鈦基硬質(zhì)合金綜述
時(shí)間：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)合起來構(gòu)成的。這類合金過去有人稱之為“金屬陶瓷”。但國際標(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，所以本文使用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織用語“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，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
|
密度
(g/cm3
| 硬度
(HRA)
| 抗彎強(qiáng)度
(GPa)
|
| 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，為國際上緊缺資源)，因而近年來發(fā)展很快。國外一些性能優(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Kennametal公司生產(chǎn)的K系列和美國Firth Sterling公司生產(chǎn)的FS系列與我國湖南株洲硬質(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。
表2 部分國產(chǎn)的Ti(C,N)基硬質(zhì)合*號(hào)的物理機(jī)械性能
| 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
|
| NT4
| 6.5
| 91
| 1.6
| P10～P30
|
| NT5
| 6.3
| 92
| 1.3
| P20,M05
|
| NT6
| 6.2
| 92
| 1.35
| P01～P05
|
| 注：TN系列是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)；NT系列是四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào) |
- Ti(C,N)基硬質(zhì)合金
- Ti(C,N)基硬質(zhì)合金是在TiC基合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、熱導(dǎo)率高的新型硬質(zhì)合金。其主要成份是TiC-TiN，用Ni-Co-Mo為粘結(jié)劑，以其它碳化物如WC、Mo2C、(Ta, Nb)C、Cr3C2及VC等為添加劑。它通過改變TiC和TiN的成份來控制Ti(C,N)基硬質(zhì)合金的物理性能和機(jī)械性能。由于加入了各種碳化物添加劑，并以Ni-Co-Mo為粘結(jié)劑，大大改善了硬質(zhì)合金的綜合性能。加入一定量高熔點(diǎn)的TaC、NbC可改善合金的抗塑性變形能力，VC可提高合金的抗剪強(qiáng)度，改善合金的機(jī)械性能。Mo2C可提高Ni-Co粘結(jié)劑的強(qiáng)度，并在碳化物、氮化物和粘結(jié)劑間起連接作用。在相同的切削條件下，用Ti(C,N)基硬質(zhì)合金制作的刀具耐磨性要遠(yuǎn)高于WC基硬質(zhì)合金刀具及涂層WC基硬質(zhì)合金刀具。在高速下，Ti(C,N)基硬質(zhì)合金比P20(YT14)、P10(YT15)合金的耐磨性高5～8倍，比YD05F(P01～P05)合金高0.3～1.3倍。
- Ti(C,N)基硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍略同于TiC基合金，但其加工范圍較寬。可制成各種硬質(zhì)合金刀片，用于切削各類鋼材及“以車銑代磨”等精加工領(lǐng)域。除適于切鋼外，也可用于加工鑄件。由于Ti(C,N)基合金有低密度、低摩擦因數(shù)、高耐磨性、良好的耐酸堿腐蝕性能和穩(wěn)定的耐高溫性能，所以它還可用于制作各類發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫零部件，如小軸瓦、葉輪根部法蘭、閥門、閥座、推桿、搖臂、偏心輪軸、熱噴咀、活塞環(huán)等，以及制作各種量具，如塞規(guī)和環(huán)規(guī)等。
- 表2列出部分國產(chǎn)的Ti(C, N)基硬質(zhì)合*號(hào)的物理機(jī)械性能。表中NT系列為四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)，TN系列是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)。其中TN10、TN20、TN30的適用范圍如下：
- TN10適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、中碳調(diào)質(zhì)鋼以及高強(qiáng)度鋼、不銹鋼和耐熱合金等的精加工，還可用于硬度小于55HRC淬硬鋼的精加工和半精加工。尤其對(duì)高強(qiáng)度鋼和不銹鋼的半精加工效果*佳。
- TN20適用于合金鋼、不銹鋼和高強(qiáng)度鋼的半精加工。在一定條件下，可用于球墨鑄鐵和灰鑄鐵的精加工和半精加工。
- TN30用于合金鋼、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的高速精銑加工和半精銑加工，也可用于這類材料的車削加工。
三、結(jié)語
- 鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間，可以用比普通鎢基硬質(zhì)合金更高的切削速度切削，加工的工件表面質(zhì)量好。因此，特別適于鋼材和鑄件的精加工和半精加工。在國外，TiC基和Ti(C,N)基硬質(zhì)合金所占比重已達(dá)到可轉(zhuǎn)位刀片總需求量的30%以上。近幾年來，隨著涂層鈦基硬質(zhì)合金(可單涂層，也可用多元復(fù)合涂層)、超細(xì)晶粒和納米晶粒以及梯度結(jié)構(gòu)鈦基硬質(zhì)合金的開發(fā)，使材料的綜合性能大大提高，應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大。
- 梯度結(jié)構(gòu)鈦基硬質(zhì)合金是利用傾斜功能材料原理制成的，各層成份可根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是靠組織連續(xù)變化而引起性能緩變而獲得的一種功能性復(fù)合材料。這種材料可用作航空航天工業(yè)上的熱防護(hù)材料、核反應(yīng)堆的內(nèi)壁材料、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室材料、以及梯度刀片材料等。如日本住友電工公司的CN8000型刀片即屬于這一類。這種刀片的表面為20μm厚的高硬度耐磨的Cermet層，由表及里向材料內(nèi)部逐漸由高強(qiáng)度硬質(zhì)合金相組成，晶體組織呈連續(xù)傾斜結(jié)構(gòu)。CN8000型刀片的綜合性能好，它常可一刀兩用(粗精加工用一把刀具)，故可減少刀具品種，節(jié)省刀具成本。
- 可以預(yù)料，隨著新型鈦基硬質(zhì)合金的廣泛使用，必將促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代及高速切削和干式切削技術(shù)的發(fā)展，而新產(chǎn)品的開發(fā)及高速切削和干式切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用，又將進(jìn)一步推動(dòng)新型鈦基硬質(zhì)合金的使用。
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