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硬质合金基础知识
硬质合金基础知识
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碳
合
素
金
工
工
具
具
钢
钢
普
涂
通
层
硬
硬
质
质
合
合
金
金
陶瓷
超硬材料
金 属 陶 瓷
非
金
属
陶 瓷
CBN PCD
CVD
PVD
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
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。
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
常见的粘结金属一般是周期表中的铁族元素: Co、Ni、Fe
1.5 碳化物的一些主要性质
碳化物 晶格类型
Cr3C2 Mo2C WC
VC NbC TaC TiC ZrC HfC
斜方晶格 密排六方 简单六方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方 面心立方
密度 g/cm3 6.68 9.18 15.7 5.36 7.56 14.48
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 。
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
PVD涂层主要有:TiN、TiCN、TiAlN、TiN/TiCN、
TiN/TiAlN
CVD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。
晶格结构 转变温度℃ 密度g/cm3 热扩散系数k-1
熔点℃ 热导率Wμm-1k-1
电阻率μΩcm 弹性模量N/mm2
泊松比 硬度HV10
ε-Co 简单六方
α-Co 面心立方
417.25
8.85 12.5× 10-6
8.80 14.2 × 10-6
1492.6
69.21 6.24(室温)
210000
熔点 ℃ 1895 2410 2720 2810 3480 3880 3147 3530 2890
1.6 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。
2.2 ISO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
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。
WC-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。
附:切削牌号分类、分组号的基本组成和力学性能要求
分类分组
代号
01
10
P
20
30
40
10
M
20
30
40
01
10
K
20
30
40
基本组成(参考值)
WC
TiC (TaC. Co(Ni.
NbC 等)
Mo 等)
61~81 15~35
4~ 6
59~80 15~35
5~ 9
64~84 10~25
6~10
70~84
几种材料的物理机械性能
材料
熔点 密度 (°C) (g/cm³)
硬度 (HV)
弹性模量 抗高温 (kN/mm²) 氧化性能
TiC
3067 4.93
3200
470
TiN
2950 5.40
2500
590
Al2O3
2047 3.98
2100
400
硬质合金
1400~1800
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
工具钢
高速钢
切削刀具材料 硬质合金
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-TiCCo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。
8~20
7~11
72~85
5~15
8~13
75~87
4~14
5~ 7
77~85
6~10
5~ 7
79~85
4~12
6~10
80~92
1~ 3
8~15
≥93
≤4
3~ 6
≥88
≤4
5~10
≥87
≤3
5~11
≥85
≤3
6~12
≥82
≤3
12~15
力学性能
维氏硬度 洛氏硬度
HV≮
HRA≮
1860
92.0
1630
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。
3.2 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;
0.32 80-250(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))
90.5
1500
90.0
1480
89.5
1320
88.5
1780
91.5
1550
90.0
1480
89.5
1400
89.0
1710
91.0
1630
90.5
1550
90.0
1400
89.0
1200
88.0
抗弯强度 MPa≮ 700 1200 1300 1450 1650 1200 1400 1500 1650 1200 1350 1450 1650 1900
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。
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。
4.9 6.73 12.2
显微硬度 kg/cm2 1350 1499 1780 2090 1961 1599 3200 2925 2913
Leabharlann Baidu
弹性模量 kg/cm2 38000 54400 71000 43000 34500 29100 46000 35500 35900
导热率 cal/cm℃s
0.0458 0.016 0.047 0.094 0.044 0.053 0.0869 0.10 0.07
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