常州浩克工具有限公司：全面解析硬質合金刀具材料（上）
瀏覽： 發(fā)布日期：2019-11-11
常州浩克工具有限公司：全面解析硬質合金刀具材料（上）
硬質合金由Schroter于1926年（某些文獻為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劑的鐵族金屬用粉末冶金方法制備而成。經過幾十年的不斷發(fā)展，硬質合金的硬度已達89~93HRA。
硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、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時仍有很高的硬度。硬質合金廣泛用作刀具材料，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化學纖維、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在新型硬質合金刀具的切削速度等于碳素鋼切削速度的數百倍。由于硬質合金具有良好的綜合性能，因而在刀具行業(yè)得到了廣泛應用。
I 硬質合金分類
硬質合金有鎢鈷類硬質合金、鎢鈷鈦類硬質合金和新型硬質合金。
鎢鈷類硬質合金
鎢鈷類硬質合金代號為YG，是由碳化物（WC）和結合劑（Co）組成的。此類硬質合金強度高，能承受較大的沖擊力，其韌性、導熱性能較好，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的質量分數越大，韌性越好，適合粗加工；
Co的質量分數小，則用于精加工。
常用的牌號有YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等，數字表示Co的質量分數。
鎢鈷鈦類硬質合金
鎢鈷鈦類硬質合金的代號為YT，這類硬質合金除包括碳化鎢（WC）和結合劑（Co）外，還加入了5%~30%的碳化鈦（TiC）。此類硬質合金硬度、耐磨性、耐熱性都明顯提高，但韌性、抗沖擊振動性差，主要用于加工鋼料。
TiC的質量分數越大，Co的質量分數越小，耐磨性越好，適合精加工；
TiC的質量分數越小，Co的質量分數越大，承受沖擊性能越好，適合粗加工；
常用的牌號有YT5、YT14、YT15、YT30等。
新型硬質合金
新型硬質合金是在上述兩類硬質合金的基礎上，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，可提高抗彎強度、沖擊韌性、耐熱性、耐磨性及高溫強度、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合金，代號為YW，如YW1、YW2、YW3。
纏常用常
I 硬質合金性能
硬度
由于硬質合金碳化物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。硬質合金的硬度值隨碳化物性質、數量和粒度而變化，隨粘結劑含量的增多而降低。在粘結劑含量相同時，WC-TiC-Co硬質合金的硬度高于WC-Co硬質合金。
此外，硬質合金的硬度又隨著溫度的升高而降低。在700~800°C時，一部分硬質合金保持著相當于高速鋼在常溫時的硬度。硬質合金的高溫硬度仍取決于碳化物在高溫下硬度，故WC-TiC-Co硬質合金的高溫硬度比WC-Co硬質合金高些。
添加TaC或NbC能提高硬質合金的高溫硬度。
強度
硬質合金的抗彎強度只相當于高速鋼的1/3~1/2。
硬質合金中的鈷含量愈多，合金的強度愈高。
含有TiC的合金不含TiC的合金的強度低，TiC含量愈多，合金強度也愈低。
在WC-TiC-Co類硬質合金中添加TaC可提高其抗彎強度。添加4%~6%TaC可使強度增加12%~18%。
在硬質合金中添加TaC會顯著提高刀刃強度，增加TaC含量會加強刀刃抗碎裂和抗破損能力。同時，隨著TaC含量的增加，其疲勞強度也相應增加。
硬質合金的抗彎強度比高速鋼高30%~50%。
韌性
硬質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，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載下進行的試驗表明，含7.5%TaC的合金比不含TaC的沖高限度要大24倍多，顯示出較高的動態(tài)屈服強度。
由于硬質合金的韌性比高速鋼低，因而不宜在有強烈沖擊和振動的情況下使用。特別是在低速切削時，黏結和崩刃現象跟為嚴重。有統(tǒng)計表明，硬質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
硬質合金的導熱性高于高速鋼，熱導率為高速鋼的2~3倍。
由于TiC的熱導率低于WC，故WC-TiC-Co的合金的導熱性低于WC-Co合金。合金中含TiC愈多，導熱性也愈差。
合金的導熱性愈低，則耐熱沖擊性也愈差。
硬質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。
硬質合金的熱膨系數取決于鈷的含量，鈷含量增多，則熱膨系數也增大。WC-TiC-Co合金的熱膨系數大于WC-Co合金。后者的熱膨系數為高速鋼的1/3~1/2。
含TiC合金由于導熱性差，熱膨系數大，故其耐熱沖擊性能低于不含TiC的硬質合金。
耐熱性
硬質合金的耐熱性比高速鋼高得多。如圖所示，在800°C~1000°C時尚能進行切削。在高溫下有良好的抗塑性變形能力。
在硬質合金中添加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時強度最大可提高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。
抗粘結性
硬質合金的粘結溫度大大低于WC與鋼的粘結溫度，因此，合金中鈷含量增加時，粘結溫度下降。TiC的粘結溫度高于WC，因此，WC-TiC-Co的粘結溫度高于WC-Co合金（超過100°C）。用含TiC的合金刀具切削時，在高溫下形成的TiO2可減輕粘結。
TaC和NbC與鋼的粘結溫度比TiC的粘結溫度還要高，因此添加TaC和NbC的合金有更好的抗粘結能力。
在硬質合金的成分中，不同碳化物與工件材料的親和力是不同的。TiC和TaC與不同材料的反應指數總和比WC低得多，有的試驗證明，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，在硬質合金中加入TiC和TaC可大大減少粘結磨損，這對加工鋼材時減少刀具的月牙洼磨損時特別重要的。
化學穩(wěn)定性低
硬質合金刀具的耐磨性與在工作溫度下合金的物理及化學穩(wěn)定性有密切關系。
硬質合金的氧化溫度高于高速鋼的氧化溫度。硬質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。
硬質合金中鈷的含量增加時，氧化能力也會增強。
TaC的氧化溫度也高于WC，因此合金中加入TaC和NbC會提高其抗氧化能力。
硬質合金刀具的抗擴散磨損能力取決于合金在高溫下的擴散程度。
WC在947°C以上溫度開始在Fe中明顯擴散，而TiC的明顯擴散溫度為1047°，因此WC-TiC-Co合金與鋼產生顯著擴散作用的溫度（900~950°C）也高于WC-Co合金的溫度（850~900°C）。
硬質合金中的WC是分解為W和C后擴散到鋼中去的，而TiC則比WC難于分解，故Ti的擴散速率遠低于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]則更不宜擴散，而且TaC的擴散溫度比TiC還高，因此其抗擴散能力更強。如圖所示：
由上述可知，在高速加工鋼材時，為了減少刀具的擴散磨損，在硬質合金中添加TiC和TaC是極為重要的。
硬質合金的以上特性賦予硬質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率，因而在刀具材料中的比重日益增加。
