硬质合金基础知识

硬质合金切削刀具材料介绍湖南株洲钻石切削刀具股份有限公司李竞荣主要内容1．硬质合金基础知识2.硬质合金的分类3．如何选择硬质合金切削牌号4．我公司牌号命名规则及生产的系列牌号5．切削中常见的问题及解决办法6.结束语1.硬质合金基础知识1.1切削刀具材料构成切削刀具材料工具钢高速钢硬质合金陶瓷超硬材料普通硬质合金涂层硬质合金非金属陶瓷金属陶瓷PVDCVDCBNPCD碳素工具钢合金工具钢1.2硬质合金的生产基本过程1.3硬质合金常用原料硬质合金是用粉末冶金方法生产的由难熔金属化合物和粘结金属所构成的组合材料。常见的难熔金属化合物一般是周期表中IV、V、VI族过渡元素化合物(碳化物、氮化物、硼化物、硅化物)，主要有：WC、TiC、TaC、NbC、ZrC、VC、Mo2C、Cr3C2、TiN、TiCN、TiB2常见的粘结金属一般是周期表中的铁族元素：Co、Ni、Fe1.5碳化物的一些主要性质碳化物晶格类型密度g/cm3显微硬度kg/cm2弹性模量kg/cm2导热率cal/cm℃s熔点℃Cr3C2斜方晶格6.681350380000.04581895Mo2C密排六方9.181499544000.0162410WC简单六方15.71780710000.0472720VC面心立方5.362090430000.0942810NbC面心立方7.561961345000.0443480TaC面心立方14.481599291000.0533880TiC面心立方4.93200460000.08693147ZrC面心立方6.732925355000.103530HfC面心立方12.22913359000.0728901.6粘结金属特性硬质合金中的粘结金属(即粘结相)主要是周期表中的铁族金属，最常用的是Co。作为粘结金属，必须满足以下条件：1.对碳化物有良好的润湿性。2.与碳化物组成的合金有较高的强度。3.与碳化物不发生化学反应。4.能够溶解碳化物。5.熔点要高，保证在使用条件下合金不发生软化。ε-Coα-Co晶格结构简单六方面心立方转变温度℃417.25密度g/cm38.858.80热扩散系数k-112.5×10-614.2×10-6熔点℃1492.6热导率Wμm-1k-169.21电阻率μΩcm6.24（室温）弹性模量N/mm2210000泊松比0.32硬度HV1080－250(取决于应力状态)2.硬质合金的分类2.1硬质合金按化学成分与使用性能分为四类：钨钴类（ISO（K类））（WC+Co）钨钴钛类（ISO（P类））（WC+TiC+Co）添加稀有金属碳化物类（ISO（M类））（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）金属陶瓷（TiN（TiC）+WC+Mo2C+Ni（Co））2.2ISO国际标准这类分类方法是根据合金的使用范围分类，随着硬质合金工业的不断发展，各个国家的命名规则不一致，甚至即使同一国家不同厂家的命名也是各不相同，为了方便用户，国际标准化组织规定了以下统一分类方法：分为三类P类、M类、K类P类：P01、P05、P10、P15、P20、P25、P30、P40M类：M10、M20、M30、M40K类：K05、K10、K20、K30、K40其中P类合金（包括金属陶瓷）：为长切屑合金，主要用来切削钢材。其选择原则是：进给量、吃刀深度P01、P05、P10、P15、P20、P25、P30、P40切削速度M类合金：通用合金，通常用于切削不锈钢、高硬度铸铁等难加工材料；其选择方法是进给量、吃刀深度M10、M20、M30、M40切削速度K类：短切屑合金，主要用于切削铸铁及有色金属，以及包括塑料、石材在内的非金属材料。其选择原则是：进给量、吃刀深度K05、K10、K20、K30、K40切削速度3．硬质合金牌号的合理选择合理选择硬质合金的依据是：被加工工件的性能和硬质合金的性能。而决定硬质合金性能的因素很多，为成分、粒度、金相结构等，但影响最明显的是成分。因此，要合理选择硬质合金必须了解合金成分对使用性能的影响。3.1合金中几个主要成分在使用中起的作用3.2涂层刀片表面涂层对刀具使用性能的影响3.1合金中几个主要成分在使用中起的作用：WC的作用在WC-Co合金中，WC含量越高，耐磨性越好，能采用较高的切削速度。碳化钛的作用增加高温硬度增强抗月牙洼磨损能力合金抗弯强度和韧性有所下降TaC和NbC的作用明显地提高合金的高温性能TaC的加入还能降低合金的热敏感性，刀刃的热裂纹和崩脱磨损减小，延长刀具的寿命Co的作用Co含量增加，合金强度和韧性增大。Co含量减小时，硬度和高温持久强度增大低Co合金适应于较高的切削速度，高Co、中Co合金适宜于作连续和粗加工刀具附：切削牌号分类、分组号的基本组成和力学性能要求基本组成(参考值)力学性能分类分组代号WCTiC(TaC.NbC等)Co(Ni.Mo等)维氏硬度HV≮洛氏硬度HRA≮抗弯强度MPa≮0161～8115～354～6186092.07001059～8015～355～9163090.512002064～8410～256～10150090.013003070～848～207～11148089.51450P4072～855～158～13132088.516501075～874～145～7178091.512002077～856～105～7155090.014003079～854～126～10148089.51500M4080～921～38～15140089.0165001≥93≤43～6171091.0120010≥88≤45～10163090.5135020≥87≤35～11155090.0145030≥85≤36～12140089.01650K40≥82≤312～15120088.01900WC-Co类WC-Co（YG）类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。加工铸铁时，切屑呈崩碎块粒，刀具受冲击很大，切削力和切削热都集中在刀刃和刀尖附近。YG类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性（与YT类比较），这可减小切削时的崩刃。同时，YG类合金的导热性较好，有利于切削热从刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。加工有色金属及其合金时，由于在熔化温度下有色金属及其合金不会与WC产生熔解或熔解速度非常慢，即使在熔化温度下也不产生化学相互作用，因此，YG类合金能成功地加工有色金属及其合金。YG类合金的磨加工性较好，可以磨出锐利的刃口，因此适于加工有色金属和纤维复合材料。YG类硬质合金中含钴量较多时，其抗弯强度及冲击韧性均较好，特别是提高了疲劳强度，因此适于在受冲击和振动的条件下作粗加工用；含钴量较少时，其耐磨性和耐热性较高，适合于作连续切削的精加工用。当含钴量较少时，合金的硬度较高，耐磨性也较好。WC-TiC-Co硬质合金WC-TiC-Co（YT）类硬质合金适于加工塑性材料如钢材。钢料由于加工时塑性变形很大，与刀具之间的摩擦剧烈，因此切削温度高。YT类合金具有较高的硬度，特别是有较高的耐热性，在高温时的硬度和抗压强度比YG类合金高，抗氧化性能好。另外，在加工钢材时，YT类合金有很高的耐磨性。YT类硬质合金的导热性较差，切削时传入刀具的热量较少，大部分的热量集中在切削中，切削受强热后会发生软化，因而有利于切屑过程的顺利进行。YT类硬质合金中含钴量较多、含碳化钛较少时，抗弯强度较高，较能承受冲击，适于作粗加工用；含钴量较少、含碳化钛较多时，耐磨性及耐热性较好，适于作精加工用。但含碳化钛愈高，其磨加工性和焊接性能也愈差，刃磨及焊接时容易产生裂纹。WC-TaC（NbC）-Co硬质合金许多WC-Co硬质合金可以通过添加少量（0.5～3%左右）的TaC、NbC、Cr3C2、VC、TiC、HfC等碳化物来改进其性能。这些碳化物的作用是细化晶粒，以使合金保持均匀的细晶结构而不发生明显再结晶；同时还可明显提高合金的硬度和耐磨性而不降低其韧性。此外，添加少量碳化物还可改进合金的高温性能，以及产生一层坚韧的自行补偿的氧化膜，该氧化膜能在切削某些金属及合金时抵抗粘结和扩散磨损。目前使用较多的是添加TaC（NbC）和Cr3C2。含有的硬质合金刀具，可顺利加工各种铸铁（包括特硬铸铁及合金铸铁）。含有TaC（NbC）3～10%的低钴硬质合金，可作为通用牌号。WC-TiC-TaC（NbC）-Co硬质合金在WC-TiC-Co硬质合金中加入适当的TaC，可提高其抗弯强度（显著增加刀刃强度）、疲劳强度和冲击韧性，提高耐热性、高温硬度、高温强度和抗氧化能力，提高其耐磨性，增加抗月牙洼磨损和抗后刀面磨损能力。这类合金兼有WC-TiC-Co及WC-TaC-Co合金的大部分最佳性能，它既可用于加工钢料（主要用途），又可用于加工铸铁和有色金属，故常被称为通用合金（代号YW）。这类合金通常用于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁、特硬铸铁等难加工材料。如果适当提高含钴量，这类硬质合金便具有更高的强度和韧性，可用于对各种难加工材料的粗加工和断续切削。3.2涂层刀片表面涂层对刀具使用性能的影响：3.2.1进行表面处理－涂层的原因提高硬质合金刀具的使用性能高速切削（HSC）和高速加工（HSM）的需要航空耐热合金，复合材料、硬材料等难加工材料机械加工的需要。3.2.2涂层的优点和好处涂层可以改善高温硬度（红硬性），提高刀具的耐磨性。可显著地提高刀具寿命；涂层摩擦系数小，涂层与被加工材料磨擦系数小，切削热大部分传入工件和切屑，能减小切削阻力，排屑流畅，有利于提高产品表面质量和延长刀具寿命；许多涂层刀具可以在较多场合用于干切削，不要切削冷却液能降低消耗从而降低产品的生产成本；同时对保护环境和生产现场员工的身体健康具有深远的现实意义。刀具磨损机理研究表明，在高速切削时，此时刀具的磨损不仅是机械摩擦磨损(刀具后面磨损的主要形式)，还有粘结磨损、扩散磨损及氧化磨损(刀具刃口磨损及月牙洼磨损的主要形式)硬质合金刀片的CVD涂层主要有以下几类：TiN/TiCN/TiN、TiN/TiCN/Al2O3和TiN/TiCN/Al2O3/TiN。PVD涂层主要有：TiN、TiCN、TiAlN、TiN/TiCN、TiN/TiAlNCVD涂层氮化钛（TiN）的硬度稍低，但却有较高的化学稳定性，并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。从涂层工艺性考虑，TiC和TiN均为理想的涂层材料，但无论碳化钛或氮化钛，单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求。碳氮化钛(TiCN)具有TiC和TiN的综合性能，其硬度(特别是高温硬度)高于TiC和TiN，因此是一种较理想的刀具涂层材料。氧化铝(Al2O3)在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料能与之相比。但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大，单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。多层涂层及相关技术的出现，使涂层既可提高与基体材料的结合强度，同时又能具有多种材料的综合性能。几种材料的物理机械性能材料熔点(°C)密度(g/cm³)硬度(HV)弹性模量(kN/mm²)抗高温氧化性能TiC30674.933200470一般TiN29505.402500590一般Al2O320473.982100400很好硬质合金1400~1800差高速钢15007.8900很差l典型CVD涂层微观结构图YBC251涂层合金金相组织TiNAl2O3TiNTiCN脱β层涂层PVD涂层合金PVD是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。PVD涂层的沉积温度大约在300-500℃。PVD已经成功应用在整体旋转刀具和精密可转位刀片PVD涂层刀片主要适用于整体刀具（铣削、钻头），铣削，螺纹加工，孔加工，切断、切槽加工、不锈钢和耐热合金的车削加工。普通车削被加工材料最佳好满意合金钢、不锈钢的精加工和半精加工TiAlNTiCNTiN合金钢、不锈钢的粗加工TiCNTiAlNTiN铸铁TiAlNTiCNTiNA