钛基硬质合金综述.doc

钛基硬质合金综述内容摘要: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”。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。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。 1. 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91HRA93.5HRA，高的可达94HRA95HRA）、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11001300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。 2. 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（50HRA62HRA）、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55HRC62HRC的65Mn钢辊子（352mm×250mm），当切削速度VC=7595m/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23倍，表面粗糙度达Ra3.2m。精车1Cr18Ni9Ti不 钢（137mm×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. 2m；而用YN10刀具精车后，工件的锥度仅为0.04mm，表面粗糙度为Ra1.6m。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%。 表1列出部分国产的TiC基及强韧TiC基硬质合金牌号的性能和使用范围。 表1 部分国产的TiC基及强韧TiC基硬质合金牌号的性能和使用范围 注：YN05、YN10和YN15是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号；YN501等是四川自贡硬质合金厂生产的牌号 3. 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58倍，比YD05F（P01P05）合金高0.31.3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。 表2列出部分国产的Ti（C, N）基硬质合金牌号的物理机械性能。 表2 部分国产的Ti(C,N)基硬质合金牌号的物理机械性能 注：TN系列是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号；NT系列是四川自贡硬质合金厂生产的牌号表中NT系列为四川自贡硬质合金厂生产的牌号，TN系列是湖南株洲硬质合金厂生产的牌号。其中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20m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。在工程塑料中添加功能助剂可赋予工程塑料制品在力学性能、电性能、耐老化性、安全加工工艺性等方面的特定性能，然而面对种类繁多的功能助剂，工程塑料制品开发人员应该如何正确选择和应用呢。 随着我国塑料行业在21世纪的快速发展，工程塑料作为一类在机械、汽车交通、电子通讯、电气电器等领域广泛应用的重要基础材料，始终保持着15%20%的年增长速度，其制品则日趋高性能化、差异化、精细化。为了满足工程塑料制品的特殊要求，对材料进行改性是必需的。三是针对改性的目标，添加各类高分子功能助剂。在工程塑料中添加功能助剂可赋予工程塑料制品在力学性能、电性能、耐老化性、安全加工工艺性等方面的特定性能，然而面对种类繁多的功能助剂，工程塑料制品开发人员应该如何正确选择和应用呢？ 随着我国塑料行业在21世纪的快速发展，工程塑料作为一类在机械、汽车交通、电子通讯、电气电器等领域广泛应用的重要基础材料，始终保持着15%20%的年增长速度，其制品则日趋高性能化、差异化、精细化。 为了满足工程塑料制品的特殊要求，对材料进行改性是必需的。目前对高分子材料进行改性的方法主要有三种：一是可以通过合成技术，引进新的单体和改变本体结构来实现；二是可以将多种具有不同结构的高分子材料进行物理化学的处理，以进行合金化改性；三是针对改性的目标，添加各类高分子功能助剂。从经济性和快捷性来比较，第三种改性手段最有优势，只要合理设计和筛选使用助剂，就可以很方便地实现功能和成本的最佳结合。 不过，需要注意的是，助剂品种繁多，而且其功能和应用特性也不尽相同，若选用不正确，不仅不能充分发挥助剂的功效，达不到预期的目标，反而会对解决问题的思路产生误导，从而不利于后续的改进工作，既浪费人力又浪费物力。因此，面对品种繁多的功能助剂和不同使用要求的工程塑料制品，如何正确选择功能助剂是工程塑料制品开发人员必须认真对待的问题。下面就针对工程塑料制品所需的几种典型性能逐一进行阐述。 高电性能 在电子电器控制开关元器件中，虽然传统的热固性塑料（如环氧树脂、不饱和树脂）具有良好的电绝缘性能，特别是在潮湿环境下的稳定电性能，但由于存在反应注射成型周期长，浇口不可回用等问题，使其应用受到限制。而新型的具有高湿热稳定性、高电性能的热塑性工程塑料则不存在此问题。与热固性不饱和树脂（UP）对比，它具有如下优点：产品成型周期短、能耗低、生产效率高，更适用于规模化生产；产品无污染和固体废弃物问题、环保性高、可回收利用，进一步降低了用户成本；产品密度小，一般小于1.8 g/cm3（UP类产品比重一般在2.0 g/cm3以上），其单位成本较低，经济效益高。 对于该类新型材料中的阻燃类产品而言，为实现高电性能，特别需要对配方体系中的阻燃体系进行筛选，因为对电性能影响最大的往往是阻燃剂。如果使用常规卤素阻燃剂体系，就必须解决其析出问题，降低对电性能的影响。为此，一方面可选用与树脂基体相容性好的阻燃剂，如选用美国雅宝公司的BT-93，另一方面也可使用高分子量的阻燃剂来避免析出，如选用以色列ICL（死海溴公司）的溴化环氧类阻燃剂F2100或大湖产的聚溴化苯乙烯PBS-64HW等。 具高电性能的电子电器元器件近几年，采用对电性能影响小的含磷、氮类阻燃剂是一个趋势。一般而言，含磷、氮类的阻燃剂与树脂的相容性较好，且一般不需要无机助阻燃剂，从而使所制得的工程塑料产品的电性能比较高。例如，近几年日本东丽公司新开发出的非卤、非红磷的PBT阻燃材料EC44G30，在阻燃达到V-0级（1/32）的前提下，其CTI值可达600V。目前，含氮类阻燃剂主要有三聚氰胺氰脲酸酯（MC）及其盐（MCA），含磷、氮类阻燃剂有三聚氰胺多聚磷酸酯（MPP）、聚间苯二酚磷酸苯基酯（RDP）等。 表1是北京市化工研究院开发出的用于电子温控器的高电性能热塑性PBT 551-GT30SF(H)产品的数据表，该产品属含卤素的阻燃体系（满足欧盟RoHS要求），具有优异的电性能（CTI达到425V）、良好的加工成型性，综合性能优良，可用于各类电子电器产品的生产。