硬质合金刀具材料及其发展前景

摘要：近几十年来，航空航天、汽车等行业使用材料的性能不断提高，轻质强

韧材料的使用日渐增多，加工难度日益增大。各种因素的影响下，促进了切削刀具材料的高速发展，其中硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一直处于主导地位

关键词： 硬质合金 切削刀具 机加工 合金刀具

1. 硬质合金刀具的发展状况

1.1 什么是硬质合金

它是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC等）作为基体，以金属Co等作为粘合剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。它的硬度高，耐磨性好，耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍。特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。[1]

1.2我国的硬质合金刀具发展情况

目前硬质合金刀具已占刀具主导地位，比重达70％。而高速钢刀具正以每年1％～2％速度缩减， 目前所占比例已降至3O％以下。金刚石、立方氮化硼等超硬刀具比重为3％左右。我国目前年刀具销售额为145亿元，其硬质合金刀具所占比例不足25％，不仅与国际市场刀具产品结构相去甚远，也不能满足国内制造业对硬质合金刀具日益增长需求。

我国目前年产高速钢材8万t左右，约占全球总产量40％，消耗了大量宝贵钨、钼等稀有资源。这种盲目扩张低水平重复，使得生产高速钢刀具大量过剩，不得不以低价销售，导致大量刀具生产企业效益低下。

我国目前年产硬质合金1．6万t，也占全球总产量40％左右。但硬质合金制品附加值最高切削刀片产量只有3000余t，只占20％。这种状况，一方面造成国内急需硬质合金刀具供应不足，另一方面也使宝贵硬质合金资源未得到充分利用。 从经济效益方面比较，我国硬质合金年销售收入约5．6亿美元；日本仅为我国产量40％，但销售收入高达26．33亿美元，其刀片(刀具)比重高达72％，使资源得到了充分利用，企业也获得了良好效益。我国工具工业应该从得到一些有益启示。 目前，刀具结构失衡就生产刀具与需求不对路。例如：用户需要硬质合金刀具缺口很大，但高速钢刀具却生产过剩；现代制造业急需高效刀具缺口很大，但低档标准刀具却生产过剩。

1.3国外硬质合金刀具的发展情况

硬质合金制品表面涂层技术 硬质合金表面涂层技术,自60年代出现以来,发展异常迅速。据不完全统计,目前世界上已有70多家硬质合金生产厂家生产涂层硬质合金。涂层硬质合金刀片占可转位刀片的比例已增加到60、70肠,有些公司的比例还要高,如瑞典山特维克公司、美国肯纳金属公司、德国埃德尔特殊钢厂

等均己达到80肠以上,原苏联已确定700。多个品种刀具适于涂层。硬质合金涂层产品已由车削刀片扩大到铣削、钻削等刀片以及成形工具等。涂层已由单一的碳化钦涂层发展到双层、三层、甚至多达十三层等复合涂层。[2]

韩国YesTool公司推出的“KRUZ”硬质合金机夹孔加工刀具，采用了硬质相晶粒分别为0.2+0.5+0.8μm的混合型高钴(13%)超细晶粒度基体，使刀具基体材料的强度和硬度都有较大的提高，配以接近整体型钻头强度的机夹刀片几何结构和夹紧方式以及独创的钻尖设计和高性能的氮化钛(TiN)与氮铝化钛(TiAlN)纳米物理涂层(PVD)，不仅适用于加工软质到硬质工件，甚至对极难加工的特殊材料工件，都能体现出优秀的切削性能。

瑞典山特维克可乐满公司(SandvikCoromant)新推出的钢材车削牌号GC4225、GC4235，采用了超细晶粒的梯度硬质合金基体，配以氮碳化钛中温化学涂层(MT-CVD)和细晶柱状a-Al2O3化学涂层，表面则采用消除表面应力的后处理工艺，即通过喷丸处理去掉前刀面CVD涂层的拉应力表层(TiN)，使露出表面的Al2O3的拉应力下降40%，内层涂层的应力下降20%，显著改善了刀片的抗微崩刃性能和抗剥落能力，在提高刀刃完整性和可靠性的同时还提高了涂层表面的光洁度，降低了刀片与切屑之间的粘结性。GC4225可覆盖从粗加工到精加工80%的应用领域，与一般的P25刀片比较刀具寿命可提高60%，生产效率提高33%，为钢件加工的首选牌号。株洲钻石切削刀具股份有限公司继两年前推出用于铸铁加工的YBD系列黑金刚牌号后，新推出的用于钢材加工的第二代黑金刚系列牌号——YBC152和 YBC252也采用了表面富钴的梯度硬质合金基体材料，配以厚层的纤维状TiCN和细晶粒Al2O3的CVD涂层，具有极强的抗塑性变形能力和刃口强度，特别适合钢材的高速加工。新一代黑金刚牌号刀片在相同切削条件下，可提高切削速度25%以上；在同样切削速度下，刀具寿命可提高30%以上。在本次展会上推出表面富钴梯度硬质合金基体材料新牌号的还有：美国Kennametal公司的通用材质牌号KU30T、Valenite公司的加工不锈钢牌号VP5535、以色列ISCAR公司的适用于高速加工的改进型Al2O3MT-CVD复合涂层“a-TEC”系列(如：IC9150、IC9250、IC9350)牌号等。

2. 硬质合金刀具概况

2.1硬质合金刀具的使用范围

硬质合金刀具在高速切削道具中应用量最大，占各种刀具销售额总量的80％。普通速度的金属切削90%采用硬质合金刀具。硬质合金具有比较好的抗冲击韧度，但是高速性能不好。另外，高速切削刀具还要具有极高的热硬性和化学稳定性，这方面硬质合金也不能满足要求。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。

2.2硬质合金刀具的材料

硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物（WC、TiC)微米级粉末为主要成分，以钴（Co）或镍（Ni）、钼（Mo）为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。

ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属的碳化物、氮化物、硼化物等，由于硬度和熔点特别高，统称为硬质合金。下面以碳化物为重点来说明硬质含金的结构、特征和应用。 ⅣA、ⅤA、ⅥA族金属与碳形成的金属型碳化物中，由于碳原子半径小，能填充于金属品格的空隙中并保留金属原有的晶格形式，形成间隙固溶体。在适当条件下，这类固溶体还能继续溶解它的组成元素，直到达到饱和为止。因此，它们的组成可以在一定范围内变动（例如碳化钛的组成就在TiC0.5～TiC之间变动），化学式不符合化合价规则。当溶解的碳含量超过某个极限时（例如碳化钛中Ti︰C=1︰1），晶格型式将发生变化，使原金属晶格转变成另一种形式的金属晶格，这时的间充固溶体叫做间充化合物。 金属型碳化物，尤其是ⅣB、ⅤB、ⅥB族金属碳化物的熔点都在3273K以上，其中碳化铪、碳化钽分别为4160K和4150K，是当前所知道的物质中熔点最高的。大多数碳化物的硬度很大，它们的显微硬度大于1800kg·mm2（显微硬度是硬度表示方法之一，多用于硬质合金和硬质化合物，显微硬度1800kg·mm2相当于莫氏一金刚石一硬度9）。许多碳化物高温下不易分解，抗氧化能力比其组分金属强。碳化钛在所有碳化物中热稳定性最好，是一种非常重要的金属型碳化物。然而，在氧化气氛中，所有碳化物高温下都容易被氧化，可以说这是碳化物的一大弱点。

除碳原子外，氮原子、硼原子也能进入金属晶格的空隙中，形成间充固溶体。它们与间充型碳化物的性质相似，能导电、导热、熔点高、硬度大，同时脆性也大。

硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结金属。 硬化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很高，熔点都在2000℃以上，有的甚至超过4000℃。另外，过渡金属的氮化物、硼化物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了合金具有极高硬度和耐磨性。 粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。

制造硬质合金时，选用的原料粉末粒度在1～2微米之间，且纯度很高。原料按规定组成比例进行配料，加进酒精或其他介质在湿式球磨机中湿磨，使它们充分混合、粉碎，经干燥、过筛后加入蜡或胶等一类的成型剂，再经过干燥、过筛制得混合料。然后，把混合料制粒、压型，加热到接近粘结金属熔点（1300～1500℃）的时候，硬化相与粘结金属便形成共晶合金。经过冷却，硬化相分布在粘结金属组成的网格里，彼此紧密地联系在一起，形成一个牢固的整体。硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。

2.3硬质合金刀具的性能

（1）硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC）；

（2）热硬性好（可达900～1000℃，保持60HRC）；

（3）耐磨性好。

在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。这是因为稀土元素可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。添加稀土元素的硬质合金最适合粗加工牌号，亦可用于半精加工牌号。此外，该类硬质合金在矿山工具、顶锤、拉丝模等硬质合金工具中亦有广阔应用前景。我国稀土资源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研究也具有较高水平。

2.4硬质合金刀具的优缺点

硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高 20～150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。

但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。所以其缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，脆性大，承受冲击和抗振能力低。

3．硬质合金刀具的发展趋势

3.1发展前景

在硬质合金中添加少量的元素可强化材料的硬质相和粘结相、净化晶界并显著提高材料的抗弯强度和冲击韧性。日本住友电工硬质合金株式会社推出的ACE系列涂层牌号(AC700G、AC2000、AC3000)，采用了加锆(Zr)的硬质合金基体材料，使新牌号基体材料的红硬性大幅度提高。日立工具技术株式会社新推出的HG系列涂层新牌号(HG8010、HG8025)则采用了所谓“三重锆效果”的CVD涂层新技术，其“第一重锆效果”就是在硬质合金基体材质中添加了锆(Zr)元素，以提高基体的抗高温变形能力；“第二重锆效果”则是用细晶柱状的锆(Zr)涂层取代通常的MT-TiCN涂层，从而提高了涂层的抗氧化性；“第三重锆效果”则是在涂层表面涂覆一层白色的锆(Zr)涂层，以提高刀具表面的润滑性、耐热性和抗剥落性。这种新型涂层牌号刀片具有良好的耐热性，特别适用于高效加工，与传统刀片相比，可提高加工效率150%，降低加工成本20～30%。 超细晶粒硬质合金得到了越来越广泛的采用。除上述几家公司的新牌号采用了超细晶粒硬质合金基体外，Kennametal公司推出的新牌号KC5525、KC5510也采用了晶粒细化的高钴硬质合金基体，拥有钴含量达10%的超级细化晶粒的硬质合金基体，配以高铝含量的TiAlNPVD涂层，使刀具在断续切削时具有很高的刃口韧性的同时，又具有极强的抗热变形能力。ISCAR公司推出的用于整体硬质合金立铣刀的“AL-TEC”涂层系列(如：IC900、IC903、IC908、IC910等)牌号，