硬质合金基础知识

2019/12/22硬质合金基础知识2019/12/22硬质合金分类及用途一、什么是硬质合金?它有什么特点?1、定义：硬质合金是用粉末冶金方法生产的、由难熔金属化合物（硬质相）和粘接金属（粘接相）所构成的组合材料。2、特点：①硬度高、耐磨性高；②抗压强度高（可达6000MPa）；③稳定性好；④脆性较大。3、优点：与工具钢比较，硬质合金的优点是：①大大提高工具寿命，几倍到几十倍；②提高了切削速度和劳动效率；③提高了工件的精度和光洁度。2019/12/22二、硬质合金和混凝土的比较2、工艺流程：混料压制烧结1、成分3、组织结构2019/12/222019/12/22二、硬质合金的成分、结构与性能成分：硬质合金的主要成分有WC、Co和TiC，次要成分有TiN、Ni、Mo、TaC、NbC、VC、Cr3C2等。其中WC（包括TiC在内）占80%以上，Co占20%以下。其余成分比例很小。结构：钨钴合金的正常结构为WC相和Co相的两相组织。前者也称为硬质相或α相，后者为粘接相或β相。钨钛钴合金的正常结构有两种，一种是（Ti、W）C+Co两相组织，一种是（Ti、W）+WC+Co三相组织。性能：硬质合金的主要性能指标有密度、抗弯强度、硬度、矫顽磁力、钴磁等等。密度是硬质合金质量最基本的指标，它是其他各项性能的基础。硬度与抗弯强度是硬质合金两项主要机械性能指标，直接影响合金的使用效果。这三项性能就基本决定了硬质合金的综合品质，是产品出厂的考核指标，也是用户最关注的指标，合理选用硬质合金的重要依据。2019/12/22三、刀具材料中常用的几种物质的作用：WC—耐磨相，刀具材料的主成分；Co—韧性相，随着Co含量的增加，合金的强韧性增加而硬度降低；TiC—硬质相，随着TiC含量的增加，合金的抗月牙洼磨损能力增强，但合金的强韧性降低，合金的脆性增大；TaC、NbC—硬质相，能明显提高合金的高温性能和耐磨性，加有TaC、NbC的合金通用性好；CrC、VC—抑制剂，抑制WC晶粒的长大。2019/12/22四、硬质合金分类1.根据成分不同，可将硬质合金分为5大类。①碳化钨基硬质合金：包括WC-Co、WC-TiC-Co、WC-TaC-Co、WC-TiC-TaC（NbC）-Co等。这些合金均以WC为主成分。②碳化钛基或碳氮化钛基硬质合金：通常以TiC或Ti（C、N）为基本成分，以Ni-Mo作粘结剂而组成的一种硬质合金。如TiC-Mo-Ni、TiC-WC-TaC（NbC）-Mo-Ni、Ti（C、N）-Mo-Co-Ni等。③涂层硬质合金：在合金表面上沉积一层TiC、TiN、TiB2、ZrN、CrN、AI2O3、TiCN、B4C、SiC、BN、TiAIN、金刚石等物质，使工具的使用性能成倍提高。2019/12/22④钢结硬质合金：主要成分是钢，而以TiC或WC作硬质相组成的一类硬质合金。其显著特点是可热处理与机加工，是界于工具钢和硬质合金之间的一类中间合金。⑤其他硬质合金：如Cr3C2基硬质合金，以Cr3C2为主成分，以Ni或Ni-W等作粘结剂所组成的硬质合金，通常用作耐磨耐腐蚀零件。此外还有两类重要的刀具材料，一类是陶瓷材料，包括氧化铝系（白陶）、氮化硅系和赛隆陶瓷（Si3N4/Al2O3）。另一类是超硬材料，聚晶金刚石（PCD）和聚晶立方氮化硼PCBN。2019/12/222、按用途分类硬质合金具有一系列优良性能，用途十分广泛，随着时间推移用途还在不断扩大，主要用途分述如下：切削工具：硬质合金可用作各种各样的切削工具。我国切削工具的硬质合金用量约占整个硬质合金产量的三分之一(约3000吨左右)，其中用于焊接刀具的占78%左右，用于可转位刀具的占22%左右。而数控刀具用硬质合金仅占可转位刀具用硬质合金的20%左右，此外还有整体硬质合金钻头，整体硬质合金小园锯片，硬质合金微钻等切削工具。地质矿山工具：地质矿山工具同样是硬质合金的一大用途。我国地矿用硬质合金约占硬质合金生产总量的25%，主要用于冲击凿岩用钎头，地质勘探用钻头、矿山油田用潜孔钻、牙轮钻以及截煤机截齿、建材工业冲击钻等。2019/12/22模具：用作各类模具的硬质合金约占硬质合金生产总量的8%，有拉丝模、冷镦模、冷挤压模、热挤压模、热锻模、成形冲模以及拉拔管芯棒，如长芯棒、球状蕊棒、浮动蕊棒等，近十几年轧制线材用各类硬质合金轧辊用量增速很快，我国轧辊用硬质合金已占硬质合金生产总量的3%。结构零件：硬质合金用来作结构零件的制品很多，如旋转密封环、压缩机活塞、车床夹头、磨床心轴、轴承轴颈等。耐磨零件：用硬质合金制成的耐磨零件有喷嘴、导轨、柱塞、球、轮胎防滑钉、铲雪机板等举不胜举。耐高压高温用腔体：最重要的用途就是生产合成金刚石用的顶锤、压缸等制品，顶锤、压缸用硬质合金已占我国硬质合金生产总量的9%。其他用途：硬质合金用途越来越广，近几年已在民用领域不断扩展，如表链、表壳、高级箱包的拉链头、硬质合金商标等。2019/12/22五、被加工材料分类及工具材料选择P类：钢、钢铸件。如普通碳素结构钢（代码如Q235-A.F）、优质碳素结构钢（如45钢、50锰、20G等）、碳素工具钢（如T7、T7A、T8、T8A、T13、T13A等），切削牌号一般选择W—Co—Ti类合金，如YT5、YT14、YT15、YT15R、YT05、YT30、YC101、YC201、YC301、YC45等；M类：奥氏体/铁素体/马氏体不锈钢（如1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni、1Cr17Mo、0Cr13Al、3Cr13、7Cr17、1Cr18Ni11Si4AlTi、0Cr26Ni5Mo2）、铸钢、锰钢（40Mn18Cr3、50Mn18Cr4等）、合金钢（含有Ni、Si、Co、Al、Cr、W、Mo、V、Ti、Nb等合金元素的碳素钢）、合金铸铁、可锻铸铁、易切钢（Y12、Y15、Y30、Y40Mn等），切削牌号选择W—Co—Ti—Ta（Nb）类合金，如YW1、YW2、YW3、YS8、YS25、YM101、YM201、YM301、YC201等；K类：普通铸铁、难加工铸铁（冷硬铸铁、高铬铸铁、高硅铸铁）、短屑可锻铸铁，一般选用W—Co类合金，如YG3X、YG3、YG6X、YG6、YG6A、YG8、YG8N、YD101、YD201、YD301等；2019/12/22N类：有色金属和无机材料（铝、镁、铜、黄铜、塑料等），一般选用W—Co类合金和金属陶瓷，W—Co类合金多采用细晶和超细晶合金，YG6X、YF06、YM201、YD201等；S类：耐热优质合金即高温合金（Fe基、Fe—Ni基、Ni基、Co基、Ti基合金，如GH1015、GH2036、GH3128、GH4033、K211、K406、K640、TA2、TA8、TB1、TB2、TC1~TC6等），除Ti基高温合金外，一般可选用W—Co—Ti—Ta（Nb）类或W—Co类合金，如YS8、YM201、YM301、YG6X、YG8、YW2、YW3、YD201等；而Ti基高温合金应选用不含Ti的W—Co类合金，如YG8、YG6X、YG8N、YG6A，理想情况是采用超细晶合金牌号。H类：淬硬材料（GCr15淬火钢、Cr12、T12A等），传统牌号宜选用YM101、YM201、YS8、YG8N、YNG151等，最好是用立方氮化硼刀片。2019/12/22对不同的被加工材料选择了各类别的合金后，还要根据加工参数来选择牌号，一般来说，精加工考虑工件的表面质量，即表面精度，加工时切削速度快，吃刀深度小，走刀量小，振动小，冲击小，要求合金耐磨性好，硬度高，强度韧性次之，就应选择晶粒细、钛含量高、钴含量低的合金；半精加工耐磨性和强韧性适中，选用中颗粒碳化钨、Ti含量中等、Co含量中等的合金；粗加工吃刀深度大，走刀量大，切削速度慢，振动大，冲击大，就强调刀片的抗冲击性能要好，耐磨性次之，应选用粗颗粒碳化钨、Ti含量低、Co含量高的合金。六、牌号选用原则2019/12/22新的命名法则是根据牌号的加工范围来命名的，所以，牌号的选择相对简单，如P类加工，用YC10、YC101、YC201、YC301、YC35、YC45等，字母Y表示硬质合金，C表示长切屑，数字表示加工范围，一般以前面两位数字表示，“10”表示精加工，“20”表示半精加工，“30”表示粗加工，“35”“45”重载粗加工。M类加工，用YM101、YM201、YM301命名，K类加工，用YD101、YD201、YD301命名，其字母和数字表示的意义同P类牌号的命名。对W—Co—Ti类合金，YT5、YT14、YT15、YT30、YT05等，牌号中的数字表示Ti的大致含量。YT5，Ti含量为5%；YT14，Ti含量11.3；YT15，Ti含量12.7；YT30，Ti含量22.5。W—Co类合金，YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG6A、YG8、YG8N等，数字表示Co含量，YG3，Co是3%，其余类推，X表示细颗粒，A表示加了TaC，N表示加了NbC。对W—Co—Ti—Ta（Nb）类合金，YW1、YW2、YW3、YS25、YS8等，这些牌号没有规律可循，只能靠记忆。2019/12/22牌号是根据切削要求来设计的，不同的被加工材料，其切削加工性不一样，碳素钢，塑性、韧性较好，切屑不易折断，切屑从前刀面排出，对前刀面产生强烈的月牙洼磨损，因此，钢材的切削，要选择抗月牙洼磨损的硬质合金，TiC、TaC（NbC）具有很好的抗月牙洼磨损作用，所以切削钢材的牌号都含有TiC，TaC（NbC）由于成本增加较多，切削碳素钢，一般不选用含TaC（NbC）的牌号。TaC（NbC）不仅抗月牙洼磨损，还能改善合金的抗热冲击性能，由此含TaC（NbC）的合金高温性能好，加工M类合金，由于加工硬化严重，切削抗力大，切削温度高，就应选择含TaC（NbC）的合金；铸铁等脆性材料，切屑呈崩碎或粉末状，对前刀面磨损不大，主要是后刀面磨损，脆性材料的加工特点是切削力和切削热集中在切削刃附近，使刀具刃口负荷很重，容易产生磨损和崩刃，一般选用钨钴类合金，因为含有TiC的合金比较脆，所以，W—Co类合金比W—Co—Ti类合金强韧性要好。2019/12/22七、SANDVIK生产工艺发展历程1976年以前，Sandvik硬质合金生产与我们老系统的生产工艺差不多，直到1976年，喷雾干燥工艺在混合料制备中的应用及DMK240脱胶-烧结一体炉的研制成功，使Sandvik硬质合金毛坯生产发生了重大变革，下面列出Sandvik变革前后的工艺控制模式：2019/12/22项目变革前变革后1、混合料制备湿磨机和经典的干可倾式湿蘑机和①设备燥、制粒设备喷雾干燥②工艺控制WC总碳、粒度（Fsss）WC总碳、粒度（Fsss）球磨实验Bctot、HCP③成型挤石蜡PEG2、压制压制工序主要强调对毛刺的控制，他们通过10年的努力，使压制毛刺从45um降到25um。3、烧结设备和工艺两阶段烧结一阶段脱胶烧结①脱蜡：三种脱蜡工艺—H2、N2、H2脱胶，脱胶过程采用真空脱胶反复进行的抽空→充N2的②真空烧结或推进式H2烧结Torvac过程接着真空烧结2019/12/22从上述Sandvik的生产工艺过程控制知道，该公司质量控制主要在“四度”：控碳精度、晶粒度、尺寸精度及孔隙度。工艺方法注重“三性”：稳定性、实用性和可靠性。工艺管理讲究科学和严谨。公司刀片生产基本流程刀片生产走的是Sandvik生产工艺路线，基本流程是：原料标准制定→球磨试验→配料计算→湿磨→喷雾干燥→混合料鉴定→压制→烧结→研磨钝化→清洗→涂层→包装2019/12/22成型剂是硬质合金制造过程中最重要、研究最多的工艺材料。由于成型方法多、成型剂原理不同，要求不同，种类也很多。挤压成型剂、注射成型剂、粉浆浇注成型剂等文献资料报导不少，但主要是关于原理和特性方面的陈述，真实的成份和组份几乎没有公开的。模压成型剂相对简单一些，成熟一些，公开的程度也大一些。目前最常用的模压成型剂大致分为三大类，即橡胶、石蜡和聚乙二醇。橡胶的优点是成型压力低，压坯强度高，可以用于复