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钛基硬质合金综述
时间: 2015-10-10 来源: 未知 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。
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。
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)
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
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
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)
