硬質(zhì)材料之硬質(zhì)合金與硬質(zhì)合金涂層

第四章硬質(zhì)材料第一節(jié)硬質(zhì)合金第二節(jié)硬質(zhì)合金涂層第一頁，共十八頁。硬質(zhì)材料包括硬質(zhì)合金，并包括組成硬質(zhì)合金的碳化鎢粉、碳化鉭、碳化釩、碳化鉻、碳化鈦這些硬質(zhì)粉末，以及金剛石（C），PcD（多晶鉆）,cBN（立方氮化硼）,和Si3N4氮化硅。PcD（多晶鉆）是一種使用金剛石微粒和化學(xué)粘合劑混合之后，在高溫高壓環(huán)境下沉積為相干結(jié)構(gòu)的人造材料。cBN（立方氮化硼）是來自PcBN的多晶體。PcBN是一種由cBN微粒和陶瓷或金屬觸媒粘合劑在高溫高壓下沉積而成的聚合體。Si3N4氮化硅是一種具有高抗碎性能的陶瓷材料。第二頁，共十八頁。硬質(zhì)合金和碳-氮化合物--盡管高速鋼對于如鉆孔、拉削這樣的應(yīng)用仍然非常重要，但大多數(shù)的金屬切削都是通過硬質(zhì)合金工具完成的。對于那些非常難于加工的材料，硬質(zhì)合金現(xiàn)在正逐漸由碳氮化合物、陶瓷制品和超硬材料所替代。滲碳的（或燒結(jié)的）硬質(zhì)合金和碳氮化合物，被世界上大多數(shù)一致認(rèn)為是硬金屬，是一系列通過粉末冶金技術(shù)制成的非常硬的、耐火、耐磨的合金。微小的硬質(zhì)合金或者氮化物顆粒在處于燒結(jié)溫度液體時被金屬粘結(jié)劑“膠結(jié)”。個體硬金屬的成分和屬性與那些黃銅和高速鋼是不同的。所有的硬金屬都是金屬陶瓷，是由陶瓷顆粒和金屬粘結(jié)劑化合而成。

第三頁，共十八頁。第一節(jié)硬質(zhì)合金“碳化鎢”是非常硬的硬質(zhì)合金顆粒，特別是碳化鎢在富鐵基質(zhì)的出現(xiàn)使得高速鋼具有優(yōu)異的加工能力。早期的硬質(zhì)合金在用于工業(yè)用途時過于脆弱，但是不久發(fā)現(xiàn)將碳化鎢粉末與大約10%的金屬，如鐵、鎳或鈷，允許壓坯在大約1500℃下燒結(jié)，在這個過程中生成的產(chǎn)品具有低孔隙率、非常高的硬度，而且相當(dāng)大的強(qiáng)度。這些性質(zhì)的組合使得材料理想的適合用來作為切削金屬的加工刀具。硬質(zhì)合金的變化是由銅焊接硬質(zhì)合金嵌入變成夾具嵌入，以及涂敷技術(shù)的迅速發(fā)展。

第四頁，共十八頁。硬質(zhì)合金刀具材料的制法：一種是經(jīng)過壓鍛和燒結(jié)至精確的形狀和尺寸。另外的一個進(jìn)步是高溫真空固態(tài)滲粘法（HIP）的應(yīng)用。此方法實(shí)際上允許通過高壓下的惰性氣體將硬質(zhì)合金中所有的殘余孔隙度都擠出來，應(yīng)用的溫度大約是燒結(jié)溫度。通過此方法剛度、抗裂強(qiáng)度和抗震性能可以提高兩倍或者以三倍，而且非常大的燒結(jié)部件的廢品率減少至先前水平的很小一部分。

第五頁，共十八頁。硬質(zhì)合金的硬度取決于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越細(xì)，則硬度也越大。硬質(zhì)合金的韌性由粘結(jié)金屬決定，粘結(jié)金屬含量越高，抗彎強(qiáng)度越大。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。第六頁，共十八頁。硬質(zhì)合金的種類碳化鎢/鈷（WC/Co）：首先進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用的燒結(jié)硬質(zhì)合金是由碳化鎢高角顆粒與金屬鈷粘結(jié)而成。對于從裝填密度而獲得的最大硬度，碳化鎢細(xì)粒應(yīng)盡可能的小，最好低于1μm（0.00004英寸）而且對于特殊用途要相當(dāng)小。隨著鈷含量的降低其硬度和耐磨損性能增高，只要保證燒結(jié)中存在最低含量的鈷（2%即可，盡管實(shí)際的最低含量是3%）即可?？傊?，隨著碳化物細(xì)?；蜮挼暮炕蛘邇烧叩脑黾樱瑫@得更硬或者較軟的等級。許多碳化鎢/鈷成分是通過少量但非常重要的添加劑進(jìn)行調(diào)整的--從0.5到大約3%的鉭、鈮、鉻、釩、鈦、鉿，或其他的碳化物。這些添加劑基本的用途一般是抑制細(xì)粒成長，因此可以保持始終如一的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

第七頁，共十八頁。鎢鈦碳化物/鈷（WC/TiC/Co）：

這些百分度用來作為刀具切削鋼材和其他鐵基合金，TiC成分的作用是抵制由化學(xué)分解和形成麻坑所產(chǎn)生高溫的擴(kuò)散性沖擊。碳化鎢擴(kuò)散到刀片的表面，但是碳化鈦對這種擴(kuò)散極具抵抗力。TiC中固溶體或“固溶晶體”的WC保持著防止形成麻坑性質(zhì)到很大的程度?？上У檬?，碳化鈦和TiC基固溶體非常脆而且不如碳化鎢耐磨。因此盡可能地將TiC的含量保持在最低水平。在極限配方中碳化物是不含鎢的并且完全是基于TiC基礎(chǔ)之上的，但一般的TiC成分不能超過18%。如果超過這個數(shù)值，碳化物變得過脆并且非常難于銅焊。一般情況下WC/TiC/Co的成分具有兩種顯著的碳化物相，幾乎純凈的WC角晶體和磨圓的TiC/Co混合晶體。在發(fā)展的制造業(yè)中盡管WC/TiC/Co硬金屬應(yīng)用非常廣泛，在某些重要的考慮中是禁止使用的，它們在許多應(yīng)用中被具有更高強(qiáng)度以及抗麻坑優(yōu)勢的WC/TiC/Ta(Nb)C/C9系列所替代。TiC，TiN以及其他在硬基質(zhì)上的涂敷也已經(jīng)減少了高速加工鋼和鐵合金對高TiC成分的吸引力。第八頁，共十八頁。碳化鎢-鈦-鉭（-鈮）/鈷：

除了涂敷碳化物之外，鎢-鈦-鉭（-鈮）等級可能是最常見的硬金屬級別了。主要應(yīng)用于切削鋼，它們組合并改進(jìn)了長久以來形成的WC/TiC/Co成分大多數(shù)的特性。這些碳化物直接可以與碳-氮化合物及碳化硅陶瓷相媲美，并且這個級別最好的硬質(zhì)合金可以完成所有類型鋼的高速切削重任，這包括奧氏體不銹鋼系列。這些工具在韌性鑄鐵和鎳基的超耐熱合金作業(yè)中也能工作得好，在這些切削過程中，在切削刃處可以產(chǎn)生大量的熱合很高的壓力。但是，它們不具有微細(xì)粒純凈碳化鎢等級抗磨損，或者涂膠等級麻坑好的抵抗能力，以及碳化鈦基金屬陶瓷所具有的性質(zhì)。第九頁，共十八頁。碳化鈦/鉬/鎳（TiC/Mo/Ni）：

碳化鈦極端的壓入硬度和抗麻坑與它主要的原材料（二氧化鈦，TiO2）的廉價和可用性結(jié)合起來，基于這一種碳化物就提供了很強(qiáng)的使用品質(zhì)誘因。盡管是在早期硬金屬歷史中開發(fā)出來的，由于這些碳化物很難進(jìn)行令人滿意的銅焊因此直至夾具出現(xiàn)之前很少得到應(yīng)用。更甚的是，此種碳化物的脆性臭名昭著，只能用于振動極小的精細(xì)切削條件下。記錄的極高的碳化鈦等級壓入硬度值并不同時具有相應(yīng)級別的抗磨損能力，大家認(rèn)為明顯缺乏硬度的碳化鎢在此方面的性能超過碳化鈦。而且，碳氮化合物、高級的含鉭多元碳化物和涂敷的變體形式一般都能提供更好的全面切割性能。第十頁，共十八頁。其它刀具材料：鋼結(jié)硬質(zhì)合金：

鋼結(jié)硬質(zhì)合金簡稱鋼結(jié)合金，是一種新型工模具材料,它以碳化鎢或碳化鈦為硬質(zhì)相，以鋼為粘結(jié)相（其體積分?jǐn)?shù)一般在５０％以上），針對不同的使用要求，可選用不同的鋼種為基體，包括鉻鉬工具鋼、高速鋼、不銹鋼和高錳鋼。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬度既具有象硬質(zhì)合金的高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性，又具有工具鋼的可機(jī)械加工、熱處理、鍛造和焊接等特點(diǎn)，是介于硬質(zhì)合金與工具鋼之間的工具材料，適用于工具鋼由于耐磨性不夠，而硬質(zhì)合金由于韌性不夠和難加工成型而受到限制的場合。

第十一頁，共十八頁。

陶瓷：與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10～20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍，且化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點(diǎn)是脆性大、橫向斷裂強(qiáng)度低、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進(jìn)行改進(jìn)的重點(diǎn)。陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷刀具，其硬度可達(dá)93～95HRC，為提高韌性，常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為Si3N4+TiC+Co復(fù)合陶瓷，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當(dāng)。③氮化硅—氧化鋁復(fù)合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學(xué)成分為77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可達(dá)1800HV，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵。

第十二頁，共十八頁。金屬陶瓷

金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni、Co、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強(qiáng)度大于陶瓷材料，小于硬質(zhì)合金；化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好，耐剝離磨損，耐氧化和擴(kuò)散，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強(qiáng)度。金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具，加工出的工件表面粗糙度??；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩(wěn)定，在自動化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)象，零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點(diǎn)是抗熱震性較差，易碎裂，因此使用范圍有限。

第十三頁，共十八頁。超硬材料：人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料統(tǒng)稱為超硬材料。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高溫半導(dǎo)體特性等多種優(yōu)良性能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密加工，特別適合加工非金屬硬脆材料。1955年，美國GE公司采用高溫高壓法成功合成了人造金剛石，1966年又研制出人造聚晶金剛石復(fù)合片(PCD)，自此人造金剛石作為一類新型刀具材料得到迅速發(fā)展。但由于金剛石中的碳在高溫下易與鐵元素作用而迅速溶解，因此金剛石刀具不適合加工鐵基合金，從而大大限制了金剛石在金屬切削加工中的應(yīng)用。立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達(dá)1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此，雖然目前CBN還是以燒結(jié)體形式進(jìn)行制備，但仍是適合鋼類材料切削、具有高耐磨性的優(yōu)良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。如采用CBN可轉(zhuǎn)位刀片干式精車淬硬齒輪，每個齒輪的加工成本可降低60%；采用配裝球形CBN刀片的立銑刀精銑大型硬質(zhì)磨具，磨削時間可比傳統(tǒng)工藝減少80%。CBN材料的不足之處是韌性較差的問題尚待解決。第十四頁，共十八頁。多晶鉆（PcD）：PcD是一種使用金剛石微粒和化學(xué)粘合劑混合之后，在高溫高壓環(huán)境下沉積為相干結(jié)構(gòu)的人造材料。它被用于加工不含鐵的材料，如鋁和鋁合金、碳化鎢、陶瓷、石材、塑料、光纖玻璃和木制材料。立方氮化硼（cBN）：

cBN是來自PcBN的多晶體，主要用于加工高溫及具有氧化環(huán)境的含鐵材料。

PcBN是一種由cBN微粒和陶瓷或金屬觸媒粘合劑在高溫高壓下沉積而成的聚合體。

氮化硅（Si3N4）：Si3N4是一種具有高抗碎性能的陶瓷材料。因其具有的硬度、熱穩(wěn)定性和抗磨損性能同樣被用于刀具材料。該材料特別被用于高速加工鑄鐵，在加工鋼材的應(yīng)用中，它通常都以化學(xué)氣相沉積方法（CVD）鍍上氮化鈦鍍層，以增強(qiáng)抗化學(xué)腐蝕性。Si3N4還被用于如高檔滑雪板軸承和燃?xì)庠O(shè)備點(diǎn)火裝置的應(yīng)用中。第十五頁，共十八頁。第二節(jié)硬質(zhì)合金涂層涂層硬質(zhì)合金在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強(qiáng)，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化、精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。上述特點(diǎn)決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動化加工設(shè)備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題。第十六頁，共十八頁。

碳化鈦涂層刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質(zhì)合金或鎢鈷硬質(zhì)合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米，但是與同牌號的合金刀具相比，使用壽命延長了3倍，切削速度提高25％～50％。20世紀(jì)70年代已出現(xiàn)第四代涂層工具，可用來切削很難加工的材料。

隨著基體材料性能的改進(jìn)和提高，刀具涂層技術(shù)取得了更為迅猛的發(fā)展，中溫化學(xué)涂層、柱狀a-Al2O3化學(xué)涂層、高性能物理涂層、新型原子涂層、納米結(jié)構(gòu)涂層、黃色三氧化二鋁化學(xué)涂層、白色鋯涂層、高鋁含量TiAlN涂層、TiSiN涂層、CrSiN涂層、AlCrSiN涂層、TiBON涂層等大量新型涂層呈現(xiàn)多樣化和系列化的趨勢，使硬質(zhì)合金材料新牌號層出不窮，大大提高了硬質(zhì)合金刀具的切削加工性能。第十七頁，共十八頁。內(nèi)容總結(jié)第四章硬質(zhì)材料。硬質(zhì)材料包括硬質(zhì)合金，