工藝技術(shù)_鈦基硬質(zhì)合金綜述

鈦基硬質(zhì)合金綜述內(nèi)容摘要:一、鈦基硬質(zhì)合金的性能 鈦基硬質(zhì)合金是以TiC或Ti（C, N ）為主要成份（占60%80%以上），Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘結(jié)相的硬質(zhì)合金。鈦基硬質(zhì)合金的英文名為“Cermet”。這類合金過去有人稱之為“金屬陶瓷”。但國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO153-1991將其劃歸在硬質(zhì)合金大類內(nèi)（材料代號HT），而不是陶瓷材料大類內(nèi)。一、鈦基硬質(zhì)合金的性能 鈦基硬質(zhì)合金是以TiC或Ti（C, N ）為主要成份（占60%80%以上），Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘結(jié)相的硬質(zhì)合金。鈦基硬質(zhì)合金的英文名為“Cermet”。它是由陶瓷（ceramics）的詞頭cer與金屬（metal）的詞頭met結(jié)合起來構(gòu)成的。這類合金過去有人稱之為“金屬陶瓷”。但國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO153-1991將其劃歸在硬質(zhì)合金大類內(nèi)（材料代號HT），而不是陶瓷材料大類內(nèi)。為了區(qū)別于國內(nèi)習(xí)稱的“金屬陶瓷”在Al2O3-TiC中加入少量粘結(jié)金屬（Ni和Mo等）的陶瓷，所以本文使用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織用語“鈦基硬質(zhì)合金”。 傳統(tǒng)的K（YG）類、P（YT）類、M（YW）類硬質(zhì)合金，都屬于WC基合金。因?yàn)樵谒鼈儺?dāng)中，硬質(zhì)相主要是WC，其含量達(dá)65%97%。而鈦基硬質(zhì)合金不含或少含WC，與WC基合金相比，它的密度小，硬度較高，對鋼的摩擦因數(shù)較小，切削時抗粘結(jié)、抗擴(kuò)散磨損的能力較強(qiáng)，具有極好的耐磨性，但抗崩刃性稍差。近幾年來，由于控制了燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛，以及晶粒細(xì)化等措施，性能大大提高。多種商業(yè)牌號的Cermet材料大量涌現(xiàn)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。它除可制造車、銑刀具外，還可制造鉆頭、鉸刀以及齒輪滾刀等復(fù)雜刀具，用其制造的齒輪滾刀的切削速度高達(dá)560m/min（齒輪模數(shù)1.5），工效比粉末冶金高速鋼（PM HSS）高2倍，用Cermet制造的鉸刀能進(jìn)行高速鉸孔，切削速度可達(dá)150m/min。鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間，其切削速度可填補(bǔ)WC基硬質(zhì)合金和陶瓷材料之間的一段空白，可用于高速切削各類鋼材，尤其適于鋼材的精加工和半精加工。據(jù)國外切削專家預(yù)測，今后在鋼的切削方面，TiC基和Ti（C,N）基硬質(zhì)合金所占比重將達(dá)到可轉(zhuǎn)位刀片總需求量50%，并將成為銑削鋼材的最佳刀具材料。 二、鈦基硬質(zhì)合金的類型及應(yīng)用 鈦基硬質(zhì)合金按其組成和性能不同，常用的有以下三種類型：1) TiC基合金；2) 添加其它碳化物（如WC、TaC等）和金屬（如Co）的強(qiáng)韌TiC基合金；3) Ti（C,N）基合金。 1. TiC基硬質(zhì)合金 TiC基硬質(zhì)合金是以TiC為主要成份的TiC-Ni-Mo合金。Ni作為粘結(jié)金屬，增加其含量，可提高合金的強(qiáng)度，但卻會使合金的硬度降低。向Ni中添加Mo（或Mo2C），可改善液態(tài)金屬對TiC的濕潤性，使TiC晶粒變細(xì)。當(dāng)Ni含量一定時（如含10%Ni），增加Mo的含量，可提高合金的強(qiáng)度和硬度。Ni和Mo的含量通常為20%30%。 由于TiC的熔點(diǎn)（達(dá)3250）高于WC（2630），密度只有WC的1/3，抗氧化性能遠(yuǎn)優(yōu)于WC，故TiC基硬質(zhì)合金除具有硬度高（一般可達(dá)91HRA93.5HRA，高的可達(dá)94HRA95HRA）、耐磨性好、抗月牙洼磨損能力強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有較高的抗氧化、抗粘結(jié)和耐高溫等性能，在11001300的高溫下仍能進(jìn)行高速切削，切削鋼料時有較低的磨損率，可用來替代目前廣泛使用的WC-Co基硬質(zhì)合金而大大降低成本（W、Co價貴，為國際上緊缺資源），因而近年來發(fā)展很快。國外一些性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金制品，如奧地利Metallwerk Plansee公司生產(chǎn)的WZ系列、英國Hard Metal Tools公司生產(chǎn)的HR系列、日本Tungaloy公司生產(chǎn)的NTK系列、美國Kennametal公司生產(chǎn)的K系列和美國Firth Sterling公司生產(chǎn)的FS系列與我國湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的YN系列都是TiC基硬質(zhì)合金產(chǎn)品。 國內(nèi)目前通常使用的TiC基硬質(zhì)合金牌號是YN05，用其切削正火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的鋼材，其切削性能優(yōu)于WC基合金P01（YT30）。由于TiC的屈服強(qiáng)度低，其值為4GPa，僅為WC屈服強(qiáng)度的2/3，故其韌性稍差。而TiC的彈性模量（321 GPa）也不到WC彈性模量（710GPa）的一半，加以TiC是面心立方晶格，滑移系多，抗塑性變形能力低。此外，TiC的導(dǎo)熱性也遠(yuǎn)較WC為小，切削刃處的局部溫度很高，容易產(chǎn)生塑性變形，故TiC基合金主要適用于鋼材的精加工和半精加工。 2. 強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金 在TiC-Ni-Mo合金中以WC、TaC等韌性較好的碳化物取代部分TiC（以彌補(bǔ)TiC性能的先天不足），是提高硬質(zhì)合金質(zhì)量，擴(kuò)大其使用范圍的一種有效方法。加入WC及TaC可以提高硬質(zhì)合金的韌性和抗斷裂性能，提高彈性模量，抗塑性變形能力，高溫抗軟化能力及高溫強(qiáng)度。此外，加入WC還可改善硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性，降低刀尖處的局部過熱現(xiàn)象：加入TaC、NbC后還可提高合金的抗熱震性能，并有抑制碳化物晶粒長大的作用，使之更適于斷續(xù)切削加工。 使用表明，一般TiC基硬質(zhì)合金的抗崩刃性劣于WC基硬質(zhì)合金P10（YT15），比K10（YG6）差得多；而強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金的抗崩刃性遠(yuǎn)優(yōu)于P10而趕上K10合金。株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金YN10中加入了15%WC及1%NbC，其抗彎強(qiáng)度為1.1GPa，比YN05提高了0.2GPa；硬度為92HRA，接近于牌號P01（YT30）。這種合金不但適于普通鋼的精加工和半精加工，還可用于合金鋼、不銹鋼、軸承鋼、淬硬鋼（50HRA62HRA）、工具鋼、鑄鋼和合金鑄鐵的高速連續(xù)切削加工。與P01相比，可提高切削速度30%。尤其是對較大、較長的零件和表面粗糙度要求較小零件的精加工，效果更為顯著。例如，加工硬度高達(dá)55HRC62HRC的65Mn鋼輥?zhàn)樱?52mm250mm），當(dāng)切削速度VC=7595m/min、進(jìn)給量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=0.1mm時，YN10刀具的壽命較P01提高23倍，表面粗糙度達(dá)Ra3.2m。精車1Cr18Ni9Ti不 鋼（137mm900mm），當(dāng)VC=72m/min、f=0.2mm/r和ap=1mm時，P01刀具精車后，工件的錐度為0.1mm，表面粗糙度為Ra3. 2m；而用YN10刀具精車后，工件的錐度僅為0.04mm，表面粗糙度為Ra1.6m。并且，YN10刀具的焊接和刃磨性能也比P01為好。YN10刀具焊接的合格率較P01可提高20%30%。 YN15是株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的強(qiáng)韌TiC基合金的另一個牌號，它含WC較多，其硬度和耐磨性雖不如YN05和YN10，但抗彎強(qiáng)度及沖擊韌性都較好，可用于一般鋼材的精加工和半精加工，刀具壽命比P20（YT14）可提高50%100%。 表1列出部分國產(chǎn)的TiC基及強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金牌號的性能和使用范圍。 表1 部分國產(chǎn)的TiC基及強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金牌號的性能和使用范圍 注：YN05、YN10和YN15是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號；YN501等是四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號 3. Ti（C,N）基硬質(zhì)合金 Ti（C,N）基硬質(zhì)合金是在TiC基合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、熱導(dǎo)率高的新型硬質(zhì)合金。其主要成份是TiC-TiN，用Ni-Co-Mo為粘結(jié)劑，以其它碳化物如WC、Mo2C、（Ta, Nb）C、Cr3C2及VC等為添加劑。它通過改變TiC和TiN的成份來控制Ti（C,N）基硬質(zhì)合金的物理性能和機(jī)械性能。由于加入了各種碳化物添加劑，并以Ni-Co-Mo為粘結(jié)劑，大大改善了硬質(zhì)合金的綜合性能。加入一定量高熔點(diǎn)的TaC、NbC可改善合金的抗塑性變形能力，VC可提高合金的抗剪強(qiáng)度，改善合金的機(jī)械性能。Mo2C可提高Ni-Co粘結(jié)劑的強(qiáng)度，并在碳化物、氮化物和粘結(jié)劑間起連接作用。在相同的切削條件下，用Ti（C,N）基硬質(zhì)合金制作的刀具耐磨性要遠(yuǎn)高于WC基硬質(zhì)合金刀具及涂層WC基硬質(zhì)合金刀具。在高速下，Ti（C,N）基硬質(zhì)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）基硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍略同于TiC基合金，但其加工范圍較寬。可制成各種硬質(zhì)合金刀片，用于切削各類鋼材及“以車銑代磨”等精加工領(lǐng)域。除適于切鋼外，也可用于加工鑄件。由于Ti（C,N）基合金有低密度、低摩擦因數(shù)、高耐磨性、良好的耐酸堿腐蝕性能和穩(wěn)定的耐高溫性能，所以它還可用于制作各類發(fā)動機(jī)的耐高溫零部件，如小軸瓦、葉輪根部法蘭、閥門、閥座、推桿、搖臂、偏心輪軸、熱噴咀、活塞環(huán)等，以及制作各種量具，如塞規(guī)和環(huán)規(guī)等。 表2列出部分國產(chǎn)的Ti（C, N）基硬質(zhì)合金牌號的物理機(jī)械性能。 表2 部分國產(chǎn)的Ti(C,N)基硬質(zhì)合金牌號的物理機(jī)械性能 注：TN系列是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號；NT系列是四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號表中NT系列為四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號，TN系列是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號。其中TN10、TN20、TN30的適用范圍如下： TN10適用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、中碳調(diào)質(zhì)鋼以及高強(qiáng)度鋼、不銹鋼和耐熱合金等的精加工，還可用于硬度小于55HRC淬硬鋼的精加工和半精加工。尤其對高強(qiáng)度鋼和不銹鋼的半精加工效果最佳。 TN20適用于合金鋼、不銹鋼和高強(qiáng)度鋼的半精加工。在一定條件下，可用于球墨鑄鐵和灰鑄鐵的精加工和半精加工。 TN30用于合金鋼、不銹鋼、高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的高速精銑加工和半精銑加工，也可用于這類材料的車削加工。 三、結(jié)語 鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間，可以用比普通鎢基硬質(zhì)合金更高的切削速度切削，加工的工件表面質(zhì)量好。因此，特別適于鋼材和鑄件的精加工和半精加工。在國外，TiC基和Ti（C,N）基硬質(zhì)合金所占比重已達(dá)到可轉(zhuǎn)位刀片總需求量的30%以上。近幾年來，隨著涂層鈦基硬質(zhì)合金（可單涂層，也可用多元復(fù)合涂層）、超細(xì)晶粒和納米晶粒以及梯度結(jié)構(gòu)鈦基硬質(zhì)合金的開發(fā)，使材料的綜合性能大大提高，應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大。 梯度結(jié)構(gòu)鈦基硬質(zhì)合金是利用傾斜功能材料原理制成的，各層成份可根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)，它實(shí)際上是靠組織連續(xù)變化而引起性能緩變而獲得的一種功能性復(fù)合材料。這種材料可用作航空航天工業(yè)上的熱防護(hù)材料、核反應(yīng)堆的內(nèi)壁材料、汽車發(fā)動機(jī)的燃燒室材料、以及梯度刀片材料等。如日本住友電工公司的CN8000型刀片即屬于這一類。這種刀片的表面為20m厚的高硬度耐磨的Cermet層，由表及里向材料內(nèi)部逐漸由高強(qiáng)度硬質(zhì)合金相組成，晶體組織呈連續(xù)傾斜結(jié)構(gòu)。CN8000型刀片的綜合性能好，它?？梢坏秲捎茫ù志庸び靡话训毒撸士蓽p少刀具品種，節(jié)省刀具成本。 可以預(yù)料，隨著新型鈦基硬質(zhì)合金的廣泛使用，必將促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代及高速切削和干式切削技術(shù)的發(fā)展，而新產(chǎn)品的開發(fā)及高速切削和干式切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用，又將進(jìn)一步推動新型鈦基硬質(zhì)合金的使用。在工程塑料中添加功能助劑可賦予工程塑料制品在力學(xué)性能、電性能、耐老化性、安全加工工藝性等方面的特定性能，然而面對種類繁多的功能助劑，工程塑料制品開發(fā)人員應(yīng)該如何正確選擇和應(yīng)用呢。 隨著我國塑料行業(yè)在21世紀(jì)的快速發(fā)展，工程塑料作為一類在機(jī)械、汽車交通、電子通訊、電氣電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)材料，始終保持著15%20%的年增長速度，其制品則日趨高性能化、差異化、精細(xì)化。為了滿足工程塑料制品的特殊要求，對材料進(jìn)行改性是必需的。三是針對改性的目標(biāo)，添加各類高分子功能助劑。在工程塑料中添加功能助劑可賦予工程塑料制品在力學(xué)性能、電性能、耐老化性、安全加工工藝性等方面的特定性能，然而面對種類繁多的功能助劑，工程塑料制品開發(fā)人員應(yīng)該如何正確選擇和應(yīng)用呢？ 隨著我國塑料行業(yè)在21世紀(jì)的快速發(fā)展，工程塑料作為一類在機(jī)械、汽車交通、電子通訊、電氣電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)材料，始終保持著15%20%的年增長速度，其制品則日趨高性能化、差異化、精細(xì)化。 為了滿足工程塑料制品的特殊要求，對材料進(jìn)行改性是必需的。目前對高分子材料進(jìn)行改性的方法主要有三種：一是可以通過合成技術(shù)，引進(jìn)新的單體和改變本體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；二是可以將多種具有不同結(jié)構(gòu)的高分子材料進(jìn)行物理化學(xué)的處理，以進(jìn)行合金化改性；三是針對改性的目標(biāo)，添加各類高分子功能助劑。從經(jīng)濟(jì)性和快捷性來比較，第三種改性手段最有優(yōu)勢，只要合理設(shè)計和篩選使用助劑，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)功能和成本的最佳結(jié)合。 不過，需要注意的是，助劑品種繁多，而且其功能和應(yīng)用特性也不盡相同，若選用不正確，不僅不能充分發(fā)揮助劑的功效，達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，反而會對解決問題的思路產(chǎn)生誤導(dǎo)，從而不利于后續(xù)的改進(jìn)工作，既浪費(fèi)人力又浪費(fèi)物力。因此，面對品種繁多的功能助劑和不同使用要求的工程塑料制品，如何正確選擇功能助劑是工程塑料制品開發(fā)人員必須認(rèn)真對待的問題。下面就針對工程塑料制品所需的幾種典型性能逐一進(jìn)行闡述。 高電性能 在電子電器控制開關(guān)元器件中，雖然傳統(tǒng)的熱固性塑料（如環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂）具有良好的電絕緣性能，特別是在潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定電性能，但由于存在反應(yīng)注射成型周期長，澆口不可回用等問題，使其應(yīng)用受到限制。而新型的具有高濕熱穩(wěn)定性、高電性能的熱塑性工程塑料則不存在此問題。與熱固性不飽和樹脂（UP）對比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品成型周期短、能耗低、生產(chǎn)效率高，更適用于規(guī)?；a(chǎn)；產(chǎn)品無污染和固體廢棄物問題、環(huán)保性高、可回收利用，進(jìn)一步降低了用戶成本；產(chǎn)品密度小，一般小于1.8 g/cm3（UP類產(chǎn)品比重一般在2.0 g/cm3以上），其單位成本較低，經(jīng)濟(jì)效益高。 對于該類新型材料中的阻燃類產(chǎn)品而言，為實(shí)現(xiàn)高電性能，特別需要對配方體系中的阻燃體系進(jìn)行篩選，因?yàn)閷﹄娦阅苡绊懽畲蟮耐?