多种硬质合金材料的性质的归类与研究

多种硬质合金材料的性质的归类与研究

摘要：本文研究了目前现有的多种硬质合金材料，阐述了其元素组成，性质和应用方向。首先介绍了几种常见的硬质合金，其次介绍了几种新型的硬质合金。

关键词：硬质合金,刀具材料

0引言

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具,无论是普通机床,还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC),都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。

硬质合金作为刀具材料中重要的一部分，在现代切削加工中起着不可替代的作用。硬质合金是高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)的微米数量级粉末，用Co、Mo、Ni等作黏结剂烧结而成的粉末冶金制品，其中高温碳化物含量超过高速钢，允许的切削温度高达800～1000℃，常温硬度达HRC89～93，760℃时硬度达HRC77～85，切削速度可达100～300m/min，远远超过高速钢，寿命是高速钢的几倍到几十倍，但强度和韧性仅为高速钢的1/30～1/8，承受震动和冲击能力差。现在已成为主要的刀具材料之一。

1刀具用硬质合金的分类

国际标准化组织(ISO)将刀具用硬质合金分为六类:

1.1P类

由WC、Co和5%～30%的TiC组成，也称钨钛钴类硬质合金，牌号YT5、YT14、YT15、YT30，其中TiC的含量分别为5%、14%、15%、30%，相应的Co含量为10%、8%、6%、4%，硬度HRA91.5～92.5，抗弯强度为900～1400MPa。TiC含量提高，Co含量降低，硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性显著降低。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗黏结扩散能力和抗氧化能力好;但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差。适于高速切削钢料。合金Co含量越高，抗弯强度和冲击韧性越好，适于粗加工。Co含量减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。合金中的Ti元素和工件中的Ti元素间亲合力会产生严重的黏刀现象，在高温切削及摩擦因数大的情况下会加剧刀具磨损，不适于加工不锈钢和钛合金。

1.2K类

由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金，常用牌号YG6、YG8、YG3X、YG6X，含Co量分别为6%、8%、3%、6%。硬度HRA89～91.5，抗弯强度1100～1500GPa。组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般(如YG6、YG8)为中晶粒组织，细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)含Co量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性略高些，抗弯强度、韧性略低。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，适于加工脆性材料，如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高(如端铣)的钢料等。

1.3M类

在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC(或NbC)组成，在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。常用的牌号YW1和YW2。可以用来加工铸铁、有色金属和钢料，还可以加工高温合金、不锈钢等难加工材料，有通用型硬质合金之称。

1.4H类

主要用于切削高硬材料，如淬硬钢、冷硬铸铁等。立方氮化硼PCBN被列入了H类。

1.5S类

用于切削耐热材料、高温合金等。

1.6N类

用于切削有色金属。聚晶金刚石PCD被列入了N类。

2新型硬质合金

2.1细晶粒和超细晶粒硬质合金

硬质合金的晶粒细化后，使硬质碳化物相尺寸变小，黏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。但抗弯强度有所降低;适当增加黏结剂钴含量后，可提高抗弯强度。晶粒尺寸:普通牌号的刀具用合金YT15、YG6等均为中晶粒，平均晶粒尺寸为2～3μm;细晶粒合金的平均晶粒尺寸为1.5～2μm，微米晶粒硬质合金的为1.0～1.3μm;亚微晶粒硬质合金的为0.6～0.9μm;超细微晶硬质合金的为0.4～0.5μm;纳米系列微晶硬质合金的为0.1～0.3μm;我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。

2.2TiC基硬质合金

以TiC为主体，占60%～80%以上，以Ni～Mo作黏结剂，并添加少量其他碳化物的合金，不含或少含WC。与WC基合金相比，TiC在碳化物中硬度最高，故合金硬度高达HRA90～94，有较高的耐磨性、抗月牙洼磨损能力，耐热性、抗氧化能力以及化学稳定性好，与工件材料的亲合性小、磨擦因数小、抗黏结能力强，刀具耐用度比WC提高好几倍，可加工钢与铸铁。牌号YN10与YT30相比较，硬度较接近，焊接性及刃磨性均较好，基本上可代替YT30使用。但抗弯强度还赶不上WC，主要用于精加工及半精加工。由于其抗塑性变形、抗崩刃性差，不适用于重切削及断续切削。

2.3添加稀土元素的硬质合金

稀土硬质合金是在各种硬质合金刀具材料中，添加了少量的稀土元素(化学元素周期表中原子序数为57—71(从La到Lu)，再加上21和39(Sc和Y)的元素，共17个元素)，稀土元素存在于(W，Ti)C或(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体中，能强化硬质相，抑制WC晶粒的不均匀长大而更均匀，晶粒尺寸也有所减小。少量稀土元素还固溶在黏结相Co中，使黏结相得到强化，组织更加致密。稀土元素富集在WC/Co的相界面处及(W，Ti)C、(W，Ti)C等相界面间，常与杂质S、O等化合形成RE2O2S等化合物，改善了界面上洁净状况并提高了硬质相与黏结相的润湿性。由此，稀土硬质合金的冲击韧性、抗弯强度及工作时的抗冲击能力明显得到提高。其室温和高温硬度、耐磨性及刀具表面上抗扩散和抗氧化的能力亦有一定提高。在切削时，稀土硬质合金刀片表层的富钴现象，能有效降低切屑、工件与刀具间的摩擦因数，降低切削力。因此，有效地改善了其机械性能与切削性能。我国稀土元素资源丰富，对稀土硬质合金的研究开发，领先于其他国家。P、M、K类合金都已研制出添加稀土的牌号。

2.4表面涂层硬质合金

由于硬质合金的硬度和耐磨性较好，韧性较差，通过化学气相沉积(CVD)等方法，在硬质合金表面上涂覆一层(5～12μm)硬度好、耐磨性很高的物质(TiC、TiN、Al2O3)，形成涂层硬质合金，使其既有高硬度和高耐磨性的表面，又有强韧的基体;故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力和切削温度，提高已加