硬质合金

1 引言

第十届中国国际机床展览会(CIMT 2007)于2007年4月9日至15日在北京国际展览中心隆重举行。刀具展品是展览会中的重要内容。来自15个国家和地区的100余家刀具厂商参加了展出。其中，中国大陆约有70家，中国台湾地区有十余家。本次展览会上的刀具展品，标志着当今世界上刀具技术的最高水平，显示了刀具技术的发展趋势。刀具技术的进步，体现在刀具材料、刀具结构、刀具几何形状和刀具系统四个方面，刀具材料新产品更是琳琅满目，推陈出新。当代正在应用的刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石。其中，硬质合金刀具的数量已超过高速钢刀具，而占刀具总量的60％以上。自20世纪后期以来，硬质合金刀具材料在品种上有了很大进展，在使用性能上突飞猛进，近年发展尤为迅速。本文重点阐述展览会上刀具展品中硬质合金刀具材料技术的进步。

2 硬质合金刀具材料品种系列的发展

过去，国际标准化组织(ISO)曾将刀具、刀具用硬质合金分为三类：P类，主要用于切削钢材；K类，主要用于切削铸铁；M类，为普通型硬质合金。近年，被加工材料的种类不断增多，ISO又增设可3类硬质合金，即H类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢、冷硬铸铁等；s类，用于切削耐热材料、高温合金等；N类，用于切削有色金属。本次展览会上，国内外硬质合金材料及其刀具、刀具厂家都已将硬质合金分为P、M、K、H、S、N 6类。立方氮化硼PCBN被列入了H类，聚晶金刚石PCD被列入了N类，新的分类标准已载人了样本和资料。

3 细晶粒，超细晶粒硬质合金性能优越

硬质合金的晶粒细化后，使硬质相尺寸变小，粘结相更均匀地分布在硬质相周围，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性。如适当采用钴含量，还能提高抗弯强度与断裂韧度。矿用或钻探用的硬质合金为粗晶粒，平均晶粒尺寸为4-5um；切削刀具用的一般牌号如TY15、YG6等均为晶粒，平均晶粒尺寸为2-3um；细晶粒硬质合金的平均晶粒尺寸为1～2um；亚微细晶粒硬质合金为0．5～1um；超细晶粒硬质合金则在0．5um以下。近年，世界各国很重视细晶粒、超细晶粒硬质合金的研制。

在此介绍本次展览会上的部分展品。日本三菱综合材料株式会社(Mitsubish)的超细晶粒硬质合金牌号有HTi10(K10)、TF15(K20)、SF10(K01)、MF07(K0 1)、MF 1 0(K0 1)、MF20(K 1 0)和MF30(K20)，其硬度为90．7-93．2HRA，抗弯强度为3．2～4．4 GP a。日本东芝超硬工具株式会社(Tungaloy，泰珂洛)的超细晶粒硬质合金牌号有F(K05)、M(K10)、EM10(K20)和uM(K30)，其WC颗粒在1 m以下，硬度为90．9-93．4HRA，抗弯强度为2．5~3．5GPa。韩国高耐公司(Korloy)的超细牌号有F S 1(P 1 0，M 2 5)、F C C(P4 0)、FA1(K20)、FG2(K15)，其硬度为91．2-92．7HRA，抗弯强度为2．5-3．5GPa。德国康纳德弗兰德里西工厂(Konrad Carbide)生产的硬质合金棒树，WC晶粒尺寸为0．2-0．6 um，硬度为92-94．7 HRA，抗弯强度为2．65～4．15 GPa，断裂韧度为8．2～10．5GPam ，中国南昌硬质合金厂使用德国这家工厂提供的棒材生产整体硬质合金钻头和铣刀。中国自贡硬质合金厂研制出亚微细晶粒的硬质合金牌号z K 1 0 UF(K 1 0)和z K 3 0U F(K 3 0)，硬度为91．5～92．5HRA，抗弯强度为2-2．5 GPa。其晶粒尺寸为0．6-0．8um。该厂又研制出超细晶粒牌号Zcxl0(K10)、Zcx30(K30)和Zcx40(K40)，硬度为92～93，抗弯强度为2．5～3．5 GPa，晶粒尺寸为0．4-0．5um 。

回顾历史，在20-30年前，我国的TY、YG、Y W 系列刀具用硬质合金，其抗弯强度仅为0．9～1．5 GPa；现在的超细晶粒硬质合金在硬度有所提高的情况下，抗弯强度提高了2倍以上。由此，提高了硬质合金刀具的使用性能，大大扩展了硬质合金的应用范围。

4 金属陶瓷技术水平进一步提高

过去，添加或不添加TaC、NbC的P、M、K类合金，其成分均以WC为主，故称WC基合金得到发展，其主要成分为TiC，占60％-80％以上，少含或不含WC，以Ni、Mo为粘结剂。与WC合金相比，TiC基合金的密度小，硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有更好的耐磨性，但韧性和抗塑性变形的能力稍弱。近年，国内外又研制了TiC，TiN基合金，它具有与TiC基合金相同的特性与优点，但其韧性和抗塑性变形能力高于TiC基合金。Tic基合金于TiCN基合金都称为“金属陶

瓷”(Cermet)，主要用于钢料的精加工和半精加工，新产品也进入了加工铸铁的领域。

日本京瓷切削工具公司(Kyocera)以金属陶瓷产品著称。其产品有T i C N 基的TN6020(P05～P20)，TiCN 基并添加了NbC的TN30(P 0 5～P 1 0)、T N 6 0(P 1 0～P 1 5)和TN100M(P10～P20)。硬度为1470～1760HV，抗弯强度为1027-2．5GPa，断裂韧度为6-10．5MPam .瑞典山特维克可乐满公司有T i C N 基合金CT5015(K05，P10)、CT530(M20)。韩国高耐公司有T i C N 基金属陶瓷C N 1 0 0(P 0 5～P 1 0)、CN20(P 1 0～P 20)、CN200(P 1 0～P 20)、CN30(P20～P30)等。日本三菱综合材料株式会社有金属陶瓷NX25 2 5(P0 1～P 1 0，K0 1～K 20)、NZ3035(P10～P20)等，其硬度为91．2～92．2HRA，抗弯强度为1．8～2．1GPa。中国株洲钻石切削刀具公司有TiCN基金属陶瓷牌号YNG05 1(用于精加工)和YNG151(用于半精加工)。

在金属陶瓷刀片表面再进行涂层，是近年得到发展的新产品。如日本京瓷切削工具公司有用PVD方法在金属陶瓷刀片表面进行涂层的产品PV7020(TiAIN／TiN涂层)和PV30、PV60、PV90(TiN涂层)，其抗弯强度与断裂韧度基本上与基体材料相同。TiAIN的硬度和耐磨性优于TiCN基体，TiN涂层能加厚耐磨层，且色泽比较美观(金黄色)。韩国高耐公司有P V D 涂层金属陶瓷CC105(P01-p10，K01-K10)和CC1 15(P10-P20，K10-K20)。日本三菱综合材料株式会社有PVD方法涂覆T i A I N ／T i N 的涂层金属陶瓷AP25N(P01～P10，K01-K20)和UP35N (P20～P30)等。图1为AP25N的组织照片。

5 表面涂层硬质合金继续发展

通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)工艺在硬质合金表面涂覆高硬度、耐磨的薄层，形成表面涂层硬质合金。这是现代硬质合金刀具研制技术的重要进展。在硬质合金的力学性能中，硬度、耐磨性与韧性、抗弯强度是相互矛盾的，两方面不能兼顾。表面涂层是解决矛盾的最好方法，既能使硬质合金的基体保持较好的韧性，又有硬度高、耐磨性强的表层。

30余年来，涂层技术不断发展，表面涂层硬质合金刀具的使用性能不断提高，得到了广泛应用。过去，硬质合金表面涂层以CVD工艺为主，涂层温度为1000℃ ～1050℃ ；近年，PVD工艺也在硬质合金刀具涂层上得到广泛应用，涂层温度约为500℃。PVD工艺温度低，硬质合金刀具切削毋须钝化，故刃口更锋利；且表面残余应力小，从而能承受冲击性负荷(如铣刀)。早期，硬质合金刀具表面涂层以单层为主，涂层材料用TiC、TiN、A1203、TiCN等。现在多用三层、双层或更多的层数，是上述4种材料的组合。如CVD工艺，常用TiCN／TiC／TiN、TiCN／TiC／A1203、TiCN／A12O3／TIN；PVD工艺，常用TiAIN／TiN，有时也用TiAIN 或TiCN单层。TiAIN是后来发展起来的涂层材料，性能领先。

在本次展览会上，瑞典、美国、日本、以色列各国涂层硬质合金产品，有着共同的发展趋向：更多地采用PVD工艺，与CVD工艺平分秋色；采用多层涂层，3层居多；多用TiAIN或AIAiN涂层材料；涂层结构细化，即所谓“纳米涂层”。图2为TiAIN、AITiN涂层部分的显微硬度；图3为三菱株式会社的纳米涂层硬度合金刀片。

欧洲在PVD涂层设备和工艺方面领先于全世界。这次来参加展览的瑞士巴尔查斯涂层公司(Oerlikon Balzers)德国PVT等离子真空技术公司和丹麦尤尼莫克公司(Unimerco)展出了设备和涂层产品。根据涂层材料，巴尔查斯公司有Balinit系列产品，尤尼莫克公司有C1一C5及C7Plus(涂层材料为TiAISiN)系列产品。中国贵阳工具厂引进了先进涂层技术，有种类齐全的PVD涂层刀具产品。此外，各公司还展出了类金刚石D L C(Diamond Like Carbon)涂层和MoS2与WC／C软涂层刀具产品。

6 硬质合金原材料

中国年产硬质合金1．25万吨，包括刀具和其他制品。约为全世界硬质合金总产量的40％。硬质合金的主要原料是金属钨，中国钨矿开采量占全世界钨使用量的75-80％．故中国是钨资源大国。又是向国外出售钨原料、半成品及制成品最多的国家。可以说，展览会上的硬质合金刀具，其钨原料大部分来自中国。由于中国硬质合金刀具材料的质量，与世界先进国家相比，尚有一定差距，加上刀具结构和刀具系统方面的不足，中国硬质合金刀具制产品对外销售额尚不够多。卖资源，是非常不合算的。中国应提高技术水平，增多硬质合金刀具制成品的对外销售额。同时，应珍惜钨资源，限制钨资源的出口。大力发展金属陶瓷及其他不同钨或少用钨的刀具材料。令人欣慰的是，中国在钨资源的开采和利用，在刀具材料的研制方面，已取得很大的进步，笔者对未来充满希望和信心。(于启勋,《新技术新工艺》)