新型硬質合金—添加鉭、鈮的硬質合金?

　　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。硬質合金刀具材料的問世，使切削加工水平出現了一個飛躍。硬質合金刀具能實現高速切削與硬切削。

　　硬質合金是高硬度、難熔的金屬化合物粉末(WC、TiC等)，用鈷或鎳等金屬作粘結劑壓坯、燒結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。但由于硬質臺金的可加工性差，且較脆，過去主要只用于車刀和面銑刀，近年來已擴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。

　　德國是世界上首先生產硬質合金的國家，1923年用粉末冶金法研制成功鎢鈷合金(WC+Co)，1931年又制成鎢鈦鈷類合金(WC+TiC+Co)。 到20世紀30年代中后期，美國、日本、英國、瑞典均能生產硬質合金。第二次世界大戰期間，硬質合金刀具已開始應用。戰后50年來，硬質合金作為刀具，模具和耐磨件材料，得到突飛猛進的發展。品種繁多，質量不斷提高。在刀具方面，硬質合金成為與高速鋼并駕齊驅的最主要的刀具材料。與高速鋼相比，硬質合金的種類和牌號非常多，因此對它的合理選擇和應用應給予足夠的重視。

　　在20世紀50年代初、中期，我國引進前蘇聯技術，建成了株洲硬質合金廠；后來又建成了自貢硬質合金廠。 當時，作為刀具材料的產品比較單調，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。隨著科技事業的發展，各種難加工材料不斷涌現并得到廣泛應用，用上述普通硬質合金牌號作為刀具切削各種難加工材料已不能滿足全部要求，于是我國硬質合金工業大力發展研制技術，生產出多種新型硬質合金。第一是采用高純度的原料，如采用雜質含量低的鎢精礦及高純度的三氧化鎢等；第二是采用先進工藝，如以真空燒結代替氫氣燒結，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組分；第四是調整合金的結構；第五是采用表面涂層技術。

　　新型硬質合金分為五大類，即

　　(1)添加鉭、鈮的硬質合金；

　　(2)細晶粒與超細晶粒硬質合金；

　　(3)Ti(C，N)基與TiC基硬質合金；

　　(4)表面涂層硬質合金；

　　(5)添加稀土元素硬質合金。

　　本文介紹添加鉭、鈮的硬質合金。 其余四類將陸續閘述。

　　2 添加鉭、鈮硬質合金的類別與性能

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

　　添加鉭、鈮的硬質合金分為兩大類：

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

　　(2)WC+TiC+Ta(Nb)C+Co類?即在YT類合金的基礎上又加入了TaC、NbC，用以加工鋼料。 個別牌號也能加工鑄鐵。這類合金品種繁多，但歸納起來可分為三種：①通用類：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，但其單項性能指標并不比普通的YT、YG合金強。YWl、YW2、YW3等牌號就是通用類合金(見表1)。②銑削牌號類：TiC含量～般少于10％，TaC含量高達10～14％，Co含量亦達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械沖擊和抗熱裂的性能；配以較高的含Co量，抗彎強度亦高。株洲硬質合金廠的YS30、YS25、YDS15及自貢硬質合金廠的YT798屬于此類合金(表1)，③高碳化鈦添加TaC、NbC類：TiC含量一般在10％以上(個別的有低于10％者)，直到30％。添加TaC、NbC約5％以下，可用以替代各個等級的YT類普通合金，耐磨性能顯著提高。株洲硬質合金廠的YT30+TaC和自貢硬質合金廠的YT712、YT715等都屬于這類合金(表1)。

　　注：除YT798、YT712、YT715為自貢硬質合金廠產品外，其余牌號均為株洲硬質合金廠產品，但YW1、YW2兩廠都生產。

　　除添加加TaC、NbC外，有些新型埂質合金還添加了Cr3C2、VC和W粉、Nb粉等。 Cr3C2和VC的加入，可以抑制合金晶粒長大，W粉和Nb粉則可強化粘結相。

　　株洲硬質合金廠和自貢硬質合金廠近年在引進外國設備與技術后，又分別建立了添加鉭、鈮的硬質合金新系列，如表2、表3所示。

　　*YC25S 亦屬于銑削牌號。

　　添加鉭、鈮的硬質合金牌號最多，令人眼花繚亂。 然而根據P，M，K的國際類別與級別，是不難理解和選用的。

　　3 切削實驗

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

　　T-ν曲線的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硬質合金切削60Si2Mn高強度鋼，與YT30(P01)+TaC硬質合金作對比，αp=0.5mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min，刀具幾何參數同上。 其刀具磨損曲線見圖3。

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