钛基硬质合金综述

钛基硬质合金是一种优异的工程材料,用其制作的刀具耐磨性可比传统的WC基硬质合金高3~5倍。文中介绍了钛基硬质合金的种类、性能及应用。

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”。它是由陶瓷(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),工效比粉末冶金高速钢(PMHSS)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MetallwerkPlansee公司生产的WZ系列、英国HardMetalTools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FirthSterling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(321GPa)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。

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