钛基硬质合金
钛基硬质合金
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cer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”——在Al2O3-TiC中加入少量粘结金属(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、铣刀具外，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达到可转位刀片总需求量50%，并将成为铣削钢材的最佳刀具材料。
二、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。
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Mo2C)，可改善液态金属对TiC的湿润性，使TiC晶粒变细。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3250℃)高于WC(2630℃)，密度只有WC的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91HRA~93.5HRA，高的可达94HRA~95HRA)、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1100~1300℃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成本(W、Co价贵，为国际上紧缺资源)，因而近年来发展很快。国外一些性能优异的硬质合金制品，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弹性模量(710GPa)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。
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部分TiC(以弥补TiC性能的先天不足)，是提高硬质合金质量，扩大其使用范围的一种有效方法。加入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，加入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：加入TaC、NbC后还可提高合金的抗热震性能，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。
使用表明，一般TiC基硬质合金的抗崩刃性劣于WC基硬质合金P10(YT15)，比K10(YG6)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中加入了15%WC及1%NbC，其抗弯强度为1.1GPa，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(50HRA~62HRA)、工具钢、铸钢和合金铸铁的高速连续切削加工。与P01相比，可提高切削速度30%。尤其是对较大、较长的零件和表面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55HRC~62HRC的65Mn钢辊子(f352mm×250mm)，当切削速度VC=75~95m/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2~3倍，表面粗糙度达Ra3.2μm。精车1Cr18Ni9Ti不锈钢(f137mm×900mm)，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，表面粗糙度为Ra3. 2μm；而用YN10刀具精车后，工件的锥度仅为0.04mm，表面粗糙度为Ra1.6μm。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YN10，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%。
Ti(C,N)基硬质合金
Ti(C,N)基硬质合金是在TiC基合金基础上发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。由于加入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。加入一定量高熔点的TaC、NbC可改善合金的抗塑性变形能力，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5～8倍，比YD05F(P01～P05)合金高0.3～1.3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“以车铣代磨”等精加工领域。除适于切钢外，也可用于加工铸件。由于Ti(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。
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55HRC淬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佳。
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，加工的工件表面质量好。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达到可转位刀片总需求量的30%以上。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、核反应堆的内壁材料、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。这种刀片的表面为20μm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，节省刀具成本。
可以预料，随着新型钛基硬质合金的广泛使用，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发展，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。
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cer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”——在Al2O3-TiC中加入少量粘结金属(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、铣刀具外，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达到可转位刀片总需求量50%，并将成为铣削钢材的最佳刀具材料。
二、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。
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Mo2C)，可改善液态金属对TiC的湿润性，使TiC晶粒变细。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3250℃)高于WC(2630℃)，密度只有WC的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91HRA~93.5HRA，高的可达94HRA~95HRA)、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1100~1300℃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成本(W、Co价贵，为国际上紧缺资源)，因而近年来发展很快。国外一些性能优异的硬质合金制品，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弹性模量(710GPa)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。
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部分TiC(以弥补TiC性能的先天不足)，是提高硬质合金质量，扩大其使用范围的一种有效方法。加入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，加入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：加入TaC、NbC后还可提高合金的抗热震性能，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。
使用表明，一般TiC基硬质合金的抗崩刃性劣于WC基硬质合金P10(YT15)，比K10(YG6)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中加入了15%WC及1%NbC，其抗弯强度为1.1GPa，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(50HRA~62HRA)、工具钢、铸钢和合金铸铁的高速连续切削加工。与P01相比，可提高切削速度30%。尤其是对较大、较长的零件和表面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55HRC~62HRC的65Mn钢辊子(f352mm×250mm)，当切削速度VC=75~95m/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2~3倍，表面粗糙度达Ra3.2μm。精车1Cr18Ni9Ti不锈钢(f137mm×900mm)，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，表面粗糙度为Ra3. 2μm；而用YN10刀具精车后，工件的锥度仅为0.04mm，表面粗糙度为Ra1.6μm。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YN10，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%。
Ti(C,N)基硬质合金
Ti(C,N)基硬质合金是在TiC基合金基础上发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。由于加入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。加入一定量高熔点的TaC、NbC可改善合金的抗塑性变形能力，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5～8倍，比YD05F(P01～P05)合金高0.3～1.3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“以车铣代磨”等精加工领域。除适于切钢外，也可用于加工铸件。由于Ti(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。
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55HRC淬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佳。
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，加工的工件表面质量好。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达到可转位刀片总需求量的30%以上。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、核反应堆的内壁材料、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。这种刀片的表面为20μm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，节省刀具成本。
可以预料，随着新型钛基硬质合金的广泛使用，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发展，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。
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