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鈦基硬質(zhì)合金介紹

發(fā)布日期：2006-4-5 作者：葉毅葉偉昌

　一、鈦基硬質(zhì)合金的性能

鈦基硬質(zhì)合金是以TiC或Ti(C,N)為主要成份(占60%～80%以上)，Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘結(jié)相的硬質(zhì)合金。鈦基硬質(zhì)合金的英文名為“Cermet”。它是由陶瓷(ceramics)的詞頭cer與金屬(metal)的詞頭met結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的。這類合金過(guò)去有人稱之為“金屬陶瓷”。但國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO153-1991將其劃歸在硬質(zhì)合金大類內(nèi)(材料代號(hào)HT)，而不是陶瓷材料大類內(nèi)。為了區(qū)別于國(guó)內(nèi)習(xí)稱的“金屬陶瓷”——在Al2O3-TiC中加入少量粘結(jié)金屬(Ni和Mo等)的陶瓷，所以本文使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織用語(yǔ)“鈦基硬質(zhì)合金”。

傳統(tǒng)的K(YG)類、P(YT)類、M(YW)類硬質(zhì)合金，都屬于WC基合金。因?yàn)樵谒鼈儺?dāng)中，硬質(zhì)相主要是WC，其含量達(dá)65%～97%。而鈦基硬質(zhì)合金不含或少含WC，與WC基合金相比，它的密度小，硬度較高，對(duì)鋼的摩擦因數(shù)較小，切削時(shí)抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散磨損的能力較強(qiáng)，具有極好的耐磨性，但抗崩刃性稍差。近幾年來(lái)，由于控制了燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛，以及晶粒細(xì)化等措施，性能大大提高。多種商業(yè)牌號(hào)的Cermet材料大量涌現(xiàn)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。它除可制造車、銑刀具外，還可制造鉆頭、鉸刀以及齒輪滾刀等復(fù)雜刀具，用其制造的齒輪滾刀的切削速度高達(dá)560m/min(齒輪模數(shù)1.5)，工效比粉末冶金高速鋼(PM HSS)高2倍，用Cermet制造的鉸刀能進(jìn)行高速鉸孔，切削速度可達(dá)150m/min。鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間，其切削速度可填補(bǔ)WC基硬質(zhì)合金和陶瓷材料之間的一段*，可用于高速切削各類鋼材，尤其適于鋼材的精加工和半精加工。據(jù)國(guó)外切削專家預(yù)測(cè)，今后在鋼的切削方面，TiC基和Ti(C,N)基硬質(zhì)合金所占比重將達(dá)到可轉(zhuǎn)位刀片總需求量50%，并將成為銑削鋼材的*佳刀具材料。

表1 部分國(guó)產(chǎn)的TiC基及強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合*號(hào)的性能和使用范圍
牌號(hào)	化學(xué)成分 (%)	物理機(jī)械性能			使用范圍	相當(dāng)于 ISO
牌號(hào)	化學(xué)成分 (%)	密度 (g/cm³	硬度 (HRA)	抗彎強(qiáng)度 (GPa)	使用范圍	相當(dāng)于 ISO
YN05	TiC78, Ni10,Mo12	5.9	93	0.9	適用于鋼、合金鋼、不銹鋼、淬硬鋼、鑄鐵和合金鑄鐵的高速精加工	P01
YN10	TiC62,WC15, Ni12,Mo10	6.3	92	1.1	適于碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼及淬硬鋼的高速連續(xù)切削加工	P05
YN15	TiC43,WC21, Ni+Mo25,還含有TaC及Co	7.1～7.5	90.5	1.25	適于一般鋼材的精加工和半精加工	P15
YN501	TiC,Ni,Mo, WC	5.5～6.0	93	0.9	高速、小切削斷面連續(xù)切削碳鋼及合金鋼	P01
YN510	TiC,Ni,Mo, WC,TaC	6.0～6.5	91～92	1.25	高速、中小切削斷面連續(xù)切削碳鋼、合金鋼及鑄鐵	P10
YN501N	TiC,Ni,Mo, WC,TaC,TiN	6.0～6.5	93	1.0	高中速、中小切削斷面連續(xù)切削碳鋼、合金鋼及鑄鐵	P01 K01
YN510N	TiC,Ni,Mo, WC,TaC,TiN	6.0～7.0	91～92	1.2～1.4	中速、中小切削斷面連續(xù)切削碳鋼、合金鋼及鑄鐵	P10
YN520N	TiC,Ni,Mo, WC,TiN	6.0～7.0	91	1.4～1.6	中低速、中等切削斷面連續(xù)切削碳鋼和合金鋼	P20
注：YN05、YN10和YN15是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)；YN501等是四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)

二、鈦基硬質(zhì)合金的類型及應(yīng)用

鈦基硬質(zhì)合金按其組成和性能不同，常用的有以下三種類型：1) TiC基合金；2) 添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金屬(如Co)的強(qiáng)韌TiC基合金；3) Ti(C,N)基合金。

TiC基硬質(zhì)合金
TiC基硬質(zhì)合金是以TiC為主要成份的TiC-Ni-Mo合金。Ni作為粘結(jié)金屬，增加其含量，可提高合金的強(qiáng)度，但卻會(huì)使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo(或Mo2C)，可改善液態(tài)金屬對(duì)TiC的濕潤(rùn)性，使TiC晶粒變細(xì)。當(dāng)Ni含量一定時(shí)(如含10%Ni)，增加Mo的含量，可提高合金的強(qiáng)度和硬度。Ni和Mo的含量通常為20%~30%。
由于TiC的熔點(diǎn)(達(dá)3250℃)高于WC(2630℃)，密度只有WC的1/3，抗氧化性能遠(yuǎn)優(yōu)于WC，故TiC基硬質(zhì)合金除具有硬度高(一般可達(dá)91HRA~93.5HRA，高的可達(dá)94HRA~95HRA)、耐磨性好、抗月牙洼磨損能力強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有較高的抗氧化、抗粘結(jié)和耐高溫等性能，在1100~1300℃的高溫下仍能進(jìn)行高速切削，切削鋼料時(shí)有較低的磨損率，可用來(lái)替代目前廣泛使用的WC-Co基硬質(zhì)合金而大大降低成本(W、Co價(jià)貴，為國(guó)際上緊缺資源)，因而近年來(lái)發(fā)展很快。國(guó)外一些性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金制品，如奧地利Metallwerk Plansee公司生產(chǎn)的WZ系列、英國(guó)Hard Metal Tools公司生產(chǎn)的HR系列、日本Tungaloy公司生產(chǎn)的NTK系列、美國(guó)Kennametal公司生產(chǎn)的K系列和美國(guó)Firth Sterling公司生產(chǎn)的FS系列與我國(guó)湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的YN系列都是TiC基硬質(zhì)合金產(chǎn)品。
國(guó)內(nèi)目前通常使用的TiC基硬質(zhì)合*號(hào)是YN05，用其切削正火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的鋼材，其切削性能優(yōu)于WC基合金P01(YT30)。由于TiC的屈服強(qiáng)度低，其值為4GPa，僅為WC屈服強(qiáng)度的2/3，故其韌性稍差。而TiC的彈性模量(321 GPa)也不到WC彈性模量(710GPa)的一半，加以TiC是面心立方晶格，滑移系多，抗塑性變形能力低。此外，TiC的導(dǎo)熱性也遠(yuǎn)較WC為小，切削刃處的局部溫度很高，容易產(chǎn)生塑性變形，故TiC基合金主要適用于鋼材的精加工和半精加工。

強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金

在TiC-Ni-Mo合金中以WC、TaC等韌性較好的碳化物取代部分TiC(以彌補(bǔ)TiC性能的先天不足)，是提高硬質(zhì)合金質(zhì)量，擴(kuò)大其使用范圍的一種有效方法。加入WC及TaC可以提高硬質(zhì)合金的韌性和抗斷裂性能，提高彈性模量，抗塑性變形能力，高溫抗軟化能力及高溫強(qiáng)度。此外，加入WC還可改善硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性，降低刀尖處的局部過(guò)熱現(xiàn)象：加入TaC、NbC后還可提高合金的抗熱震性能，并有抑制碳化物晶粒長(zhǎng)大的作用，使之更適于斷續(xù)切削加工。

使用表明，一般TiC基硬質(zhì)合金的抗崩刃性劣于WC基硬質(zhì)合金P10(YT15)，比K10(YG6)差得多；而強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金的抗崩刃性遠(yuǎn)優(yōu)于P10而趕上K10合金。株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金YN10中加入了15%WC及1%NbC，其抗彎強(qiáng)度為1.1GPa，比YN05提高了0.2GPa；硬度為92HRA，接近于牌號(hào)P01(YT30)。這種合金不但適于普通鋼的精加工和半精加工，還可用于合金鋼、不銹鋼、軸承鋼、淬硬鋼(50HRA~62HRA)、工具鋼、鑄鋼和合金鑄鐵的高速連續(xù)切削加工。與P01相比，可提高切削速度30%。尤其是對(duì)較大、較長(zhǎng)的零件和表面粗糙度要求較小零件的精加工，效果更為顯著。例如，加工硬度高達(dá)55HRC~62HRC的65Mn鋼輥?zhàn)?f352mm×250mm)，當(dāng)切削速度VC=75~95m/min、進(jìn)給量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=0.1mm時(shí)，YN10刀具的壽命較P01提高2~3倍，表面粗糙度達(dá)Ra3.2μm。精車1Cr18Ni9Ti不銹鋼(f137mm×900mm)，當(dāng)VC=72m/min、f=0.2mm/r和ap=1mm時(shí)，P01刀具精車后，工件的錐度為0.1mm，表面粗糙度為Ra3. 2μm；而用YN10刀具精車后，工件的錐度僅為0.04mm，表面粗糙度為Ra1.6μm。并且，YN10刀具的焊接和刃磨性能也比P01為好。YN10刀具焊接的合格率較P01可提高20%~30%。

YN15是株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的強(qiáng)韌TiC基合金的另一個(gè)牌號(hào)，它含WC較多，其硬度和耐磨性雖不如YN05和YN10，但抗彎強(qiáng)度及沖擊韌性都較好，可用于一般鋼材的精加工和半精加工，刀具壽命比P20(YT14)可提高50%~100%。

表1列出部分國(guó)產(chǎn)的TiC基及強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合*號(hào)的性能和使用范圍。

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牌號(hào)	密度 (g/cm³	硬度 (HRA)	抗彎強(qiáng)度 (GPa)	相當(dāng)于 ISO
TN05	5.9	93	1.1	P01～P05
TN10	6.2	92.5	1.35	P10
TN20	6.5	91.5	1.5	P10～P20
TN30	6.5	90.5	1.6	P20～P30
TN310	6.25～6.65	1650～1900HV	0.85	P01～P10
TN315	6.75～7.15	1500～1750HV	1.1	P05～P10
TN320	6.9～7.3	1650～1800HV	1.2	P10～P20
TN325	7.0～7.4	1650～1800HV	1.15	P05～P15
NT1	6.2	93	1.1	P01～P05
NT2	6.05	92.5	1.35	P05～P15
NT3	6.4	91.5	1.5	P10～P20

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