常州浩克工具有限公司：全面解析硬質(zhì)合金刀具材料（上）
瀏覽： 發(fā)布日期：2019-11-25
常州浩克工具有限公司：全面解析硬質(zhì)合金刀具材料（上）
硬質(zhì)合金由Schroter于1926年（某些文獻(xiàn)為1923年）首先發(fā)明。它是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等難熔金屬碳化物以及作為粘結(jié)劑的鐵族金屬用粉末冶金方法制備而成。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，硬質(zhì)合金的硬度已達(dá)89~93HRA。
硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500°C下也基本保持不變，在1000°C時(shí)仍有很高的硬度。硬質(zhì)合金廣泛用作刀具材料，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化學(xué)纖維、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料?，F(xiàn)在新型硬質(zhì)合金刀具的切削速度等于碳素鋼切削速度的數(shù)百倍。由于硬質(zhì)合金具有良好的綜合性能，因而在刀具行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。
I 硬質(zhì)合金分類
硬質(zhì)合金有鎢鈷類硬質(zhì)合金、鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金和新型硬質(zhì)合金。
鎢鈷類硬質(zhì)合金
鎢鈷類硬質(zhì)合金代號為YG，是由碳化物（WC）和結(jié)合劑（Co）組成的。此類硬質(zhì)合金強(qiáng)度高，能承受較大的沖擊力，其韌性、導(dǎo)熱性能較好，硬度和耐磨性較差，主要用于加工黑色金屬及有色金屬和非金屬材料。
Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，韌性越好，適合粗加工；
Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，則用于精加工。
常用的牌號有YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等，數(shù)字表示Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金
鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金的代號為YT，這類硬質(zhì)合金除包括碳化鎢（WC）和結(jié)合劑（Co）外，還加入了5%~30%的碳化鈦（TiC）。此類硬質(zhì)合金硬度、耐磨性、耐熱性都明顯提高，但韌性、抗沖擊振動(dòng)性差，主要用于加工鋼料。
TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，耐磨性越好，適合精加工；
TiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，承受沖擊性能越好，適合粗加工；
常用的牌號有YT5、YT14、YT15、YT30等。
新型硬質(zhì)合金
新型硬質(zhì)合金是在上述兩類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上，添加某些碳化物而使其性能得以提高的。
如在YG類中添加碳化鉭（TaC）、碳化鈮（NbC），可細(xì)化晶粒，提高硬度和耐磨性，還可提高合金的高溫硬度，高溫強(qiáng)度和抗氧化能力，而韌性不變，如YG6A、YG8N、YG8P3等；
而在YT類中添加合金，可提高抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性、耐熱性、耐磨性及高溫強(qiáng)度、抗氧化能力等，這類材料既可用于加工鋼料，又可加工鑄鐵和有色金屬，被稱為通用合金或萬能硬質(zhì)合金，代號為YW，如YW1、YW2、YW3。
纏常用常
I 硬質(zhì)合金性能
硬度
由于硬質(zhì)合金碳化物WC、TiC等的硬度很高，因而其整體也就具有高硬度，一般在89~93HRA內(nèi)。硬質(zhì)合金的硬度值隨碳化物性質(zhì)、數(shù)量和粒度而變化，隨粘結(jié)劑含量的增多而降低。在粘結(jié)劑含量相同時(shí)，WC-TiC-Co硬質(zhì)合金的硬度高于WC-Co硬質(zhì)合金。
此外，硬質(zhì)合金的硬度又隨著溫度的升高而降低。在700~800°C時(shí)，一部分硬質(zhì)合金保持著相當(dāng)于高速鋼在常溫時(shí)的硬度。硬質(zhì)合金的高溫硬度仍取決于碳化物在高溫下硬度，故WC-TiC-Co硬質(zhì)合金的高溫硬度比WC-Co硬質(zhì)合金高些。
添加TaC或NbC能提高硬質(zhì)合金的高溫硬度。
強(qiáng)度
硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度只相當(dāng)于高速鋼的1/3~1/2。
硬質(zhì)合金中的鈷含量愈多，合金的強(qiáng)度愈高。
含有TiC的合金不含TiC的合金的強(qiáng)度低，TiC含量愈多，合金強(qiáng)度也愈低。
在WC-TiC-Co類硬質(zhì)合金中添加TaC可提高其抗彎強(qiáng)度。添加4%~6%TaC可使強(qiáng)度增加12%~18%。
在硬質(zhì)合金中添加TaC會(huì)顯著提高刀刃強(qiáng)度，增加TaC含量會(huì)加強(qiáng)刀刃抗碎裂和抗破損能力。同時(shí)，隨著TaC含量的增加，其疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)增加。
硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度比高速鋼高30%~50%。
韌性
硬質(zhì)合金的韌性比高速鋼低的多。
含TiC合金的韌性比不含TiC合金的韌性還要低，TiC含量增加，韌性也降低。
在WC-TiC-Co合金中，添加適量TaC，在保證原來合金耐熱性和耐磨性的同時(shí)，能使合金的韌性提高10%。將Wc-TiC-TaC-Co合金在周期性沖擊壓負(fù)載下進(jìn)行的試驗(yàn)表明，含7.5%TaC的合金比不含TaC的沖高限度要大24倍多，顯示出較高的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度。
由于硬質(zhì)合金的韌性比高速鋼低，因而不宜在有強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)的情況下使用。特別是在低速切削時(shí)，黏結(jié)和崩刃現(xiàn)象跟為嚴(yán)重。有統(tǒng)計(jì)表明，硬質(zhì)合金刀片由于崩刃和斷裂（特別是在重型刀具中）而引起的損耗占70%~90%。
熱物理性能
硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性高于高速鋼，熱導(dǎo)率為高速鋼的2~3倍。
由于TiC的熱導(dǎo)率低于WC，故WC-TiC-Co的合金的導(dǎo)熱性低于WC-Co合金。合金中含TiC愈多，導(dǎo)熱性也愈差。
合金的導(dǎo)熱性愈低，則耐熱沖擊性也愈差。
硬質(zhì)合金的比熱容是高速鋼的2/5~1/2，加TiC合金的比熱容比不加TiC合金的比熱容大，TiC含量增加，比熱容也增大。
硬質(zhì)合金的熱膨系數(shù)取決于鈷的含量，鈷含量增多，則熱膨系數(shù)也增大。WC-TiC-Co合金的熱膨系數(shù)大于WC-Co合金。后者的熱膨系數(shù)為高速鋼的1/3~1/2。
含TiC合金由于導(dǎo)熱性差，熱膨系數(shù)大，故其耐熱沖擊性能低于不含TiC的硬質(zhì)合金。
耐熱性
硬質(zhì)合金的耐熱性比高速鋼高得多。如圖所示，在800°C~1000°C時(shí)尚能進(jìn)行切削。在高溫下有良好的抗塑性變形能力。
在硬質(zhì)合金中添加TiC可提高其高溫硬度。TiC的軟化溫度高于WC，因此WC-TiC-Co合金的硬度隨著溫度上升而下降的幅度較WC-Co合金慢。
由于TaC的軟化溫度比TiC的更高，因此在硬質(zhì)合金中加入TaC或NbC可以提高合金的高溫溫度。例如：
在WC-TiC-Co合金中加入TaC后，高溫硬度可以提高50~100HV，添加NbC的效果則沒有添加TaC的效果那么顯著；
在WC-Co合金中加入TaC后，在800°C時(shí)強(qiáng)度最大可提高150~300MPa；加入NbC，可提高100~250MPa。
由此可知，加入TaC可提高硬質(zhì)合金的高溫抗塑性變形能力，而刀具的破損常常是由于刀刃塑性變形量增加產(chǎn)生熱裂紋開始的，因此刀刃抗塑性變形能力的提高可減少刀具的破損。
抗粘結(jié)性
硬質(zhì)合金的粘結(jié)溫度大大低于WC與鋼的粘結(jié)溫度，因此，合金中鈷含量增加時(shí)，粘結(jié)溫度下降。TiC的粘結(jié)溫度高于WC，因此，WC-TiC-Co的粘結(jié)溫度高于WC-Co合金（超過100°C）。用含TiC的合金刀具切削時(shí)，在高溫下形成的TiO2可減輕粘結(jié)。
TaC和NbC與鋼的粘結(jié)溫度比TiC的粘結(jié)溫度還要高，因此添加TaC和NbC的合金有更好的抗粘結(jié)能力。
在硬質(zhì)合金的成分中，不同碳化物與工件材料的親和力是不同的。TiC和TaC與不同材料的反應(yīng)指數(shù)總和比WC低得多，有的試驗(yàn)證明，TiC與工件材料的親和力要比WC與工件材料的親和力小幾倍到幾十倍。因此，在硬質(zhì)合金中加入TiC和TaC可大大減少粘結(jié)磨損，這對加工鋼材時(shí)減少刀具的月牙洼磨損時(shí)特別重要的。
化學(xué)穩(wěn)定性低
硬質(zhì)合金刀具的耐磨性與在工作溫度下合金的物理及化學(xué)穩(wěn)定性有密切關(guān)系。
硬質(zhì)合金的氧化溫度高于高速鋼的氧化溫度。硬質(zhì)合金刀具的抗氧化磨損能力取決于合金在高溫下的氧化程度。
TiC的氧化溫度大大高于WC的氧化溫度，因此，在高溫下，WC-TiC-Co合金的氧化量低于WC-Co合金，而且TiC的含量愈多，抗氧化能力也愈強(qiáng)。
硬質(zhì)合金中鈷的含量增加時(shí)，氧化能力也會(huì)增強(qiáng)。
TaC的氧化溫度也高于WC，因此合金中加入TaC和NbC會(huì)提高其抗氧化能力。
硬質(zhì)合金刀具的抗擴(kuò)散磨損能力取決于合金在高溫下的擴(kuò)散程度。
WC在947°C以上溫度開始在Fe中明顯擴(kuò)散，而TiC的明顯擴(kuò)散溫度為1047°，因此WC-TiC-Co合金與鋼產(chǎn)生顯著擴(kuò)散作用的溫度（900~950°C）也高于WC-Co合金的溫度（850~900°C）。
硬質(zhì)合金中的WC是分解為W和C后擴(kuò)散到鋼中去的，而TiC則比WC難于分解，故Ti的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)低于W。
TiC在Fe中的溶解度大大低于WC。TiC、（Ti?W）C、TaC在1250°C的溶解度僅為0.5%，為WC溶解度的1/14，在合金中（Ti?W）C成了擴(kuò)散的抑制劑。在WC-TiC-Co合金中加入Ta和Nb后形成的固溶體[(W?Ti?Ta?Nb)C]則更不宜擴(kuò)散，而且TaC的擴(kuò)散溫度比TiC還高，因此其抗擴(kuò)散能力更強(qiáng)。如圖所示：
由上述可知，在高速加工鋼材時(shí)，為了減少刀具的擴(kuò)散磨損，在硬質(zhì)合金中添加TiC和TaC是極為重要的。
硬質(zhì)合金的以上特性賦予硬質(zhì)合金刀具比高速鋼刀具高的多的耐用度，可以幾倍地提高切削速度和切削加工生產(chǎn)率，因而在刀具材料中的比重日益增加。
