什么是硬质合金?

什么是硬质合金?

[拼音]：yingzhi hejin

[外文]：cemented carbides，hard metals

由难熔金属的硬质化合物和粘结金属组成的合金。硬质合金中常用的难熔金属的硬质化合物，是元素周期表中过渡金属的碳化物，主要是碳化钨、碳化钛和碳化钽。粘结金属是指起粘结作用的金属，常用铁族金属，尤其是钴。硬质合金具有硬度高、耐磨，较好的强度和韧性、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能。其中最主要的是高的硬度和耐磨性，并且在较高的温度下仍能保持较高的硬度，因此广泛用于制造切削刀具、矿山工具、模具以及耐磨耐蚀部件（图1、图2）。

1914年德国用铸造方法生产碳化钨模具，产品硬度虽然不低，但是性质很脆，结构也不均匀。后来改用烧结法制成烧结碳化钨，性质依然很脆。1922年又用熔浸法生产烧结碳化钨，韧性有所改善。1923年德国人施勒特尔（K.Schrter）采用粉末冶金方法制成以钴为粘结金属的烧结碳化钨，方才开创了硬质合金的纪元。1926年起德国克虏伯公司开始工业规模生产含 6％钴的碳化钨硬质合金，并以“Widia”（wie Diamond的缩写，意即“像金刚石”）为商标出售。早期的硬质合金成分是单纯碳化钨和钴，只用作模具和切削铸铁和有色金属的刀具材料。制成的刀具如用来切削钢材，在刀刃的前面会迅速出现月牙洼形状的磨损，逐渐扩大以致崩刃。这就妨碍了硬质合金在刀具方面的推广使用。1929年美籍奥地利人施瓦茨科夫 (P.Schwarzkopf)在原有合金成分中加入适量的复式碳化物即碳化钨和碳化钛的固溶体，改善了刀具切削钢材的性能，这是硬质合金发展历程中的一大成就。六十年来硬质合金已形成独立工业体系，现在世界上生产硬质合金的大型工厂约有100家左右。中国在50年代开始建立硬质合金工业，产品牌号已自成体系。国际市场硬质合金的产品牌号总数不下两千种，基本上可归纳为以下几类：

碳化钨基硬质合金

以碳化钨（WC）为主要成分的硬质合金，产量最大。分为：

WC-Co 系合金

简称钨钴合金。含钴 3～25％，余量为碳化钨。这类合金产量最大。制成的刀具可以切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材等。可制拉伸模具、冲压模具、风钻钻头、截煤机刃齿、喷嘴、顶锤、顶尖和穿孔工具等。这类合金中国用符号YG代表。例如YG6表示含钴6％，余量为碳化钨。

WC-TiC-Co 系合金

简称钨钛钴合金。含钴4～10％，含碳化钛5～30％，余量为碳化钨。制成的刀具主要用于切削钢材。这类合金中国用符号YT来代表。例如 YT5表示含碳化钛5％，其余是碳化钨和钴。

WC-TaC-Co 系合金

简称钨钽钴合金。各国多用这类合金代替 Wc-TiC-Co系合金。主要用于制造切削刀具，部分用于制造矿山工具和模具。这类合金中国用符号YA来代表。

WC-TiC-TaC（NbC）-Co 系合金

简称通用合金。主要用于制造切削刀具，制成的刀具既能切削钢材，也能切削铸铁，更适于切削耐热钢、不锈钢、高锰钢等难加工材料。这类合金中国用符号YW来代表。

WC基耐蚀合金

包括WC-Ni、WC-Ni-Cr、WC-Co-Cr三种类型。主要用于制造耐蚀耐磨部件，例如密封环、汽缸衬里、反应器衬套、圆珠笔尖、阀门、化学工业中抗酸碱腐蚀的部件和食品工业中的喷嘴等。

超细晶粒合金

一般是指超细 WC-Co系合金。碳化钨的最大粒度不超过 1μm，含钴约 5～20％。其优点是抗弯强度较高，可达200～350kgf/mm2。制成的刀具适于低速切削，能取代部分高速钢刀具，也可以切削某些难加工材料。缺点是耐月牙洼磨损性较差，在较高温度下容易发生刀刃变形。

碳化钛基硬质合金

以碳化钛(TiC)为主要成分，以镍、钼为粘结金属的合金。特点是硬度高、耐磨、耐热，制成刀具能精车削和半精车削各种钢材，包括淬火钢、不锈钢、工具钢等。加工尺寸较大的工件和表面光洁度要求较高的零件，效果尤为显著。碳化钛基硬质合金也可用于制造耐磨、耐蚀部件，例如圆珠笔尖。这类合金中国用符号YN来代表。

涂层硬质合金

用化学气相沉积法在硬质合金表面涂覆厚度约为 3～12μm的耐磨涂层，以提高刀具的切削性能。常用的涂层物质有：TiC、TiN、Ti（C，N），TiC-TiN组合涂层或其他类型组合涂层，Al2O3等等，70年代已出现第四代涂层刀片。用涂层法制造的可转位刀片，寿命可提高数倍，切削速度可提高约30％。这种刀具一般用于切削钢材，某些新型涂层刀片，还能切削难加工材料。

国际上涂层刀片的应用正日益广泛而价格日趋下降。与未涂层的合金相比，涂单层刀片的成本增加额最多不超过20％。

钢结硬质合金

以钢做粘结金属的硬质合金。这种合金本身具有可加工性，可以切削、锻造和热处理。主要用于制造模具或耐磨、耐蚀部件等。

其他硬质合金铸造硬质合金

用电弧熔炼法使碳化物熔化并分散于难熔金属粘结剂中，再用离心浇铸法制成的合金，用于制造重切削刀具。

尤肯合金(Ucon)

成分为铌50％、钛30％、钨20％，用高温渗氮法制成。制成的刀具用于钢材粗加工。

康派克斯合金(Compax)

用高温高压技术将聚晶金刚石结合在硬质合金基体上的一种复合材料。制成的刀具用于加工非金属材料和有色金属材料。

布拉松合金(Barazon)

利用高温高压设备在钨钴合金的基体上压一层约 0.8mm厚的立方氮化硼制成的刀具材料。制成的刀具用于切削合金钢轧辊、淬硬钢、冷硬铸铁等。

合金性能

硬质合金的常温硬度多在HRA86～93之间；在 500℃以下基本保持不变；在1000℃时仍有 HRA73～76。高速钢允许最高工作温度一般为 600℃；而硬质合金可达1000℃，甚至更高；因此硬质合金刀具的允许切削速度远高于高速钢刀具。另外耐磨能力约为高速钢的15～20倍。 但强度和韧性不及高速钢，常温下抗弯强度约为75～300kgf/mm2，因此刀刃不宜制成像高速钢刀刃那样锐利。就钨钴合金而言，在一定限度内，当钴含量增加时，抗弯强度将有所增加而硬度有所降低。合金性能一般与其化学成分、金相组织和制造工艺有关。其中下列因素不可忽视：碳化物的粒度和分布，粘结金属的组成和含量，合金的碳含量，添加剂的组成和含量，组织结构中的缺陷，合金内部的残余应力等。

制造工艺

硬质合金是粉末冶金典型制品，其制造工艺一般为:制粉、混料、成形和烧结。以WC-Co系合金为例，其生产过程是将碳化钨和钴按比例进行配制，加入酒精或其他介质进行湿磨。经干燥、过筛、加入成形剂（一般用蜡或胶），再经干燥、过筛，便得到混合料。将混合料制粒(目的是增加流动性便于成形)、压型、烧结即得成品。WC-TiC-Co系合金的生产过程是:首先将碳化钛制成复式碳化物即TiC-WC，再将碳化钨、复式碳化物和钴粉进行球磨混合。以下工序与 WC-Co系合金生产过程（图3）相同。

参考书目

P.Schwarzkopf，R.Kieffer，Cemented Carbides，Mac-Millan，New York，1960.R.Komanduri，Advances in Hard Material Tool Technology，Carnegie Press Carnegie-Mellou Unive-rsity，Pittsburgh，1976.H.Jonsson，Materials for Cutting Tools，Fagersta，Sweden，1980.