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钛基硬质合金综述

时间: 2011-07-06 20:00 来源: 作者: 叶毅 叶伟昌点击:
一、钛基硬质合金的性能

钛基硬质合金是以TiC或Ti(C, N )为主要成份(占60%~80%以上),Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘结相的硬质合金。钛基硬质合金的英文名为“Cermet”。它是由(ceramics)的词头cer与金属(metal)的词头met结合起来构成的。这类合金过去有人称之为“金属陶瓷”。但国际标准化组织ISO153-1991将其划归在硬质合金大类内(材料代号HT),而不是陶瓷材料大类内。为了区别于国内习称的“金属陶瓷”——在Al2O3-TiC中加入少量粘结金属(Ni和Mo等)的陶瓷,所以本文使用国际标准化组织用语“钛基硬质合金”。

传统的K(YG)类、P(YT)类、M(YW)类硬质合金,都属于WC基合金。因为在它们当中,硬质相主要是WC,其含量达65%~97%。而钛基硬质合金不含或少含WC,与WC基合金相比,它的密度小,硬度较高,对钢的摩擦因数较小,切削时抗粘结、抗扩散磨损的能力较强,具有极好的耐磨性,但抗崩刃性稍差。近几年来,由于控制了烧结温度与烧结气氛,以及晶粒细化等措施,性能大大提高。多种商业牌号的Cermet材料大量涌现,应用范围不断扩大。它除可制造车、铣刀具外,还可制造钻头、铰刀以及齿轮滚刀等复杂刀具,用其制造的齿轮滚刀的切削速度高达560m/min(齿轮模数1.5),工效比高速钢(PM HSS)高2倍,用Cermet制造的铰刀能进行高速铰孔,切削速度可达150m/min。钛基硬质合金的性能介于陶瓷和WC基硬质合金之间,其切削速度可填补WC基硬质合金和陶瓷材料之间的一段空白,可用于高速切削各类钢材,尤其适于钢材的精加工和半精加工。据国外切削专家预测,今后在钢的切削方面,TiC基和Ti(C,N)基硬质合金所占比重将达到可转位刀片总需求量50%,并将成为铣削钢材的最佳刀具材料。

二、钛基硬质合金的类型及应用

钛基硬质合金按其组成和性能不同,常用的有以下三种类型:1) TiC基合金;2) 添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金属(如Co)的强韧TiC基合金;3) Ti(C,N)基合金。

1. TiC基硬质合金

TiC基硬质合金是以TiC为主要成份的TiC-Ni-Mo合金。Ni作为粘结金属,增加其含量,可提高合金的强度,但却会使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo(或Mo2C),可改善液态金属对TiC的湿润性,使TiC晶粒变细。当Ni含量一定时(如含10%Ni),增加Mo的含量,可提高合金的强度和硬度。Ni和Mo的含量通常为20%~30%。

由于TiC的熔点(达3250℃)高于WC(2630℃),密度只有WC的1/3,抗氧化性能远优于WC,故TiC基硬质合金除具有硬度高(一般可达91HRA~93.5HRA,高的可达94HRA~95HRA)、耐磨性好、抗月牙洼磨损能力强等特点外,还具有较高的抗氧化、抗粘结和耐高温等性能,在1100~1300℃的高温下仍能进行高速切削,切削钢料时有较低的磨损率,可用来替代目前广泛使用的WC-Co基硬质合金而大大降低成本(W、Co价贵,为国际上紧缺资源),因而近年来发展很快。国外一些性能优异的硬质合金制品,如奥地利Metallwerk Plansee公司生产的WZ系列、英国Hard Metal Tools公司生产的HR系列、日本Tungaloy公司生产的NTK系列、美国Kennametal公司生产的K系列和美国Firth Sterling公司生产的FS系列与我国湖南株洲硬质合金厂生产的YN系列都是TiC基硬质合金产品。

国内目前通常使用的TiC基硬质合金牌号是YN05,用其切削正火和调质状态下的钢材,其切削性能优于WC基合金P01(YT30)。由于TiC的屈服强度低,其值为4GPa,仅为WC屈服强度的2/3,故其韧性稍差。而TiC的弹性模量(321 GPa)也不到WC弹性模量(710GPa)的一半,加以TiC是面心立方晶格,滑移系多,抗塑性变形能力低。此外,TiC的导热性也远较WC为小,切削刃处的局部温度很高,容易产生塑性变形,故TiC基合金主要适用于钢材的精加工和半精加工。

2. 强韧TiC基硬质合金

在TiC-Ni-Mo合金中以WC、TaC等韧性较好的碳化物取代部分TiC(以弥补TiC性能的先天不足),是提高硬质合金质量,扩大其使用范围的一种有效方法。加入WC及TaC可以提高硬质合金的韧性和抗断裂性能,提高弹性模量,抗塑性变形能力,高温抗软化能力及高温强度。此外,加入WC还可改善硬质合金的导热性,降低刀尖处的局部过热现象:加入TaC、NbC后还可提高合金的抗热震性能,并有抑制碳化物晶粒长大的作用,使之更适于断续切削加工。

使用表明,一般TiC基硬质合金的抗崩刃性劣于WC基硬质合金P10(YT15),比K10(YG6)差得多;而强韧TiC基硬质合金的抗崩刃性远优于P10而赶上K10合金。株洲硬质合金厂生产的强韧TiC基硬质合金YN10中加入了15%WC及1%NbC,其抗弯强度为1.1GPa,比YN05提高了0.2GPa;硬度为92HRA,接近于牌号P01(YT30)。这种合金不但适于普通钢的精加工和半精加工,还可用于合金钢、、轴承钢、淬硬钢(50HRA~62HRA)、工具钢、铸钢和合金铸铁的高速连续切削加工。与P01相比,可提高切削速度30%。尤其是对较大、较长的零件和表面粗糙度要求较小零件的精加工,效果更为显著。例如,加工硬度高达55HRC~62HRC的65Mn钢辊子(Φ352mm×250mm),当切削速度VC=75~95m/min、进给量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=0.1mm时,YN10刀具的寿命较P01提高2~3倍,表面粗糙度达Ra3.2μm。精车1Cr18Ni9Ti不 钢(Φ137mm×900mm),当VC=72m/min、f=0.2mm/r和ap=1mm时,P01刀具精车后,工件的锥度为0.1mm,表面粗糙度为Ra3. 2μm;而用YN10刀具精车后,工件的锥度仅为0.04mm,表面粗糙度为Ra1.6μm。并且,YN10刀具的焊接和刃磨性能也比P01为好。YN10刀具焊接的合格率较P01可提高20%~30%。

YN15是株洲硬质合金厂生产的强韧TiC基合金的另一个牌号,它含WC较多,其硬度和耐磨性虽不如YN05和YN10,但抗弯强度及冲击韧性都较好,可用于一般钢材的精加工和半精加工,刀具寿命比P20(YT14)可提高50%~100%。

表1列出部分国产的TiC基及强韧TiC基硬质合金牌号的性能和使用范围。

表1 部分国产的TiC基及强韧TiC基硬质合金牌号的性能和使用范围

注:YN05、YN10和YN15是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号;YN501等是四川自贡硬质合金厂生产的牌号

3. Ti(C,N)基硬质合金

Ti(C,N)基硬质合金是在TiC基合金基础上发展起来的一种具有高硬度、高强度、优良的耐高温和耐磨性能、良好的韧性以及密度小、热导率高的新型硬质合金。其主要成份是TiC-TiN,用Ni-Co-Mo为粘结剂,以其它碳化物如WC、Mo2C、(Ta, Nb)C、Cr3C2及VC等为添加剂。它通过改变TiC和TiN的成份来控制Ti(C,N)基硬质合金的物理性能和机械性能。由于加入了各种碳化物添加剂,并以Ni-Co-Mo为粘结剂,大大改善了硬质合金的综合性能。加入一定量高熔点的TaC、NbC可改善合金的抗塑性变形能力,VC可提高合金的抗剪强度,改善合金的机械性能。Mo2C可提高Ni-Co粘结剂的强度,并在碳化物、氮化物和粘结剂间起连接作用。在相同的切削条件下,用Ti(C,N)基硬质合金制作的刀具耐磨性要远高于WC基硬质合金刀具及涂层WC基硬质合金刀具。在高速下,Ti(C,N)基硬质合金比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)基硬质合金的应用范围略同于TiC基合金,但其加工范围较宽。可制成各种硬质合金刀片,用于切削各类钢材及“以车铣代磨”等精加工领域。除适于切钢外,也可用于加工铸件。由于Ti(C,N)基合金有低密度、低摩擦因数、高耐磨性、良好的耐酸碱腐蚀性能和稳定的耐高温性能,所以它还可用于制作各类发动机的耐高温零部件,如小轴瓦、叶轮根部法兰、阀门、阀座、推杆、摇臂、偏心轮轴、热喷咀、活塞环等,以及制作各种量具,如塞规和环规等。

表2列出部分国产的Ti(C, N)基硬质合金牌号的物理机械性能。

表2 部分国产的Ti(C,N)基硬质合金牌号的物理机械性能

注:TN系列是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号;NT系列是四川自贡硬质合金厂生产的牌号

表中NT系列为四川自贡硬质合金厂生产的牌号,TN系列是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号。其中TN10、TN20、TN30的适用范围如下:

TN10适用于碳素结构钢、中碳调质钢以及高强度钢、不锈钢和耐热合金等的精加工,还可用于硬度小于55HRC淬硬钢的精加工和半精加工。尤其对高强度钢和不锈钢的半精加工效果最佳。

TN20适用于合金钢、不锈钢和高强度钢的半精加工。在一定条件下,可用于球墨铸铁和灰铸铁的精加工和半精加工。

TN30用于合金钢、不锈钢、高强度钢和球墨铸铁的高速精铣加工和半精铣加工,也可用于这类材料的车削加工。

三、结语

钛基硬质合金的性能介于陶瓷和WC基硬质合金之间,可以用比普通钨基硬质合金更高的切削速度切削,加工的工件表面质量好。因此,特别适于钢材和铸件的精加工和半精加工。在国外,TiC基和Ti(C,N)基硬质合金所占比重已达到可转位刀片总需求量的30%以上。近几年来,随着涂层钛基硬质合金(可单涂层,也可用多元复合涂层)、超细晶粒和晶粒以及梯度结构钛基硬质合金的开发,使材料的综合性能大大提高,应用范围更加扩大。

梯度结构钛基硬质合金是利用倾斜功能材料原理制成的,各层成份可根据需要加以调节,它实际上是靠组织连续变化而引起性能缓变而获得的一种功能性。这种材料可用作航空航天工业上的热防护材料、核反应堆的内壁材料、汽车发动机的燃烧室材料、以及梯度刀片材料等。如日本住友电工公司的CN8000型刀片即属于这一类。这种刀片的表面为20μm厚的高硬度耐磨的Cermet层,由表及里向材料内部逐渐由高强度硬质合金相组成,晶体组织呈连续倾斜结构。CN8000型刀片的综合性能好,它常可一刀两用(粗精加工用一把刀具),故可减少刀具品种,节省刀具成本。

可以预料,随着新型钛基硬质合金的广泛使用,必将促进机械产品的更新换代及高速切削和干式切削技术的发展,而新产品的开发及高速切削和干式切削技术的推广与应用,又将进一步推动新型钛基硬质合金的使用。

原载《中国机械与金属》(end)

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