硬质合金刀具材料的分类和性能

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硬质合金刀具是数控加工刀具中的主导，有的国家90%以上的车刀和55%以上的铣刀都采用硬质合金制造；硬质合金还是制造钻头、面铣刀等通用刀具的常用材料。同时，铰刀，立铣刀，加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具，拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。硬质合金刀具的切削效率是高速钢刀具的5～8倍。单位含钨量切除的金属量比高速钢约大5倍。因此，广泛使用硬质合金作为刀具材料是有效利用资源，提高切削加工生产率，提高经济效益的最有效途径之一。

3.1.1 硬质合金刀具材料的分类

按照主要化学成分区分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳（氮）化钛（（TiC）N）基硬质合金，见表3-1。碳化钨基硬质合金包括钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和添加稀有碳化物类（YW）三种。它们各有优缺点，添加的碳化物包括碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）等，常用的金属粘接相是Co。碳（氮）化钛基硬质合金是以TiC为主要成分（有些加入了其它碳化物或氮化物）的硬质合金，常用的金属粘接相是Mo和Ni。按照晶粒大小区分，硬质合金可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金。

表3-1 硬质合金刀具的种类

GB/T 2075—2007规定字母符号HW代表主要含碳化钨（WC）的未涂层的硬质合金，粒度大于等于1μm；HF代表主要含碳化钨（WC）的未涂层的硬质合金，粒度小于1μm；HT代表主要含碳化钛（TiC）或氮化钛（TiN）或两者都有的未涂层的硬质合金（也可称为金属陶瓷）；HC代表上述硬质合金进行了涂层。

ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分为三类：

1）K类，包括K10～K40，相当于我国的YG类（主要成分为WC-Co）。

2）P类，包括P01～P50，相当于我国的YT类（主要成分为WC-TiC-Co）。

3）M类，包括M10～M40，相当于我国的YW类（主要成分为WC-TiC-TaC（NbC）-Co）。

每一类合金各个牌号分别以一个01～50之间的数字表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种被加工材料的不同切削工序及加工条件时选用。根据使用需要，在两个相邻的分类代号之间，可插入一个中间代号，如在P10和P20之间插入P15；K20和K30之间插入K25等，但不能多于一个。在特殊情况下，P01分类代号可以再细分，即在其后再加一位数字，并以一个小数点隔开，如P01.1、P01.2等，以便在作精加工时能进一步区分材料的耐磨性与韧性。

3.1.2 硬质合金刀具材料的性能

硬质合金材料以金属合金为基，碳化物为强化相，具有与工具钢、高速钢等不同的物理、力学与工艺性能。综合说来，工具钢、高速钢、硬质合金材料强度、硬度、耐热性能依次增加，而韧性则呈降低趋势。

1.硬度

硬质合金中因含有大量硬质碳化物（WC、TiC等），其硬度比高速钢材料要高得多。硬质合金的硬度越高，耐磨性也越好。一般来说，其耐磨性比高速钢高得多。在硬质合金材料中，粘接相钴化合物的含量越多，则合金的硬度越低。由于TiC的硬度比WC的硬度高，WC-TiC-Co合金的硬度也高于WC-Co合金。TiC含量越多，合金的硬度也就越高。在WC-Co合金中添加TaC可提高其硬度，加入TaC对合金硬度的提高范围约为40～100HV；加入NbC则可提高70～150HV。

2.强度

硬质合金的抗弯强度只相当于高速钢材料抗弯强度的1/3～1/2。硬质合金材料中的钴元素含量越多，合金的强度越高。含有TiC的合金比不含TiC硬质合金的强度低；而TiC的含量越多，合金的强度也越低。在WC-TiC-Co系硬质合金中添加TaC可提高其抗弯强度。在硬质合金中添加TaC会显著提高切削刃强度，增加TaC含量会加强切削刃的抗碎裂和抗破损能力。这类合金中TaC的含量增加时，疲劳强度也会增加。硬质合金的抗压强度比高速钢材料高30%～50%。

3.韧性

硬质合金的韧性比高速钢低得多。含TiC合金的韧性比不含TiC合金的韧性要低，TiC含量增加，韧性降低。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约10%。由于硬质合金的韧性较高速钢低，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，粘接和崩刃现象更为严重。

4.热物理性能

硬质合金的导热性能高于高速钢，约为高速钢的2～3倍。由于TiC的热导率低于WC，WC-TiC-Co合金的导热性能也低于WC-Co合金。合金中含TiC越多，导热性也越差。

5.耐热性

硬质合金的耐热性比高速钢高得多，在800～1000℃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可以提高其高温硬度。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合金为慢。含TiC越多，含钴越少，其下降幅度也越小。由于TaC的软化温度比TiC的高，在硬质合金中加入TaC或NbC可以提高合金的高温硬度。在硬质合金中添加TiC也可以提高合金的高温强度。

6.抗粘接性

硬质合金的粘接温度高于高速钢，因而有较高的抗粘接磨损能力。硬质合金中钴与钢的粘接温度大大低于WC与钢的粘接温度。当合金中钴含量增加时，粘接温度下降。TiC的粘接温度高于WC，因此WC-TiC-Co的粘接温度高于WC-Co合金（大约高100℃）。用含有TiC的合金刀具切削时，在高温下形成的TiO2可以减轻粘接效应。TaC和NbC与钢的粘接温度比TiC的粘接温度高，因此添加TaC和NbC的合金有更好的抗粘接能力。硬质合金成分中，不同碳化物与工件材料的亲和力不同，TaC与工件材料的亲和力是WC的几分之一到几十分之一。

7.化学稳定性

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的关系。硬质合金的氧化温度高于高速钢的氧化温度。

TiC的氧化温度大大高于WC的氧化温度。在高温下，WC-TiC-Co合金的氧化增重量低于WC-Co合金，而且TiC的含量越多，抗氧化能力也越强；TaC的氧化温度也高于WC，合金中含有TaC和NbC时会提高其抗高温氧化能力。硬质合金中的钴含量增加时，氧化也会更容易。

硬质合金与高速钢的物理力学性能对比见表3-2。

表3-2 硬质合金与高速钢的物理力学性能对比

（续）

硬质合金的各种特性赋予了其比高速钢刀具高得多的寿命（几倍至几十倍），可以成倍地提高切削速度和切削加工生产率；加工高速钢刀具不能加工的高硬度材料。

3.2 典型的硬质合金刀具材料

典型硬质合金刀具材料主要有碳化钨基硬质合金、TiC（N）基硬质合金、添加TaC（NbC）的硬质合金、超细晶粒硬质合金等。硬质合金材料的性能主要由添加的强化相决定。硬质合金主要组成成分的性能见表3-3。

表3-3 硬质合金主要组成成分的性能

3.2.1 碳化钨基硬质合金

1.钨钴类（YG）硬质合金

这类硬质合金由WC和Co组成。我国生产的常用牌号有YG3、YG3X、YG6、YG6X和YG8等。YG类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。这类合金的硬度为89～91.5HRA，抗弯强度为1100～1500MPa。YG类硬质合金的晶粒有粗细之分。一般硬质合金（如YG6、YG8）均为中等晶粒，YG3X和YG6X为细晶粒硬质合金。在含钴量相同时，细晶粒硬质合金的硬度和耐磨性要高一些，但抗弯强度和韧性要低一些。细晶粒硬质合金适用于加工一些特殊的冷硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜、硬的和耐磨的绝缘材料等。表3-4所示为常用钨钴类（YG）硬质合金刀具材料的性能。

表3-4 常用钨钴类（YG）硬质合金刀具材料的性能

注：Y表示硬质合金；G表示钴；其后的数字表示钴的含量；X表示细晶粒硬质合金。

2.钨钴钛类（YT）硬质合金

这类合金中的硬质相除WC外，还含有5%～30%（质量分数）的TiC。常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30，w（TiC）分别为5%、14%、15%和30%。这类合金的硬度为89.5～92.5HRA，抗弯强度为900～1400MPa。随着合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。与YG类硬质合金比较，YT类合金的硬度提高了，但抗弯强度特别是冲击韧度显著降低。此外，YT类合金的突出优点是导热性能及焊接性能随TiC含量的增加而显著降低。因此，当要求刀具有较高的耐热性及耐磨性时，应选用TiC含量较高的牌号。当刀具在切削过程中受冲击和振动而易引起崩刃时，则选用TiC含量低的牌号。表3-5所示为常用钨钴钛类（YT）硬质合金刀具材料的性能。

3.添加稀有碳化物类（YW）硬质合金

在普通硬质合金中添加TaC、NbC后，能够有效地提高常温与高温硬度及高温强度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化磨损的能力，从而提高了耐磨性。在YT类硬质合金中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧度、高温硬度、高温强度、抗氧化能力和耐磨性。常用牌号有YW1和YW2（国际上为M类）。YW类合金兼具YG、YT类合金的性能，综合性能好，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有色金属，常被称为通用型合金。这类合金如适当增加钴含量，强度可很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切屑。表3-6所示为常用通用型合金（YW）硬质合金刀具材料的性能。

表3-5 常用钨钴钛类（YT）硬质合金刀具材料的性能

注：Y表示硬质合金；T表示碳化钛；其后的数字表示碳化钛含量。

表3-6 常用通用型合金（YW）硬质合金刀具材料的性能

注：Y表示硬质合金；W表示通用型合金。

3.2.2 碳（氮）化钛基硬质合金（金属陶瓷）

碳化钨基硬质合金的主要成分是WC，并以Co为粘接相。全世界钨资源紧缺，而Ti储量约为W的1000倍。TiC（N）基硬质合金是以TiC代替WC为硬质相，以Ni、Mo等作粘接相制成的硬质合金，其中WC含量较少，其耐磨性优于WC基硬质合金，介于陶瓷和硬质合金之间，也称为金属陶瓷。Ni作为粘接相可提高合金的强度，Ni中添加Mo可改善液态金属对TiC的润湿性。由于TiC（N）基硬质合金表现出优越的综合性能，同时它又可节约普通硬质合金常用的W、Co等贵重稀有材料，因此从一开始就被认为是一种大有发展前途的刀具材料。自问世以来，TiC（N）基硬质合金在世界各地主要硬质合金生产厂家均得到重视并迅速发展，目前已分别推出了系列品种和牌号。

TiC（N）基硬质合金有如下一些特点：

1）硬度一般可达到90～95HRA，接近陶瓷刀具的硬度水平，抗弯强度比陶瓷刀具材料高得多，填补了WC基硬质合金与陶瓷材料之间的空白。

2）耐磨性能和抗月牙洼磨损能力强，与工件的亲和力小，摩擦因数小，抗粘接性能强。

3）有较高的耐热性能和抗氧化能力，1100～1300℃高温下尚能进行切削。

4）化学稳定性好，具有很好的切削加工性，刀具寿命高且允许应用于较高的切削速度（300～400m/min）。

由于TiC（N）基硬质合金有接近陶瓷的硬度和耐热性，加工时与钢的摩擦因数小，且抗弯强度和断裂韧度比陶瓷高。因此，TiC（N）基硬质合金可作为高速切削加工刀具材料，用于精车时，切削速度比普通硬质合金提高20%～50%。

TiC基合金在加入TiN后，性能有了很大的提高。添加TiN的合金不仅强度和韧性得到提高，抗塑性变形和抗崩刃性能也得到改善，而且高温强度和高温硬度、导热性和耐冲击性能都有提高，使TiC（N）基硬质合金刀具不仅可用于钢材和铸铁的精加工，而且已成为粗加工、铣削等断续切削适宜的刀具材料。在低速切削、湿式切削、微量切削及要求表面粗糙度值很小的切削加工中，更显示出其优越性。

TiC（N）基硬质合金按其成分和性能不同可分为：

1）成分为TiC-Ni-Mo的TiC基合金。

2）添加其它碳化物（如：WC、TaC）和金属的强韧TiC基合金。

3）添加TiN的TiCN基合金。

4）以TiN为主要成分的TiN基合金。表3-7列出了各种TiC（N）基硬质合金的性能对比。

表3-7 各种TiC（N）基硬质合金性能对比

TiC-Ni-Mo是TiCN基硬质合金中的典型成分，各国生产的这种成分的刀具也最多，我国通常使用的强韧TiC基合金有YN10、YN15、YN501、YN510等。TiC和TiC-TiN基硬质合金的主要牌号有YN501N、YN510N和YN520N等。表3-8和表3-9为部分国内外TiC基及TiC（N）基硬质合金的性能，表3-10～表3-12所示为部分国外TiC（N）基硬质合金的性能。

表3-8 国产TiC（N）基硬质合金的性能和使用范围

表3-9 国外TiC（N）硬质合金刀具牌号使用分类分组对照

表3-10 日本黛杰（Dijet）公司TiC（N）基硬质合金的性能和应用范围

表3-11 特固克（TaeguTec）公司TiC（N）基硬质合金的性能

表3-12 特固克（TaeguTec）公司TiC（N）基硬质合金刀具的应用范围和切削参数

另外，在TiC/Ni/Mo合金中添加氮化物也可显著提高硬质合金的性能，并扩大其应用范围。由于TiN的热稳定性比TiC高，热导率大，与金属的亲和力小，润湿性能好，因此TiC（N）合金的高温硬度和强度高，抗氧化能力高，导热性和抗热冲击能力得到了加强，还可以减少刀具与被加工材料之间的摩擦、减小粘接磨损，提高刀具的抗月牙洼磨损能力。两种TiC（N）基硬质合金各种性能对比见表3-13。

表3-13 两种TiC（N）基硬质合金各种性能对比

3.2.3 添加TaC（NbC）的硬质合金

在硬质合金中添加TaC（NbC）是提高硬质合金性能的有效方法。在TiC/Ni/Mo合金中以WC、TaC等韧性较好的碳化物取代部分TiC是提高硬质合金性能，扩大其使用范围的一种有效方法。添加WC和TaC可以提高硬质合金的韧性、弹性模量、抗塑性变形的能力和高温强度等，还可改善硬质合金的导热性、抗热冲击性，使刀具更适合断续切削。

在WC-Co合金中可通过添加0.5%～3%（质量分数）的TaC、NbC、Cr3C2、VC、TiC、HfC等来改善其性能。基本目的通常是细化晶粒；保持结晶结构均匀，不发生明显的再结晶；提高合金的硬度和耐磨性而不降低合金的韧性等。此外，还可以提高合金的高温硬度、高温强度和抗氧化能力，切削时可以产生一层坚韧且能够自行补偿的氧化膜，它能在切削某些金属或合金时抵抗粘接和扩散磨损，提高刀具耐磨性，增加抗月牙洼磨损和抗后面磨损能力。随着硬质合金中含钴量的增加，这些优点也更加突出。

含质量分数为1%～3%TaC（NbC）的硬质合金，可加工各种铸铁（包括特硬铸铁及合金铸铁）；含质量分数为3%～10%TaC（NbC）的低钴合金，如YG6A、YG8N、YG813等，它们不仅可用于加工冷硬铸铁、球墨铸铁、有色金属等，还可以用于加工不锈钢、淬硬钢、高温合金等一些难加工材料，通常被称为通用型合金（YW）。

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，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削。例如，可用于对大型钢铸件、钢锻件的剥皮加工；对奥氏体钢、耐热合金的车、刨和铣削加工；用于大前角、大切削断面、中速和低速加工；也可用自动机、半自动机和多刀机床的粗车；以及用于制作切削刃强度较高的钻头、齿轮滚刀等刀具。

在WC-TiC-Co合金中，TiC含量过高会增加合金对热裂纹的敏感性，导致合金脆性的增加。在低TiC高钴的WC-Ti-Co合金中添加TaC，能提高合金的韧性、耐热性和抗氧化性能；TiC使合金的耐热冲击性能恶化，通过添加TaC可改善合金的耐热冲击性，因而适用于铣削加工。

价格较低的NbC或用Hf-Nb的碳化物（质量分数为Hf-60%、Nb-40%）也可代替TaC使用。在TiC-Ni-Mo合金中如同时加入TiN、WC和TaC，则可显著改善高温下（900～1000℃）合金的硬度、抗弯强度、抗氧化性与导热性。