钛基硬质合金综述

1、钛基硬质合金综述内容摘要：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 。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。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c

2、er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“金属陶瓷一一在AI2O3-TiC中参加少量粘结金属(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

3、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、铳刀具外，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

4、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到达可转位刀片总需求量 50%并将成为铳削钢材的最正确刀具材料。、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Mo2Q，可改善液态金属对TiC的湿润性，使TiC晶粒变细

5、。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3250C高于 WC2630C,密度只有 WC勺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9伯RA93.5HRA高的可达94HRA95HR、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11001300C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本钱 W Co价贵，为国际上紧缺资源，因而近 年来开展很快。国外一些性能优异的硬质合金制品

6、，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单性模量71

7、0GPe 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局部TiC 以弥补TiC性能的先天缺乏，是提高硬质合金质量，扩大其使用范围的一种有效方法。参加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，参加 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：参加TaCNbC后还可提高

8、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。使用说明，一般TiC基硬质合金的抗崩刃性劣于WC基硬质合金P10 YT15,比K10YG6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中参加了 15%W(及 1%NbC其抗弯强度为I.IGPa，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(50HRA62HRA、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

9、度 30%尤其是对较大、较 长的零件和外表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55HRC62HRC勺 65Mn 钢辊子( 352mmK 250mn)，当切削速度 VC=7595m/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23倍，外表粗糙度达 Ra3.2 卩 m 精车 1Cr18Ni9Ti 不钢( 137mnX 900mr),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外表粗糙度为 Ra3. 2卩m而用YN10刀具精车 后，工件的锥度仅为 0.04m

10、m,外表粗糙度为 Ra1.6卩m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YN1Q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列出局部国产的TiC基及强韧TiC基硬质合金牌号的性能和使用范围。表1局部国产的TiC基及强韧TiC基硬质合金牌号的性能和使用范围如 if IM)HFUiTiC 礒 Nh l«. MuL909ifi+M 僧金IH 军肄討O

11、MIlCF*lTiQ 0 WC 惓 12. %h. 10wtiifitiMi frill-WMrFUYNUkC 41 WCtl25-, if Al.»A fFIST.a w. w, wr：wm、'和轉WC, TaCl,2i“訂仝刑！i铸孔piehe.皐極we, 1站 ThNe>o -亦A i'l “帀不情削*鱼砸枕WN«fl miVXMiNT码粕g 柿G T.t ILSi.? “ 1*令金IK恳涉tlT农 Nii, Mo.WdTBiM *TJ»L4- L&圧嵐ME豊僧打件卄注：YN05 YN10和YN15是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号

12、；YN501等是四川自贡硬质合金厂生产的牌号3. Ti (C,N)基硬质合金Ti ( C,N)基硬质合金是在 TiC基合金根底上开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。由于参加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。参加一定量高熔点的TaC、NbC可改善合金的抗塑性变形

13、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 58倍，比YD05F( P01P05)合金高0.31.3 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“以车铳代磨等精加工领域。除适于切钢外，也可用于加 工铸件。由于Ti (

14、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列出局部国产的Ti (C, N )基硬质合金牌号的物理机械性能。表2局部国产的Ti(C,N)基硬质合金牌号的物理机械性能*4 (HRA)MSFi*firifISO9111rtim92J1.33PitTNMPW * P2«上14SUH PMrsijiom - noTX3I55 - TJS1.1m pio严-X- ISMHVJ.15MJ 砒WT

15、Iw1 1Ni - PMNilC.OS>24niln -卩恬ST3£.4LiPIO 咖Eftarcc - rwNTS4.39214P2>, M4SE<.2tlm i - n&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表中NT系列为四川自贡硬质合金厂生产的牌号， TN系列是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号。其中TN10 TN20、TN30的适用范围如下：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55HRQ卒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 最正

16、确。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，加工的工件外表质量好。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到达可转位刀片总需求量的30%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、超细晶粒和纳米晶粒 以及梯度结构钛基硬质合金的开发，使材料的综合性能大

17、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复合材料。这种材料可用作航空航天工业上的热防护材料、 核反响堆的内壁材料、 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。这种刀片的外表为20卩m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，节省刀具本钱。可以预料， 随着新型钛基硬质合

18、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 干式切削技术的开展， 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。在工程塑料中添加功能助剂可赋予工程塑料制品在力学性能、电性能、 耐老化性、 平安加工工艺性等方面的特定性能， 然而面对种类繁多的功能助剂， 工程塑料制品开发人员应该如何 正确选择和应用呢。 随着我国塑料行业在 21 世纪的快速开展，工程塑料作为一类在机械、 汽车交通、电子通讯、电气电器等领域广泛应用的重要根底材料，始终保持着15%20%的年增长速度，其制品那么日趋高性能化、差异化、精细化。为了满足工程塑料制品的特殊要求， 对材料

19、进行改性是必需的。三是针对改性的目标，添加各类高分子功能助剂。在工程塑料中添加功能助剂可赋予工程塑料制品在力学性能、电性能、 耐老化性、 平安加工工艺性等方面的特定性能， 然而面对种类繁多的功能助剂， 工程塑料制品开发人员应该如何 正确选择和应用呢？随着我国塑料行业在 21 世纪的快速开展， 工程塑料作为一类在机械、 汽车交通、 电子通讯、 电气电器等领域广泛应用的重要根底材料，始终保持着15%20%的年增长速度，其制品那么日趋高性能化、差异化、精细化。为了满足工程塑料制品的特殊要求， 对材料进行改性是必需的。 目前对高分子材料进行改性 的方法主要有三种： 一是可以通过合成技术， 引进新的单体

20、和改变本体结构来实现； 二是可 以将多种具有不同结构的高分子材料进行物理化学的处理， 以进行合金化改性； 三是针对改 性的目标， 添加各类高分子功能助剂。 从经济性和快捷性来比拟， 第三种改性手段最有优势， 只要合理设计和筛选使用助剂，就可以很方便地实现功能和本钱的最正确结合。不过，需要注意的是，助剂品种繁多，而且其功能和应用特性也不尽相同，假设选用不正确， 不仅不能充分发挥助剂的成效， 达不到预期的目标， 反而会对解决问题的思路产生误导， 从 而不利于后续的改良工作， 既浪费人力又浪费物力。 因此， 面对品种繁多的功能助剂和不同 使用要求的工程塑料制品， 如何正确选择功能助剂是工程塑料制品开发人员必须认真对待的 问题。下面就针对工程塑料制品所需的几种典型性能逐一进行阐述。高电性能在电子电器控制开关元器件中，虽然传统的热固性塑料如环氧树脂、不饱和树脂具有良 好的电绝缘性能， 特别是在潮湿环境下的稳定电性能， 但由于存在反响注射成型周期长， 浇 口不可回用等问题， 使其应用受到限制。 而新型的具有高湿热稳定性、 高电性能的热塑性工 程塑料那么不存在此问题。与热固性不饱和树脂UP比照，它具有如下优点：产品成型周期短、能耗低、 生产效