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钛基硬质合金介绍

发布日期：2006-4-5 作者：叶毅叶伟昌

　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(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*，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*佳刀具材料。

表1 部分国产的TiC基及强韧TiC基硬质合*号的性能和使用范围
牌号	化学成分 (%)	物理机械性能			使用范围	相当于 ISO
牌号	化学成分 (%)	密度 (g/cm³	硬度 (HRA)	抗弯强度 (GPa)	使用范围	相当于 ISO
YN05	TiC78, Ni10,Mo12	5.9	93	0.9	适用于钢、合金钢、不锈钢、淬硬钢、铸铁和合金铸铁的高速精加工	P01
YN10	TiC62,WC15, Ni12,Mo10	6.3	92	1.1	适于碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢及淬硬钢的高速连续切削加工	P05
YN15	TiC43,WC21, Ni+Mo25,还含有TaC及Co	7.1～7.5	90.5	1.25	适于一般钢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、小切削断面连续切削碳钢及合金钢	P01
YN510	TiC,Ni,Mo, WC,TaC	6.0～6.5	91～92	1.25	高速、中小切削断面连续切削碳钢、合金钢及铸铁	P10
YN501N	TiC,Ni,Mo, WC,TaC,TiN	6.0～6.5	93	1.0	高中速、中小切削断面连续切削碳钢、合金钢及铸铁	P01 K01
YN510N	TiC,Ni,Mo, WC,TaC,TiN	6.0～7.0	91～92	1.2～1.4	中速、中小切削断面连续切削碳钢、合金钢及铸铁	P10
YN520N	TiC,Ni,Mo, WC,TiN	6.0～7.0	91	1.4～1.6	中低速、中等切削断面连续切削碳钢和合金钢	P20
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

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。

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*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。

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、不锈钢、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(f352mm×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不锈钢(f137mm×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*号的性能和使用范围。

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牌号	密度 (g/cm³	硬度 (HRA)	抗弯强度 (GPa)	相当于 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