鈦基硬質合金綜述

時間：2006-4-5 作者：葉毅葉偉昌

一、鈦基硬質合金的性能

鈦基硬質合金是以TiC或Ti(C,N)為主要成份(占60%～80%以上)，Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘結相的硬質合金。鈦基硬質合金的英文名為“Cermet”。它是由陶瓷(ceramics)的詞頭cer與金屬(metal)的詞頭met結合起來構成的。這類合金過去有人稱之為“金屬陶瓷”。但國際標準化組織ISO153-1991將其劃歸在硬質合金大類內(材料代號HT)，而不是陶瓷材料大類內。為了區別于國內習稱的“金屬陶瓷”——在Al2O3-TiC中加入少量粘結金屬(Ni和Mo等)的陶瓷，所以本文使用國際標準化組織用語“鈦基硬質合金”。

傳統的K(YG)類、P(YT)類、M(YW)類硬質合金，都屬于WC基合金。因為在它們當中，硬質相主要是WC，其含量達65%～97%。而鈦基硬質合金不含或少含WC，與WC基合金相比，它的密度小，硬度較高，對鋼的摩擦因數較小，切削時抗粘結、抗擴散磨損的能力較強，具有極好的耐磨性，但抗崩刃性稍差。近幾年來，由于控制了燒結溫度與燒結氣氛，以及晶粒細化等措施，性能大大提高。多種商業牌號的Cermet材料大量涌現，應用范圍不斷擴大。它除可制造車、銑刀具外，還可制造鉆頭、鉸刀以及齒輪滾刀等復雜刀具，用其制造的齒輪滾刀的切削速度高達560m/min(齒輪模數1.5)，工效比粉末冶金高速鋼(PM HSS)高2倍，用Cermet制造的鉸刀能進行高速鉸孔，切削速度可達150m/min。鈦基硬質合金的性能介于陶瓷和WC基硬質合金之間，其切削速度可填補WC基硬質合金和陶瓷材料之間的一段*，可用于高速切削各類鋼材，尤其適于鋼材的精加工和半精加工。據國外切削專家預測，今后在鋼的切削方面，TiC基和Ti(C,N)基硬質合金所占比重將達到可轉位刀片總需求量50%，并將成為銑削鋼材的*佳刀具材料。

表1 部分國產的TiC基及強韌TiC基硬質合*號的性能和使用范圍
牌號	化學成分 (%)	物理機械性能			使用范圍	相當于 ISO
牌號	化學成分 (%)	密度 (g/cm³	硬度 (HRA)	抗彎強度 (GPa)	使用范圍	相當于 ISO
YN05	TiC78, Ni10,Mo12	5.9	93	0.9	適用于鋼、合金鋼、不銹鋼、淬硬鋼、鑄鐵和合金鑄鐵的高速精加工	P01
YN10	TiC62,WC15, Ni12,Mo10	6.3	92	1.1	適于碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼及淬硬鋼的高速連續切削加工	P05
YN15	TiC43,WC21, Ni+Mo25,還含有TaC及Co	7.1～7.5	90.5	1.25	適于一般鋼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、小切削斷面連續切削碳鋼及合金鋼	P01
YN510	TiC,Ni,Mo, WC,TaC	6.0～6.5	91～92	1.25	高速、中小切削斷面連續切削碳鋼、合金鋼及鑄鐵	P10
YN501N	TiC,Ni,Mo, WC,TaC,TiN	6.0～6.5	93	1.0	高中速、中小切削斷面連續切削碳鋼、合金鋼及鑄鐵	P01 K01
YN510N	TiC,Ni,Mo, WC,TaC,TiN	6.0～7.0	91～92	1.2～1.4	中速、中小切削斷面連續切削碳鋼、合金鋼及鑄鐵	P10
YN520N	TiC,Ni,Mo, WC,TiN	6.0～7.0	91	1.4～1.6	中低速、中等切削斷面連續切削碳鋼和合金鋼	P20
注：YN05、YN10和YN15是湖南株洲硬質合金廠生產的牌號；YN501等是四川自貢硬質合金廠生產的牌號

二、鈦基硬質合金的類型及應用

鈦基硬質合金按其組成和性能不同，常用的有以下三種類型：1) TiC基合金；2) 添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金屬(如Co)的強韌TiC基合金；3) Ti(C,N)基合金。

TiC基硬質合金
TiC基硬質合金是以TiC為主要成份的TiC-Ni-Mo合金。Ni作為粘結金屬，增加其含量，可提高合金的強度，但卻會使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo(或Mo2C)，可改善液態金屬對TiC的濕潤性，使TiC晶粒變細。當Ni含量一定時(如含10%Ni)，增加Mo的含量，可提高合金的強度和硬度。Ni和Mo的含量通常為20%~30%。
由于TiC的熔點(達3250℃)高于WC(2630℃)，密度只有WC的1/3，抗氧化性能遠優于WC，故TiC基硬質合金除具有硬度高(一般可達91HRA~93.5HRA，高的可達94HRA~95HRA)、耐磨性好、抗月牙洼磨損能力強等特點外，還具有較高的抗氧化、抗粘結和耐高溫等性能，在1100~1300℃的高溫下仍能進行高速切削，切削鋼料時有較低的磨損率，可用來替代目前廣泛使用的WC-Co基硬質合金而大大降低成本(W、Co價貴，為國際上緊缺資源)，因而近年來發展很快。國外一些性能優異的硬質合金制品，如奧地利Metallwerk Plansee公司生產的WZ系列、英國Hard Metal Tools公司生產的HR系列、日本Tungaloy公司生產的NTK系列、美國Kennametal公司生產的K系列和美國Firth Sterling公司生產的FS系列與我國湖南株洲硬質合金廠生產的YN系列都是TiC基硬質合金產品。
國內目前通常使用的TiC基硬質合*號是YN05，用其切削正火和調質狀態下的鋼材，其切削性能優于WC基合金P01(YT30)。由于TiC的屈服強度低，其值為4GPa，僅為WC屈服強度的2/3，故其韌性稍差。而TiC的彈性模量(321 GPa)也不到WC彈性模量(710GPa)的一半，加以TiC是面心立方晶格，滑移系多，抗塑性變形能力低。此外，TiC的導熱性也遠較WC為小，切削刃處的局部溫度很高，容易產生塑性變形，故TiC基合金主要適用于鋼材的精加工和半精加工。

強韌TiC基硬質合金

在TiC-Ni-Mo合金中以WC、TaC等韌性較好的碳化物取代部分TiC(以彌補TiC性能的先天不足)，是提高硬質合金質量，擴大其使用范圍的一種有效方法。加入WC及TaC可以提高硬質合金的韌性和抗斷裂性能，提高彈性模量，抗塑性變形能力，高溫抗軟化能力及高溫強度。此外，加入WC還可改善硬質合金的導熱性，降低刀尖處的局部過熱現象：加入TaC、NbC后還可提高合金的抗熱震性能，并有抑制碳化物晶粒長大的作用，使之更適于斷續切削加工。

使用表明，一般TiC基硬質合金的抗崩刃性劣于WC基硬質合金P10(YT15)，比K10(YG6)差得多；而強韌TiC基硬質合金的抗崩刃性遠優于P10而趕上K10合金。株洲硬質合金廠生產的強韌TiC基硬質合金YN10中加入了15%WC及1%NbC，其抗彎強度為1.1GPa，比YN05提高了0.2GPa；硬度為92HRA，接近于牌號P01(YT30)。這種合金不但適于普通鋼的精加工和半精加工，還可用于合金鋼、不銹鋼、軸承鋼、淬硬鋼(50HRA~62HRA)、工具鋼、鑄鋼和合金鑄鐵的高速連續切削加工。與P01相比，可提高切削速度30%。尤其是對較大、較長的零件和表面粗糙度要求較小零件的精加工，效果更為顯著。例如，加工硬度高達55HRC~62HRC的65Mn鋼輥子(f352mm×250mm)，當切削速度VC=75~95m/min、進給量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=0.1mm時，YN10刀具的壽命較P01提高2~3倍，表面粗糙度達Ra3.2μm。精車1Cr18Ni9Ti不銹鋼(f137mm×900mm)，當VC=72m/min、f=0.2mm/r和ap=1mm時，P01刀具精車后，工件的錐度為0.1mm，表面粗糙度為Ra3. 2μm；而用YN10刀具精車后，工件的錐度僅為0.04mm，表面粗糙度為Ra1.6μm。并且，YN10刀具的焊接和刃磨性能也比P01為好。YN10刀具焊接的合格率較P01可提高20%~30%。

YN15是株洲硬質合金廠生產的強韌TiC基合金的另一個牌號，它含WC較多，其硬度和耐磨性雖不如YN05和YN10，但抗彎強度及沖擊韌性都較好，可用于一般鋼材的精加工和半精加工，刀具壽命比P20(YT14)可提高50%~100%。

表1列出部分國產的TiC基及強韌TiC基硬質合*號的性能和使用范圍。

表2 部分國產的Ti(C,N)基硬質合*號的物理機械性能
牌號	密度 (g/cm³	硬度 (HRA)	抗彎強度 (GPa)	相當于 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
NT4	6.5	91	1.6	P10～P30
NT5	6.3	92	1.3	P20,M05
NT6	6.2	92	1.35	P01～P05
注：TN系列是湖南株洲硬質合金廠生產的牌號；NT系列是四川自貢硬質合金廠生產的牌號

Ti(C,N)基硬質合金
Ti(C,N)基硬質合金是在TiC基合金基礎上發展起來的一種具有高硬度、高強度、優良的耐高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、熱導率高的新型硬質合金。其主要成份是TiC-TiN，用Ni-Co-Mo為粘結劑，以其它碳化物如WC、Mo2C、(Ta, Nb)C、Cr₃C₂及VC等為添加劑。它通過改變TiC和TiN的成份來控制Ti(C,N)基硬質合金的物理性能和機械性能。由于加入了各種碳化物添加劑，并以Ni-Co-Mo為粘結劑，大大改善了硬質合金的綜合性能。加入一定量高熔點的TaC、NbC可改善合金的抗塑性變形能力，VC可提高合金的抗剪強度，改善合金的機械性能。Mo2C可提高Ni-Co粘結劑的強度，并在碳化物、氮化物和粘結劑間起連接作用。在相同的切削條件下，用Ti(C,N)基硬質合金制作的刀具耐磨性要遠高于WC基硬質合金刀具及涂層WC基硬質合金刀具。在高速下，Ti(C,N)基硬質合金比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)基硬質合金的應用范圍略同于TiC基合金，但其加工范圍較寬�？芍瞥筛鞣N硬質合金刀片，用于切削各類鋼材及“以車銑代磨”等精加工領域。除適于切鋼外，也可用于加工鑄件。由于Ti(C,N)基合金有低密度、低摩擦因數、高耐磨性、良好的耐酸堿腐蝕性能和穩定的耐高溫性能，所以它還可用于制作各類發動機的耐高溫零部件，如小軸瓦、葉輪根部法蘭、閥門、閥座、推桿、搖臂、偏心輪軸、熱噴咀、活塞環等，以及制作各種量具，如塞規和環規等。
表2列出部分國產的Ti(C, N)基硬質合*號的物理機械性能。表中NT系列為四川自貢硬質合金廠生產的牌號，TN系列是湖南株洲硬質合金廠生產的牌號。其中TN10、TN20、TN30的適用范圍如下：
- TN10適用于碳素結構鋼、中碳調質鋼以及高強度鋼、不銹鋼和耐熱合金等的精加工，還可用于硬度小于55HRC淬硬鋼的精加工和半精加工。尤其對高強度鋼和不銹鋼的半精加工效果*佳。
- TN20適用于合金鋼、不銹鋼和高強度鋼的半精加工。在一定條件下，可用于球墨鑄鐵和灰鑄鐵的精加工和半精加工。
- TN30用于合金鋼、不銹鋼、高強度鋼和球墨鑄鐵的高速精銑加工和半精銑加工，也可用于這類材料的車削加工。
三、結語
鈦基硬質合金的性能介于陶瓷和WC基硬質合金之間，可以用比普通鎢基硬質合金更高的切削速度切削，加工的工件表面質量好。因此，特別適于鋼材和鑄件的精加工和半精加工。在國外，TiC基和Ti(C,N)基硬質合金所占比重已達到可轉位刀片總需求量的30%以上。近幾年來，隨著涂層鈦基硬質合金(可單涂層，也可用多元復合涂層)、超細晶粒和納米晶粒以及梯度結構鈦基硬質合金的開發，使材料的綜合性能大大提高，應用范圍更加擴大。
梯度結構鈦基硬質合金是利用傾斜功能材料原理制成的，各層成份可根據需要加以調節，它實際上是靠組織連續變化而引起性能緩變而獲得的一種功能性復合材料。這種材料可用作航空航天工業上的熱防護材料、核反應堆的內壁材料、汽車發動機的燃燒室材料、以及梯度刀片材料等。如日本住友電工公司的CN8000型刀片即屬于這一類。這種刀片的表面為20μm厚的高硬度耐磨的Cermet層，由表及里向材料內部逐漸由高強度硬質合金相組成，晶體組織呈連續傾斜結構。CN8000型刀片的綜合性能好，它�？梢坏秲捎�(粗精加工用一把刀具)，故可減少刀具品種，節省刀具成本。
可以預料，隨著新型鈦基硬質合金的廣泛使用，必將促進機械產品的更新換代及高速切削和干式切削技術的發展，而新產品的開發及高速切削和干式切削技術的推廣與應用，又將進一步推動新型鈦基硬質合金的使用。

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