常州浩克工具有限公司：全面解析硬质合金刀具材料（上）

 

硬质合金由Schroter于1926年（某些文献为1923年）首先发明。它是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁族金属用粉末冶金方法制备而成。经过几十年的不断发展，硬质合金的硬度已达89~93HRA。

硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500°C下也基本保持不变，在1000°C时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用作刀具材料，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化学纤维、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢切削速度的数百倍。由于硬质合金具有良好的综合性能，因而在刀具行业得到了广泛应用。

 

 

I 硬质合金分类

 

 

 

硬质合金有钨钴类硬质合金、钨钴钛类硬质合金和新型硬质合金。

钨钴类硬质合金

 

钨钴类硬质合金代号为YG，是由碳化物（WC）和结合剂（Co）组成的。此类硬质合金强度高，能承受较大的冲击力，其韧性、导热性能较好，硬度和耐磨性较差，主要用于加工黑色金属及有色金属和非金属材料。

Co的质量分数越大，韧性越好，适合粗加工；

Co的质量分数小，则用于精加工。

常用的牌号有YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等，数字表示Co的质量分数。

钨钴钛类硬质合金

 

钨钴钛类硬质合金的代号为YT，这类硬质合金除包括碳化钨（WC）和结合剂（Co）外，还加入了5%~30%的碳化钛（TiC）。此类硬质合金硬度、耐磨性、耐热性都明显提高，但韧性、抗冲击振动性差，主要用于加工钢料。

TiC的质量分数越大，Co的质量分数越小，耐磨性越好，适合精加工；

TiC的质量分数越小，Co的质量分数越大，承受冲击性能越好，适合粗加工；

常用的牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等。

新型硬质合金

 

新型硬质合金是在上述两类硬质合金的基础上，添加某些碳化物而使其性能得以提高的。

如在YG类中添加碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC），可细化晶粒，提高硬度和耐磨性，还可提高合金的高温硬度，高温强度和抗氧化能力，而韧性不变，如YG6A、YG8N、YG8P3等；

而在YT类中添加合金，可提高抗弯强度、冲击韧性、耐热性、耐磨性及高温强度、抗氧化能力等，这类材料既可用于加工钢料，又可加工铸铁和有色金属，被称为通用合金或万能硬质合金，代号为YW，如YW1、YW2、YW3。

 

 

 

 

 

 

 

缠常用常

 

I 硬质合金性能

 

 

 

硬度

 

由于硬质合金碳化物WC、TiC等的硬度很高，因而其整体也就具有高硬度，一般在89~93HRA内。硬质合金的硬度值随碳化物性质、数量和粒度而变化，随粘结剂含量的增多而降低。在粘结剂含量相同时，WC-TiC-Co硬质合金的硬度高于WC-Co硬质合金。

此外，硬质合金的硬度又随着温度的升高而降低。在700~800°C时，一部分硬质合金保持着相当于高速钢在常温时的硬度。硬质合金的高温硬度仍取决于碳化物在高温下硬度，故WC-TiC-Co硬质合金的高温硬度比WC-Co硬质合金高些。

添加TaC或NbC能提高硬质合金的高温硬度。

强度

 

硬质合金的抗弯强度只相当于高速钢的1/3~1/2。

硬质合金中的钴含量愈多，合金的强度愈高。

含有TiC的合金不含TiC的合金的强度低，TiC含量愈多，合金强度也愈低。

在WC-TiC-Co类硬质合金中添加TaC可提高其抗弯强度。添加4%~6%TaC可使强度增加12%~18%。

在硬质合金中添加TaC会显著提高刀刃强度，增加TaC含量会加强刀刃抗碎裂和抗破损能力。同时，随着TaC含量的增加，其疲劳强度也相应增加。

硬质合金的抗弯强度比高速钢高30%~50%。

韧性

 

硬质合金的韧性比高速钢低的多。

含TiC合金的韧性比不含TiC合金的韧性还要低，TiC含量增加，韧性也降低。

在WC-TiC-Co合金中，添加适量TaC，在保证原来合金耐热性和耐磨性的同时，能使合金的韧性提高10%。将Wc-TiC-TaC-Co合金在周期性冲击压负载下进行的试验表明，含7.5%TaC的合金比不含TaC的冲高限度要大24倍多，显示出较高的动态屈服强度。

由于硬质合金的韧性比高速钢低，因而不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。特别是在低速切削时，黏结和崩刃现象跟为严重。有统计表明，硬质合金刀片由于崩刃和断裂（特别是在重型刀具中）而引起的损耗占70%~90%。

热物理性能

 

硬质合金的导热性高于高速钢，热导率为高速钢的2~3倍。

由于TiC的热导率低于WC，故WC-TiC-Co的合金的导热性低于WC-Co合金。合金中含TiC愈多，导热性也愈差。

合金的导热性愈低，则耐热冲击性也愈差。

硬质合金的比热容是高速钢的2/5~1/2，加TiC合金的比热容比不加TiC合金的比热容大，TiC含量增加，比热容也增大。

硬质合金的热膨系数取决于钴的含量，钴含量增多，则热膨系数也增大。WC-TiC-Co合金的热膨系数大于WC-Co合金。后者的热膨系数为高速钢的1/3~1/2。

含TiC合金由于导热性差，热膨系数大，故其耐热冲击性能低于不含TiC的硬质合金。

耐热性

 

硬质合金的耐热性比高速钢高得多。如图所示，在800°C~1000°C时尚能进行切削。在高温下有良好的抗塑性变形能力。

 

 

在硬质合金中添加TiC可提高其高温硬度。TiC的软化温度高于WC，因此WC-TiC-Co合金的硬度随着温度上升而下降的幅度较WC-Co合金慢。

由于TaC的软化温度比TiC的更高，因此在硬质合金中加入TaC或NbC可以提高合金的高温温度。例如：

在WC-TiC-Co合金中加入TaC后，高温硬度可以提高50~100HV，添加NbC的效果则没有添加TaC的效果那么显著；

在WC-Co合金中加入TaC后，在800°C时强度最大可提高150~300MPa；加入NbC，可提高100~250MPa。

由此可知，加入TaC可提高硬质合金的高温抗塑性变形能力，而刀具的破损常常是由于刀刃塑性变形量增加产生热裂纹开始的，因此刀刃抗塑性变形能力的提高可减少刀具的破损。

抗粘结性

 

硬质合金的粘结温度大大低于WC与钢的粘结温度，因此，合金中钴含量增加时，粘结温度下降。TiC的粘结温度高于WC，因此，WC-TiC-Co的粘结温度高于WC-Co合金（超过100°C）。用含TiC的合金刀具切削时，在高温下形成的TiO2可减轻粘结。

TaC和NbC与钢的粘结温度比TiC的粘结温度还要高，因此添加TaC和NbC的合金有更好的抗粘结能力。

在硬质合金的成分中，不同碳化物与工件材料的亲和力是不同的。TiC和TaC与不同材料的反应指数总和比WC低得多，有的试验证明，TiC与工件材料的亲和力要比WC与工件材料的亲和力小几倍到几十倍。因此，在硬质合金中加入TiC和TaC可大大减少粘结磨损，这对加工钢材时减少刀具的月牙洼磨损时特别重要的。

化学稳定性低

 

硬质合金刀具的耐磨性与在工作温度下合金的物理及化学稳定性有密切关系。

硬质合金的氧化温度高于高速钢的氧化温度。硬质合金刀具的抗氧化磨损能力取决于合金在高温下的氧化程度。

TiC的氧化温度大大高于WC的氧化温度，因此，在高温下，WC-TiC-Co合金的氧化量低于WC-Co合金，而且TiC的含量愈多，抗氧化能力也愈强。

硬质合金中钴的含量增加时，氧化能力也会增强。

TaC的氧化温度也高于WC，因此合金中加入TaC和NbC会提高其抗氧化能力。

硬质合金刀具的抗扩散磨损能力取决于合金在高温下的扩散程度。

WC在947°C以上温度开始在Fe中明显扩散，而TiC的明显扩散温度为1047°，因此WC-TiC-Co合金与钢产生显著扩散作用的温度（900~950°C）也高于WC-Co合金的温度（850~900°C）。

硬质合金中的WC是分解为W和C后扩散到钢中去的，而TiC则比WC难于分解，故Ti的扩散速率远低于W。

TiC在Fe中的溶解度大大低于WC。TiC、（Ti▪W）C、TaC在1250°C的溶解度仅为0.5%，为WC溶解度的1/14，在合金中（Ti▪W）C成了扩散的抑制剂。在WC-TiC-Co合金中加入Ta和Nb后形成的固溶体[(W▪Ti▪Ta▪Nb)C]则更不宜扩散，而且TaC的扩散温度比TiC还高，因此其抗扩散能力更强。如图所示：

 

 

 

 

 

由上述可知，在高速加工钢材时，为了减少刀具的扩散磨损，在硬质合金中添加TiC和TaC是极为重要的。

硬质合金的以上特性赋予硬质合金刀具比高速钢刀具高的多的耐用度，可以几倍地提高切削速度和切削加工生产率，因而在刀具材料中的比重日益增加。