鈦基硬質(zhì)合金是一種優(yōu)異的工程材料，用其制作的刀具耐磨性可比傳統(tǒng)的WC基硬質(zhì)合金高3~5倍辖京。文中介紹了鈦基硬質(zhì)合金的種類帝匙、性能及應(yīng)用整雷。
一克干、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)合金珠焦。鈦基硬質(zhì)合金的英文名為“Cermet”讽噪。它是由陶瓷（ceramics）的詞頭cer與金屬（metal）的詞頭met結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的。這類合金過(guò)去有人稱之為“金屬陶瓷”股背。但國(guó)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(hào)HT）渠吮，而不是陶瓷材料大類內(nèi)。為了區(qū)別于國(guó)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）的陶瓷痹橙，所以本文使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織用語(yǔ)“鈦基硬質(zhì)合金”僻绸。

傳統(tǒng)的K（YG）類、P（YT）類涕克、M（YW）類硬質(zhì)合金蛀醉，都屬于WC基合金。因?yàn)樵谒鼈儺?dāng)中衅码，硬質(zhì)相主要是WC拯刁，其含量達(dá)65%～97%。而鈦基硬質(zhì)合金不含或少含WC逝段，與WC基合金相比垛玻，它的密度小，硬度較高奶躯，對(duì)鋼的摩擦因數(shù)較小帚桩，切削時(shí)抗粘結(jié)亿驾、抗擴(kuò)散磨損的能力較強(qiáng)，具有極好的耐磨性朗儒，但抗崩刃性稍差颊乘。近幾年來(lái)，由于控制了燒結(jié)溫度與燒結(jié)氣氛醉锄，以及晶粒細(xì)化等措施乏悄，性能大大提高。多種商業(yè)牌號(hào)的Cermet材料大量涌現(xiàn)恳不，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大褥辰。它除可制造車(chē)、銑刀具外麸河，還可制造鉆頭力邻、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）冰枯，工效比粉末冶金高速鋼（PM HSS）高2倍认平，用Cermet制造的鉸刀能進(jìn)行高速鉸孔，切削速度可達(dá)150m/min庵窄。鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間弃净，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炉展，尤其適于鋼材的精加工和半精加工绩罩。據(jù)國(guó)外切削專家預(yù)測(cè)，今后在鋼的切削方面聪磁，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%咽娃，并將成為銑削鋼材的最佳刀具材料。

二瞎暑、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彤敛，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了赌、TaC等）和金屬（如Co）的強(qiáng)韌TiC基合金墨榄；3) Ti（C,N）基合金。

注：YN05揍拆、YN10和YN15是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)渠概；YN501等是四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào) 表1 部分國(guó)產(chǎn)的TiC基及強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金牌號(hào)的性能和使用范圍

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)金屬嫂拴，增加其含量播揪，可提高合金的強(qiáng)度，但卻會(huì)使合金的硬度降低筒狠。向Ni中添加Mo（或Mo₂C）猪狈，可改善液態(tài)金屬對(duì)TiC的濕潤(rùn)性箱沦，使TiC晶粒變細(xì)。當(dāng)Ni含量一定時(shí)（如含10%Ni）雇庙，增加Mo的含量谓形，可提高合金的強(qiáng)度和硬度。Ni和Mo的含量通常為20%~30%穆惩。

由于TiC的熔點(diǎn)（達(dá)3250℃）高于WC（2630℃）柒谈，密度只有WC的1/3，抗氧化性能遠(yuǎn)優(yōu)于WC咖自，故TiC基硬質(zhì)合金除具有硬度高（一般可達(dá)91HRA~93.5HRA胖辨，高的可達(dá)94HRA~95HRA）、耐磨性好逼渤、抗月牙洼磨損能力強(qiáng)等特點(diǎn)外讹毁，還具有較高的抗氧化、抗粘結(jié)和耐高溫等性能焙厂，在1100~1300℃的高溫下仍能進(jìn)行高速切削让多，切削鋼料時(shí)有較低的磨損率，可用來(lái)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扫钝、Co價(jià)貴顶食，為國(guó)際上緊缺資源），因而近年來(lái)發(fā)展很快触尚。國(guó)外一些性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金制品叔收，如奧地利Metallwerk Plansee公司生產(chǎn)的WZ系列齿穗、英國(guó)Hard Metal Tools公司生產(chǎn)的HR系列傲隶、日本Tungaloy公司生產(chǎn)的NTK系列、美國(guó)Kennametal公司生產(chǎn)的K系列和美國(guó)Firth Sterling公司生產(chǎn)的FS系列與我國(guó)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)品窃页。

國(guó)內(nèi)目前通常使用的TiC基硬質(zhì)合金牌號(hào)是YN05跺株，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）脖卖。由于TiC的屈服強(qiáng)度低乒省，其值為4GPa，僅為WC屈服強(qiáng)度的2/3畦木，故其韌性稍差袖扛。而TiC的彈性模量（321 GPa）也不到WC彈性模量（710GPa）的一半，加以TiC是面心立方晶格十籍，滑移系多蛆封，抗塑性變形能力低。此外勾栗，TiC的導(dǎo)熱性也遠(yuǎn)較WC為小惨篱，切削刃處的局部溫度很高盏筐，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令掠。

2. 強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金

在TiC-Ni-Mo合金中以WC规学、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)量辫扯，擴(kuò)大其使用范圍的一種有效方法橡周。加入WC及TaC可以提高硬質(zhì)合金的韌性和抗斷裂性能，提高彈性模量侄突，抗塑性變形能力贩仇，高溫抗軟化能力及高溫強(qiáng)度。此外女灸，加入WC還可改善硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性切役，降低刀尖處的局部過(guò)熱現(xiàn)象：加入TaC、NbC后還可提高合金的抗熱震性能但雨，并有抑制碳化物晶粒長(zhǎng)大的作用蕉妇，使之更適于斷續(xù)切削加工。

使用表明螺谅，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）腹忽，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合金砚作。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窘奏，其抗彎強(qiáng)度為1.1GPa，比YN05提高了0.2GPa葫录；硬度為92HRA着裹，接近于牌號(hào)P01（YT30）。這種合金不但適于普通鋼的精加工和半精加工米同，還可用于合金鋼骇扇、不銹鋼、軸承鋼面粮、淬硬鋼（50HRA~62HRA）少孝、工具鋼、鑄鋼和合金鑄鐵的高速連續(xù)切削加工熬苍。與P01相比稍走，可提高切削速度30%。尤其是對(duì)較大柴底、較長(zhǎng)的零件和表面粗糙度要求較小零件的精加工现辰，效果更為顯著。例如，加工硬度高達(dá)55HRC~62HRC的65Mn鋼輥?zhàn)樱é?52mm×250mm）雇法，當(dāng)切削速度V_C=75~95m/min战辨、進(jìn)給量f=0.15mm/r和背吃刀量a_p=0.1mm時(shí)，YN10刀具的壽命較P01提高2~3倍嗜吉，表面粗糙度達(dá)Ra3.2μm莱火。精車(chē)1Cr18Ni9Ti不 鋼（Φ137mm×900mm），當(dāng)V_C=72m/min熄自、f=0.2mm/r和a_p=1mm時(shí)驻碟，P01刀具精車(chē)后，工件的錐度為0.1mm专菠，表面粗糙度為Ra3. 2μm卸禽；而用YN10刀具精車(chē)后，工件的錐度僅為0.04mm茄敲，表面粗糙度為Ra1.6μm洪稿。并且，YN10刀具的焊接和刃磨性能也比P01為好狠持。YN10刀具焊接的合格率較P01可提高20%~30%疟位。

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(gè)牌號(hào)，它含WC較多喘垂，其硬度和耐磨性雖不如YN05和YN10甜刻，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正勒，刀具壽命比P20（YT14）可提高50%~100%得院。

表1列出部分國(guó)產(chǎn)的TiC基及強(qiáng)韌TiC基硬質(zhì)合金牌號(hào)的性能和使用范圍。

注：TN系列是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)章贞；NT系列是四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào) 表2 部分國(guó)產(chǎn)的Ti(C,N)基硬質(zhì)合金牌號(hào)的物理機(jī)械性能

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(lái)的一種具有高硬度祥绞、高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐高溫和耐磨性能阱驾、良好的韌性以及密度小就谜、熱導(dǎo)率高的新型硬質(zhì)合金怪蔑。其主要成份是TiC-TiN里覆，用Ni-Co-Mo為粘結(jié)劑，以其它碳化物如WC缆瓣、Mo₂C哮瓦、（Ta, Nb）C、Cr₃C₂及VC等為添加劑啼厌。它通過(guò)改變TiC和TiN的成份來(lái)控制Ti（C,N）基硬質(zhì)合金的物理性能和機(jī)械性能岛盗。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)合金的綜合性能萄尽。加入一定量高熔點(diǎn)的TaC记辖、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)度倡照，改善合金的機(jī)械性能苗圃。Mo₂C可提高Ni-Co粘結(jié)劑的強(qiáng)度，并在碳化物声屯、氮化物和粘結(jié)劑間起連接作用惫饲。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)合金刀具去园。在高速下裤础，Ti（C,N）基硬質(zhì)合金比P20（YT14）、P10（YT15）合金的耐磨性高5～8倍蜓谋，比YD05F（P01～P05）合金高0.3～1.3倍梦皮。

Ti（C,N）基硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍略同于TiC基合金，但其加工范圍較寬桃焕〗烨猓可制成各種硬質(zhì)合金刀片，用于切削各類鋼材及“以車(chē)銑代磨”等精加工領(lǐng)域覆旭。除適于切鋼外退子，也可用于加工鑄件。由于Ti（C,N）基合金有低密度型将、低摩擦因數(shù)寂祥、高耐磨性、良好的耐酸堿腐蝕性能和穩(wěn)定的耐高溫性能七兜，所以它還可用于制作各類發(fā)動(dòng)機(jī)的耐高溫零部件丸凭，如小軸瓦、葉輪根部法蘭腕铸、閥門(mén)惜犀、閥座、推桿裂体、搖臂势纺、偏心輪軸、熱噴咀息队、活塞環(huán)等演茂，以及制作各種量具，如塞規(guī)和環(huán)規(guī)等沿硕。

表2列出部分國(guó)產(chǎn)的Ti（C, N）基硬質(zhì)合金牌號(hào)的物理機(jī)械性能件银。表中NT系列為四川自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)，TN系列是湖南株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的牌號(hào)。其中TN10郊片、TN20度籍、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)度鋼焚惰、不銹鋼和耐熱合金等的精加工别主，還可用于硬度小于55HRC淬硬鋼的精加工和半精加工。尤其對(duì)高強(qiáng)度鋼和不銹鋼的半精加工效果最佳阎瘩。

TN20適用于合金鋼色罚、不銹鋼和高強(qiáng)度鋼的半精加工。在一定條件下账劲，可用于球墨鑄鐵和灰鑄鐵的精加工和半精加工戳护。

TN30用于合金鋼、不銹鋼瀑焦、高強(qiáng)度鋼和球墨鑄鐵的高速精銑加工和半精銑加工腌且，也可用于這類材料的車(chē)削加工。

三榛瓮、結(jié)語(yǔ)

鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間铺董，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)量好禀晓。因此精续，特別適于鋼材和鑄件的精加工和半精加工。在國(guó)外粹懒，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%以上重付。近幾年來(lái)，隨著涂層鈦基硬質(zhì)合金（可單涂層凫乖，也可用多元復(fù)合涂層）涵店、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(kāi)發(fā)，使材料的綜合性能大大提高馅拥，應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大卫跺。

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)肯窜，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)合材料钥忌。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)壁材料笔广、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室材料闪侨、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灿西。這種刀片的表面為20μm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)善婉。CN8000型刀片的綜合性能好沪翔，它常可一刀兩用（粗精加工用一把刀具）抄瓦，故可減少刀具品種潮瓶，節(jié)省刀具成本。

可以預(yù)料钙姊，隨著新型鈦基硬質(zhì)合金的廣泛使用毯辅，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(kāi)發(fā)及高速切削和干式切削技術(shù)的推廣與應(yīng)用煞额，又將進(jìn)一步推動(dòng)新型鈦基硬質(zhì)合金的使用思恐。

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