铁、特硬铸铁等难加工材 料。如果适当提高含钴量，这类硬质合金便具有 更高的强度和韧性，可用于对各种难加工材料的 粗加工和断续切削。
硬质合金切削刀具材料介绍
湖南株洲钻石切削刀具股份有限公司
李竞荣
主要内容
1．硬质合金基础知识 2. 硬质合金的分类 3．如何选择硬质合金切削牌号 4．我公司牌号命名规则及生产的系列牌号 5．切削中常见的问题及解决办法 6. 结束语
1 . 硬质合金基础知识
1.1 切削刀具材料构成
切削刀具材料 工具钢 高速钢
晶格结构 转变温度℃ 密度g/cm3 热扩散系数k-1 熔点℃ 热导率Wμm-1k-1 电阻率μΩcm 弹性模量N/mm2 泊松比 硬度HV10
ε-Co 简单六方
α-Co 面心立方
417.25
8.85 12.5× 10-6 8.80 14.2 × 10-6 1492.6 69.21 6.24（室温） 210000 0.32 80－250(取决于应力状态)
明显地提高合金的高温性能 TaC的加入还能降低合金的热敏感性，刀刃的热
裂纹和崩脱磨损减小，延长刀具的寿命
Co的作用
Co含量增加，合金强度和韧性增大。 Co含量减小时，硬度和高温持久强度增大 低Co合金适应于较高的切削速度，高Co、中Co
合金适宜于作连续和粗加工刀具
附：切削牌号分类、分组号的基本组成和力学性能要求


3.1 合金中几个主要成分在使用中起的作用
3.2 涂层刀片表面涂层对刀具使用性能的影响
3.1 合金中几个主要成分在使用中起的作用：
WC的作用
在WC-Co合金中，WC含量越高，耐磨性越好， 能采用较高的切削速度。
碳化钛的作用

增加高温硬度


增强抗月牙洼磨损能力
合金抗弯强度和韧性有所下降
TaC和NbC的作用
2. 硬质合金的分类
2.1 硬质合金按化学成分与使用性能分为四类： 钨钴类（ISO（K类））（WC+Co） 钨钴钛类（ISO（P类）） （WC+TiC+Co） 添加稀有金属碳化物类（ISO（M类）） （WC+TiC+TaC（NbC）+Co） 金属陶瓷（TiN（TiC）+WC+Mo2C+Ni （Co））
3.2 涂层刀片表面涂层对刀具使用性能的影响： 3.2.1 进行表面处理－涂层的原因

提高硬质合金刀具的使用性能 高速切削（HSC）和高速加工（HSM）的需要


航空耐热合金，复合材料、硬材料等难加工材 料机械加工的需要。
3.2.2 涂层的优点和好处


涂层可以改善高温硬度（红硬性），提高刀 具的耐磨性。可显著地提高刀具寿命； 涂层摩擦系数小，涂层与被加工材料磨擦系 数小，切削热大部分传入工件和切屑，能减 小切削阻力，排屑流畅，有利于提高产品表 面质量和延长刀具寿命； 许多涂层刀具可以在较多场合用于干切削， 不要切削冷却液能降低消耗从而降低产品的 生产成本；同时对保护环境和生产现场员工 的身体健康具有深远的现实意义。


CVD涂层



氮化钛（TiN）的硬度稍低，但却有较高的化学稳定性，并 可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。 从涂层工艺性考虑，TiC和TiN均为理想的涂层材料，但无 论碳化钛或氮化钛，单一的涂层均很难满足高速切削对刀 具涂层的综合要求。 碳氮化钛(TiCN) 具有 TiC和TiN的综合性能，其硬度(特别 是高温硬度)高于 TiC和TiN，因此是一种较理想的刀具涂 层材料。 氧化铝(Al2O3)在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任 何材料能与之相比。但由于氧化铝与基体材料的物理、化 学性能相差太大，单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层 刀具。多层涂层及相关技术的出现，使涂层既可提高与基 体材料的结合强度，同时又能具有多种材料的综合性能。
几种材料的物理机械性能
材料 熔点 密度 硬度 (HV) 3200 2500 2100 1400~1800 1500 7.8 900 弹性模量 (kN/mm²) 470 590 400 抗高温 氧化性能 一般 一般 很好 差源自文库很差

其中P类合金（包括金属陶瓷）：为长切屑 合金，主要用来切削钢材。其选择原则是： 进给量、吃刀深度
P01、P05、P10、P15、P20、P25、P30、P40
切削速度
M类合金：通用合金，通常用于切削不锈钢、高硬 度铸铁等难加工材料；其选择方法是
进给量、吃刀深度
M10、M20、M30、M40
1.6 粘结金属特性


硬质合金中的粘结金属(即粘结相) 主要是周期 表中的铁族金属，最常用的是Co。 作为粘结金属，必须满足以下条件：
1.对碳化物有良好的润湿性。 2.与碳化物组成的合金有较高的强度。 3.与碳化物不发生化学反应。 4.能够溶解碳化物。 5.熔点要高，保证在使用条件下合金不发生软化。
普 通 硬 质 合 金
硬质合金
涂 层 硬 质 合 金
陶瓷
超硬材料
碳 素 工 具 钢
合 金 工 具 钢
金 属 陶 瓷
非 金 属 陶 瓷
CBN
PCD
CVD
PVD
1.2 硬质合金的生产基本过程
1.3 硬质合金常用原料


硬质合金是用粉末冶金方法生产的由难熔金属 化合物和粘结金属所构成的组合材料。 常见的难熔金属化合物一般是周期表中IV、V、 VI族过渡元素化合物(碳化物、氮化物、硼化物、 硅化物)，主要有： WC、TiC、TaC、NbC、ZrC、VC、Mo2C、 Cr3C2、TiN、TiCN、TiB2 常见的粘结金属一般是周期表中的铁族元素： Co、Ni、Fe
WC-Co类

WC-Co（YG）类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属和 非金属材料。加工铸铁时，切屑呈崩碎块粒，刀具受冲击很 大，切削力和切削热都集中在刀刃和刀尖附近。YG类合金有 较高的抗弯强度和冲击韧性（与YT类比较），这可减小切削 时的崩刃。同时，YG类合金的导热性较好，有利于切削热从 刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。加工有色金 属及其合金时，由于在熔化温度下有色金属及其合金不会与 WC产生熔解或熔解速度非常慢，即使在熔化温度下也不产生 化学相互作用，因此，YG类合金能成功地加工有色金属及其 合金。YG类合金的磨加工性较好，可以磨出锐利的刃口，因 此适于加工有色金属和纤维复合材料。 YG类硬质合金中含 钴量较多时，其抗弯强度及冲击韧性均较好，特别是提高了 疲劳强度，因此适于在受冲击和振动的条件下作粗加工用； 含钴量较少时，其耐磨性和耐热性较高，适合于作连续切削 的精加工用。当含钴量较少时，合金的硬度较高，耐磨性也 较好。
切削速度
K类：短切屑合金，主要用于切削铸铁及有色金属， 以及包括塑料、石材在内的非金属材料。其选择原则 是：

进给量、吃刀深度
K05、K10、K20、K30、K40
切削速度
3．硬质合金牌号的合理选择
合理选择硬质合金的依据是：被加工工件的性 能和硬质合金的性能。而决定硬质合金性能的因素 很多，为成分、粒度、金相结构等，但影响最明显 的是成分。因此，要合理选择硬质合金必须了解合 金成分对使用性能的影响。

刀具磨损机理研究表明，在高速切削时，此时刀具 的磨损不仅是机械摩擦磨损(刀具后面磨损的主要形 式)，还有粘结磨损、扩散磨损及氧化磨损(刀具刃 口磨损及月牙洼磨损的主要形式) 硬质合金刀片的CVD涂层主要有以下几类： TiN /TiCN/ TiN、TiN /TiCN/Al2O3和TiN /TiCN/Al2O3/TiN 。 PVD涂层主要有：TiN、TiCN、TiAlN、TiN/TiCN、 TiN/TiAlN