刀具材料硬质合金及涂层

WC 碳化钨
Co
钴
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硬质合金
纯 WC-Co硬质合金 (铸铁和有色金属加工)
混合硬质合金 (钢的加工)
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抗压强度
• 抗变形能力的测定
• 硬质合金的耐压强度要比大多数其他
载荷
的材料要高
• 与硬度一样, 耐压强度随着钴的含量增 加 、晶粒的增大或温度的升高而下降。
压板
硬质合金刀片厚度增加强度增大
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硬度
• 决定抗磨损能力 – 在高耐磨下的高硬度 • 取决于: – 成分(主要由WC成分决定) – 微观结构(WC晶粒尺寸) • 由洛氏硬度法或维氏硬度法 测量
载荷 压头
试件表面
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高温硬度
随着温度的增加硬度急剧下降
1kg 的载荷下的微观硬度
中等WC颗粒尺寸
钴的百分比 % A: WC-3Co B: WC-6Co C: WC-12(Ti,Ta,Nb)C-8Co D: WC-2TaC-12Co
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横向断裂强度
钴含量
纯 WC-Co合金
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横向断裂强度,ksi
粗颗粒 中等颗粒 细颗粒
断裂韧性
• 测定抗断裂的能力 • 决定刀具的内在韧性 • 没有横向断裂强度敏感
基体元素 钨
W
C
WC
碳
碳化钨
硬质元素 粘结剂
Co
钴
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基本的基体元素
硬质合金 (硬质合金颗粒被钴一类的软性粘接剂包围或粘接起来）
硬度
硬度 HRA洛氏硬度 95 粗颗粒 中等颗粒 细颗粒
90
85
硬度随着钴的含量的 增加和硬质合金颗粒 的变大而减小
0 10 20
钴含量 wt%
80
30
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温度
温度 纯 WC-Co合金
钴含量
温度
不同类型的中等尺寸WC 颗粒 在 0.2% 应变时的屈服强度 A: WC-22(Ti,Ta,Nb)C-5Co C: WC-8(Ti,Ta,Nb)C-6Co
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B: WC-12(Ti,Ta,Nb)C-8Co D: WC-2TaC-12Co
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杨氏模数 (106 psi) 30 90 85
相对磨料抗磨 粒磨损能力 10 100 70
工具钢 碳化钨-6%钴 碳化钨-6%钴 -9%混合物
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刀具设计中基体材料性质的考虑
车削 / 钻削: – 高速精加工需要刀具基体有很好的抗变形能力 – 普通加工需要找到一个在切削过程中使刀刃刃口强度 和抗变形能力最佳的组合 – 粗加工需要刀体有很高的强度
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刀具
• 刀具基体
– 抗变形,抗断裂,抗热和抗机械冲击力
• 涂层
– 耐磨,光滑,降低摩擦热，表面光洁度
• 宏观尺寸
– 切屑控制,加工效率
• 微观尺寸 (刃口预处理)
– 切削力,表面光洁度
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韧性 12% 5 - 12% 钴含量
(5 µm)粗晶粒
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刀具材料性质
材料
硬度 (HRA) 81-85 92.7 92.0
CVD涂层刀具
• CVD-涂层的硬质合金刀具占整个WC-Co 涂层刀具的70%。 • 能用于各种不同的加工：车削,镗削,攻丝,切槽,切断和铣削。 • 能在不同的加工速度和进给条件下，加工碳钢，合金钢， 不锈钢, 灰铸铁，球墨和镍基合金。
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ISO硬质合金分类
此图表表示指定的硬质合金 之间的相互关系取决于其自
身的特性。
蓝色：钢质材料 黄色 不锈钢材料 红色：铸铁材料
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K 01 K 10 K 20 K 30
H 01
热量/磨损 （速度）
N 10
N 20 N 30 N 40
有色金属
S 10 S 20 S 30
H 10
H 20 H 30
M 30
M 40
不锈钢
P 40
P 50
钢材
K 40
S 40
硬材料 高温合金
韧性 （进给和断续）
铸铁
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成分/颗粒尺寸对比性质
5 - 12% 钴 和 1-5 µm 碳化物颗粒的尺寸
1 1
WC颗粒尺寸
硬度
5 µm 5 µm
(1 µm)细晶粒 5
切削材料市场份额
100 80 60 40 20 0 1990
Adv. Mtls
高级耐磨材料
$.8 B ==> $1.8 B
CAGR = 9.3%
Carbide
总的市场份额
$8.6 B => $12.1B
HSS
CAGR = 3.5%
2000
2010
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富钴层技术
• 高含钴量的刀具，在刀片的周边钴含量很高，使得刀具有 较高的刀刃强度，而在内部含钴量较低，具有抗变形能力 • 加工应用范围广
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富钴层刀具（KC850 TiC-TiCN-TiN）
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刀具材料的设计
金属切削环境: – 热量 (热变形) – 压力 (变形, 断裂) – 磨损 (纯磨损, 化学磨损, 切深处缺口) – 断续切削 (热和机械的循环交替作用)
刀具材料-硬质合金及涂层
Global Knowledge Center 国际知识中心
切削刀具材料
高硬材料 (PCD, PCBN)
切削速度 抵抗热变 形能力
陶瓷 金属陶瓷
带涂层的 硬质合金 钴高速钢 高速钢
进给，切深，断续 （抗冲击能力）
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切削条件的ISO分类
蓝色
黄色
红色
绿色
橙色
灰色
P 01 P 10 P 20 P 30 M 10 M 20
刀具设计中基体材料性质的考虑
• 铣削:
– 对于精铣, 选择有较高的横向断裂强度的基体材料 。 – 常规的铣削, 选择高含钴量和立方碳化物（干铣）或者没有立方碳 化物的基体材料 (湿铣)。 – 粗铣需要纯的WC-Co牌号的材料。
混合硬质 合金
纯 WC-Co 硬质合金
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刀具设计中基体材料性质的考虑
• 铣削: – 由于铣削过程包括热和机械的交替作用，刀具会受到 热和机械的双重疲劳作用。 – 高的含钴量能使刀具有高的抗机械疲劳强度。
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断裂韧性
载荷
钴含量
随着钴含量和碳化钨晶粒尺寸增加，断裂韧性增加。
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抗热冲击力
• 在铣削中有要求 • 在实验室中至今没有现成方法 • 已使用过很多不同的经验公式
e.g.
其中
KIc • k E•a
Kic = k = E = a =wk.baidu.com断裂韧性 热导系数 杨氏模量 热膨胀系数
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– 工件的几何形状和尺寸
– 表面光洁度 – 稀疏孔
• 取决于:
– 成分(高的含钴量=高的断裂韧性)
– 颗粒大小(粗颗粒=高断裂韧性)
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横向断裂强度（TRS）- 韧性
• TRS用来评价硬质合金的弯曲断裂强度 • TRS= f (成分, 微观结构, 疏松度) • 优秀的质量控制工具
载荷
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