新型硬质合金——细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti(C，N)与TiC基硬质合金

摘  要：主要介绍了细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti(C，N)基与TiC基硬质合金的种类和性能，并列入一些试验数据。

关键词：硬质合金；细晶粒；超细晶粒；金属陶瓷；切削刀具

1  概述

    本文介绍两类新型硬质合金的种类与性能：

    (1)细晶粒与超细晶粒硬质合金；

    (2)Ti(C，N)基与TiC基硬质合金，这类硬质合金又可称为“金属陶瓷”，英文叫“Cermet”。应当注意，“金属陶瓷”的成分仍是碳化物，与人们熟知的氧化铝、氮化硅陶瓷不是等同的东西。

    细化晶粒是改变硬质合金的结构；而Ti(C，N)基与TiC基硬质合金则是改变台金的化学成分通过这两种方法都能改善硬质合金的性能。

2  细晶粒和超细晶粒硬质合金

    硬质合金的晶粒细化后，使硬质相尺寸变小，粘结相更均匀地分布在硬质相周围，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性。如适当增加钴含量，还可以提高抗弯强度。矿用或钴探用的合金为粗晶粒，平均晶粒尺寸为4～5μm；普通牌号的刀具用合金YT15、YG6等均为中晶粒，平均晶粒尺寸为2～3μm：细晶粒合金的平均晶粒尺寸为1～2μm，亚微细粒合金为0.5～1μm，超细晶粒合金则为0.5μm以下。日本等国很重视这类合金的研制，我国在20世纪60年代就有了细晶粒合金的牌号，如YG3X、YG6X。70年代末期开始研制亚微细粒合金．株洲硬质合金厂的亚微细粒牌号有YS2T、YS8、YS10及YD15，自贡硬质合金厂的YG643、YG600、YG610、YG640等都是亚微细粒牌号(见表1)。

    早先的细晶粒和亚微细粒结构多用于WC+Co的合金(即K类合金)。近年来M类和P类(WC+TiC+Co)合金也向晶粒细化的方向发展。80～90年代，各国已研制出超细晶粒合金。

    用细品粒、亚微细粒硬质合金代替普通中等晶粒的硬质合金，如以YG3X、YG6X代替YG3、YG6，以YS8、YS10代替YG6，能够显著提高刀具使用寿命。

    近年，自贡硬质合金厂已研制出亚微细粒硬质合金牌号ZK10UF和ZK30UF(相当于K10和K30)，硬度为HRA92.5～91.5，抗弯强度为2～2.5GPa，其平均品粒尺寸为0.6～0.8μm。该厂又研制出超细品粒硬质合金牌号Zcx10、Zcx30和Zcx40(相当于K10、K30和K40)，硬度为HRA93～92，抗弯强度为2.5～3.5GPa，其平均品粒尺寸为0.4～0.5μm。

3  Ti(C，N)基与TiC基硬质合金(金属陶瓷)

    不论是YT类、YG类，或在它们的基础上添加了TaC、NbC的新型合金，都属于WC基合金。因为在它们当中，WC是主要成分，含量达65～97％，并以Co为粘结剂。TiC基合金是后来发展起来的，其主要成分为TiC，占60～80％以上，少含或不含WC，以Ni、Mo作粘结剂。与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有更好的耐磨性，但韧性和抗塑性变彤的能力稍弱。我国代表性牌号是YN05、YN10(株洲硬质合金厂研制)，用以切削正火和调质状态下的钢材，其切削性能优于WC基合令YT30、YT15。

    近年，我国又开发Ti(C，N)基合金，它具有与TiC基合金相同的特性与优点，但其韧性、抗塑性变形能力高于TiC基合金，有发展前景。应用范围略同于TiC基合金，主要是切削钢料，但加工范围较宽。

    表2列出了WC、TiC、TiN、Ti(C，N)等物质的机械性能。可以看出，TiC和Ti(C，N)的硬度高于WC。Ti(C，N)的各项性能均介于TiC、TiN之问，故Ti(C，N)的弹性模量大于TiC。由此可以解释，Ti(C，N)綦与TiC基硬质合金的硬度和耐磨性高于WC基合金；Ti(C，N)基合金的抗塑性变形的能力高于TiC基合金：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>表2  几种化合物的机械性能

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normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center> 

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>WC

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>TiC

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>TiN

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>Ti(C,N)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>常温硬度

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>2400

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>3200

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>1950

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>2600

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>弹性模量E(×10⁴MPa)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>72

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>32.1

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>61.6

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>——

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株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂生产的Ti(C，N)基与TiC基硬质合金的牌号如表3、表4所列。

 

    有色金属研究总院还研制成功了Ti(C，N)基硬质合金NT7。

4  切削试验

    作者用国产不同牌号的Ti(C，N)基硬质合会刀片，与相同级别的WC基硬质合金刀片进行对比切削实验。

    (1)用有色金属研究总院研制的NT7刀片及株洲硬质合金厂生产的TN20刀片，与WC基YT14刀片，做对比车削试验。工件材料为38CrNi3MoVA高强度钢(HRC36～40)：切削用量

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">αp=1mm，f=0.21mm/r；刀具几何参数γ₀=-6°，α₀=6°，K_r=45°，λ_s=-4°，γ_ε=O.8mm。所得的T-ν曲线如图1所示。相应的Taylor公式为：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    NT7   ν=440/T^0.48   (m/min)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    TN20  ν=440/T^0.48   (m/min)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    YT14  ν=275/T^0.35   (m/min)

    从图1可见，TN7与TN20的水平相同，它们的使用寿命高于YT14甚多。

 

    (2)用株洲硬质合金厂生产的Ti(C，N)基硬质合金刀片TN320刀片，与YT14刀片做对比铣削试验，工件材料为中碳钢45(HB187)。切削用量αp=1mm，f=0.125mm/r，ν=147m/min。刀盘直径125mm，工件宽度50mm。刀具几何参数~γ_p=2°，γ_r=0°，K_r =75°，K_r =15°。所得到的刀具磨损曲线如图2所示，可见TN320优于YT14。

 

    (3)用NT7、TN20、YT14三种刀片进行抗冲击对比车削试验。工件为合金钢齿轮(HB320)。αp=1mm，f=0.2mm/r，冲击频率为4kHz。所得的试验曲线如图3所示，到崩刃之前，NT7刀片与TN20刀片能承受的冲击次数分别比YT14刀片高出约30％与50％。由此可见，Ti(C，N)基硬质合金刀片有较好的抗冲击能力。