新型硬質(zhì)合金—添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金?

　　1 概述

　　高速鋼只能承受600℃以下的溫度。高速鋼刀具受耐熱性的限制，切削速度不能過(guò)高，只在20～25m/min左右，故其切削效率尚處于較低的水平。高速鋼的硬度僅為HRC62～65，不能切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵。硬質(zhì)合金刀具材料的問(wèn)世，使切削加工水平出現(xiàn)了一個(gè)飛躍。硬質(zhì)合金刀具能實(shí)現(xiàn)高速切削與硬切削。

　　硬質(zhì)合金是高硬度、難熔的金屬化合物粉末(WC、TiC等)，用鈷或鎳等金屬作粘結(jié)劑壓坯、燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其中，高硬度、耐高溫的碳化物比高速鋼耍多得多，故能承受很高的切削濕度，允許采用很高的切削速度。但由于硬質(zhì)臺(tái)金的可加工性差，且較脆，過(guò)去主要只用于車(chē)刀和面銑刀，近年來(lái)已擴(kuò)展到整體和鑲齒的鉆頭、鉸刀、立銑刀、三面刃銑刀和螺紋、齒輪刀具等。WC、TiC的常溫硬度分別為HV1780和3200，熔點(diǎn)分別為2900℃和3200℃。這些性能劉切削難加工材料和提高加工效率非常有用。

　　德國(guó)是世界上首先生產(chǎn)硬質(zhì)合金的國(guó)家，1923年用粉末冶金法研制成功鎢鈷合金(WC+Co)，1931年又制成鎢鈦鈷類(lèi)合金(WC+TiC+Co)。 到20世紀(jì)30年代中后期，美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞典均能生產(chǎn)硬質(zhì)合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，硬質(zhì)合金刀具已開(kāi)始應(yīng)用。戰(zhàn)后50年來(lái)，硬質(zhì)合金作為刀具，模具和耐磨件材料，得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。品種繁多，質(zhì)量不斷提高。在刀具方面，硬質(zhì)合金成為與高速鋼并駕齊驅(qū)的最主要的刀具材料。與高速鋼相比，硬質(zhì)合金的種類(lèi)和牌號(hào)非常多，因此對(duì)它的合理選擇和應(yīng)用應(yīng)給予足夠的重視。

　　在20世紀(jì)50年代初、中期，我國(guó)引進(jìn)前蘇聯(lián)技術(shù)，建成了株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)；后來(lái)又建成了自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)。 當(dāng)時(shí)，作為刀具材料的產(chǎn)品比較單調(diào)，只有切削鋼材的鎢鈦鈷系列—YT5、YT14、YT15、YT30和切削鑄鐵與有色金屬的鎢鈷系列—YG8、YG6、YG3。隨著科技事業(yè)的發(fā)展，各種難加工材料不斷涌現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用，用上述普通硬質(zhì)合金牌號(hào)作為刀具切削各種難加工材料已不能滿(mǎn)足全部要求，于是我國(guó)硬質(zhì)合金工業(yè)大力發(fā)展研制技術(shù)，生產(chǎn)出多種新型硬質(zhì)合金。第一是采用高純度的原料，如采用雜質(zhì)含量低的鎢精礦及高純度的三氧化鎢等；第二是采用先進(jìn)工藝，如以真空燒結(jié)代替氫氣燒結(jié)，以石蠟工藝代替橡膠工藝，以噴霧或真空干燥工藝代替蒸汽干燥工藝；第三是改變合金的化學(xué)組分；第四是調(diào)整合金的結(jié)構(gòu)；第五是采用表面涂層技術(shù)。

　　新型硬質(zhì)合金分為五大類(lèi)，即

　　(1)添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金；

　　(2)細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；

　　(3)Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金；

　　(4)表面涂層硬質(zhì)合金；

　　(5)添加稀土元素硬質(zhì)合金。

　　本文介紹添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金。 其余四類(lèi)將陸續(xù)閘述。

　　2 添加鉭、鈮硬質(zhì)合金的類(lèi)別與性能

　　硬質(zhì)合金中添加TaC、NbC后，能夠有效提高常溫硬度、高溫強(qiáng)度和高溫硬度，細(xì)化晶粒，提高抗擴(kuò)散和抗氧化磨損的能力，從而提高了耐磨性。此外還能增強(qiáng)抗塑性變形的能力。因此，切削性能得以改善。通常使用添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金，是為了提高硬質(zhì)合金的耐磨陛、抗沖擊能力和使用中的通用性。

　　添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金分為兩大類(lèi)：

　　(1)WC+Ta(Nb)C+Co類(lèi)?即在在YC類(lèi)合金的基礎(chǔ)上又加入了TaC、NbC。 如株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)研制的YG6A和YG8N就屬于這類(lèi)合金(表1)。YG6A和YG8N的耐磨性與抗沖擊性均優(yōu)于YG6和YG8。這類(lèi)合金主要用于加工鑄鐵和有色金屬。

　　(2)WC+TiC+Ta(Nb)C+Co類(lèi)?即在YT類(lèi)合金的基礎(chǔ)上又加入了TaC、NbC，用以加工鋼料。 個(gè)別牌號(hào)也能加工鑄鐵。這類(lèi)合金品種繁多，但歸納起來(lái)可分為三種：①通用類(lèi)：TiC含量為4～10％，TaC、NbC含量為4～8％，Co含量為6～8％，綜合性能較好，適用范圍寬，既可加工鋼材，又可以加工鑄鐵和有色金屬，但其單項(xiàng)性能指標(biāo)并不比普通的YT、YG合金強(qiáng)。YWl、YW2、YW3等牌號(hào)就是通用類(lèi)合金(見(jiàn)表1)。②銑削牌號(hào)類(lèi)：TiC含量～般少于10％，TaC含量高達(dá)10～14％，Co含量亦達(dá)10％，主要用于銑刀。添加較多的TaC后，能有效地提高合金的抗機(jī)械沖擊和抗熱裂的性能；配以較高的含Co量，抗彎強(qiáng)度亦高。株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)的YS30、YS25、YDS15及自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)的YT798屬于此類(lèi)合金(表1)，③高碳化鈦添加TaC、NbC類(lèi)：TiC含量一般在10％以上(個(gè)別的有低于10％者)，直到30％。添加TaC、NbC約5％以下，可用以替代各個(gè)等級(jí)的YT類(lèi)普通合金，耐磨性能顯著提高。株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)的YT30+TaC和自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)的YT712、YT715等都屬于這類(lèi)合金(表1)。

　　注：除YT798、YT712、YT715為自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)產(chǎn)品外，其余牌號(hào)均為株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)產(chǎn)品，但YW1、YW2兩廠(chǎng)都生產(chǎn)。

　　除添加加TaC、NbC外，有些新型埂質(zhì)合金還添加了Cr3C2、VC和W粉、Nb粉等。 Cr3C2和VC的加入，可以抑制合金晶粒長(zhǎng)大，W粉和Nb粉則可強(qiáng)化粘結(jié)相。

　　株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)和自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)近年在引進(jìn)外國(guó)設(shè)備與技術(shù)后，又分別建立了添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金新系列，如表2、表3所示。

　　*YC25S 亦屬于銑削牌號(hào)。

　　添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金牌號(hào)最多，令人眼花繚亂。 然而根據(jù)P，M，K的國(guó)際類(lèi)別與級(jí)別，是不難理解和選用的。

　　3 切削實(shí)驗(yàn)

　　作者用普通未加Ta，Nb的硬質(zhì)合金YT15(P10)切削高強(qiáng)度鋼60Si2Mn(調(diào)質(zhì)，HRC39～42)，與P10+Ta，Nb硬質(zhì)合金作對(duì)比，切削用量αp=1mm，f=0.2mm/r，刀具幾何參數(shù)γ0=4°，α0=8°，κr=45°，rE=0.8mm，λs=-4°。 其刀具磨損曲線(xiàn)及T-ν曲線(xiàn)如圖l、圖2所示。

　　T-ν曲線(xiàn)的Taylor方程如下：

　　ν=174.7/T0.12 m/min?(YT15)

　　ν=176.2/T0.11 m/min?(P10+Ta，Nb)

　　作者又用未添加Ta的P01硬質(zhì)合金切削60Si2Mn高強(qiáng)度鋼，與YT30(P01)+TaC硬質(zhì)合金作對(duì)比，αp=0.5mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min，刀具幾何參數(shù)同上。 其刀具磨損曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

　　由圖1～3可見(jiàn)，在添加Ta，Nb后，硬質(zhì)合金刀片的耐磨性與使用壽命均有顯著的提高。