硬质合金性能和检测

硬质合金性能和检测第一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日常用的硬质合金成分钨钽钴类（WC+TaC+Co）硬质合金（YA在YG类硬质合金的基础上添加TaC(NbC)，提高了常温、高温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性。钨钛钽钴类（WC+TiC+TaC+Co）硬质合金(YW)主要成分是碳化钨、碳化钛、碳化钽（或碳化铌）及钴。称通用硬质合金或万能硬质合金。其牌号由“YW”（“硬”、万”两字汉语拼音字首）加顺序号组成，如YW1在YT类硬质合金的基础上添加TaC(NbC)，提高了抗弯强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。第二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日应用范围分类用途分组性能提高方向类别e被加工材料范围合金牌号被加工材料用途及加工条件切削性能合金性能YT钢及合金钢YT30钢、铸钢及合金钢高速切削精加工，小断面的精车精镗和精扩等进切给削量速度

耐磨性韧性YT05碳素钢、合金钢和高强度钢高速精加工和平精加；亦适用于淬火钢及含钴较高的合金的加工YT15碳素钢、合金钢连续车削时的精车、半精车、旋风车丝；连续面的精铣和半精铣；孔的精扩和粗扩YT14碳素钢、合金钢不平整断面和间断切削时的粗车粗刨，间断切削时的半精车的精车，连续面的粗铣；铸孔的扩钻和粗扩YT5碳素钢、合金钢（包括锻件、冲击件和铸件的表皮）不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、半精刨，不连续面的粗铣和钻孔YW合金钢及铸铁YW1钢、合金钢、铸铁能承受一定的冲击载荷，通用性较好进切给削量速度

耐磨性韧性

YW2钢、合金钢、铸铁适用耐热钢、高锰钢、不锈钢及高级合金钢等难加工钢材的粗加工和半精加工YW3耐热合金钢、低合金钢、高强度钢精加工和半精加工，亦可作冲击小情况下的粗加工YW4碳素钢、合金钢、调质钢、耐热不锈钢有很好的耐高渐性能和抗粘结能力，通用性好切削刀具用硬质合金的性能及用途第三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日应用范围分类用途分组性能提高方向合金类别被加工材料范围合金牌号被加工材料用途及加工条件切削性能合金性能YN钢及合金铸铁YN05钢、铸铁、合金铸铁机床—工件—刀具系统刚性特别好和细长件精加工，高速切削时的精车进切给削量速度耐磨性韧性YN10碳素钢、合金钢、工具钢、淬火钢连续面的精加工，对细长件和表面光洁度要求高的工件精加工YG铸铁、有色金属及其合金、非金属材料YG3X铸铁、有色金属及其合金精镗、精车、亦可用于合金钢和淬火钢的精车进切给削量速度耐磨性韧性YG3铸铁、有色金属及其合金精车、精镗YG6A铸铁、有色金属及其合金半精车；亦适于高锰钢、淬火钢、合金钢的半精加工及其精加工YG6X冷硬铸铁、普通铸铁、耐热合金钢精加工和半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金、非金属材料连续面的粗车，不连续面的半精车及精车，不断面精车，粗车螺纹，旋风车丝，连续面的精铣和半精铣，孔的粗扩和精扩YG8N硬铸铁、球墨铸铁、白口铁及有色金属各种条件下的粗加工，亦适于不锈钢的粗车和半精车YG8铸铁、有色金属及其合金、非金属材料不平整断面的间断切削的粗车、粗刨、粗铣、一般孔和深孔的钻孔和扩孔第四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日应用范围分类用途分组性能提高方向合金类别被加工材料范围合金牌号被加工材料用途及加工条件切削性能合金性能YN钢及合金铸铁YN05钢、铸铁、合金铸铁机床—工件—刀具系统刚性特别好和细长件精加工，高速切削时的精车进切给削量速度耐磨性韧性YN10碳素钢、合金钢、工具钢、淬火钢连续面的精加工，对细长件和表面光洁度要求高的工件精加工YG铸铁、有色金属及其合金、非金属材料YG3X铸铁、有色金属及其合金精镗、精车、亦可用于合金钢和淬火钢的精车进切给削量速度耐磨性韧性YG3铸铁、有色金属及其合金精车、精镗YG6A铸铁、有色金属及其合金半精车；亦适于高锰钢、淬火钢、合金钢的半精加工及其精加工YG6X冷硬铸铁、普通铸铁、耐热合金钢精加工和半精加工YG6铸铁、有色金属及其合金、非金属材料连续面的粗车，不连续面的半精车及精车，不断面精车，粗车螺纹，旋风车丝，连续面的精铣和半精铣，孔的粗扩和精扩YG8N硬铸铁、球墨铸铁、白口铁及有色金属各种条件下的粗加工，亦适于不锈钢的粗车和半精车YG8铸铁、有色金属及其合金、非金属材料不平整断面的间断切削的粗车、粗刨、粗铣、一般孔和深孔的钻孔和扩孔第五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日合金牌号使用性能用途YG3X钨钴合金中耐磨性最好的一种合金，但冲击韧性较差

用作细金属丝的拉伸模具，无冲击条件下的耐磨零件YG4C属粗晶粒碳化钨合金，其耐磨性高于YG8合金，而使用强度近于YG8合金适于煤炭采掘工业中，镶制电钻及风钻钻头，钻进煤层和无烟煤，无矽化岩、钾盐、岩盐及其他均质岩石；亦适于钻进中硬砂岩(V-VI级，部分VII级)，灰岩及软硬交互频繁的岩层YG6耐磨性较YG8高，但韧性较YG8低适于线材的干式润滑拉伸；地质勘探、煤炭采掘用电钻及风钻钻头；制造机器和工具的易磨损零件等YG8使用强度较高，但抗冲击、抗振动性能较YG6合金好，但耐磨性较低适于钢、有色金属及其合金的棒材及管材的拉伸；电钻钻头、截煤机齿油井钻头、地质勘探钻头；制造机器和工具的易磨损零件；如喷嘴、顶尖、导向装置、顶锻杆和穿孔工具等YG8C属粗晶粒碳化钨合金，其实用性能接近于YG15合金，但耐磨性较YG15合金高适于冲击回转凿岩机用的钎头，凿中硬和坚硬岩石；亦适于作切剖含有坚硬夹石的截煤机齿，油井钻头，坚硬石材加工工具；亦适于压缩率大的钢棒，钢管拉伸YG11C属粗晶粒碳化钨合金，使用强度较YG15稍好，耐磨性优于YGl5合金适于冲击回转凿岩机凿坚硬岩石用的钻头，例如深孔钻进，凿岩台东等用的钻头；亦可制作一段冲击的冲压模具YG15使用强度较上述合金都高，但耐磨性则较低适于冲击回转凿岩机凿坚硬和极坚硬岩层用的钻头；亦适于作压缩率大的钢棒及钢管拉伸，冲压工具等YG20C冲击韧性好，不易掉块和冲裂适于冷锻模具、减轻冲压模具；大尺寸标准件冲压摸具，如冷锻螺钉、冷冲钢球；子弹头，枪弹头及弹壳等。YG20耐磨性能好，具有较高的抗弯强度适于作带刃的冲压模具，如手表零件，乐器弹簧片、冷冲电池壳，牙膏皮；小尺寸的钢球，螺钉，螺帽的冲棋；热孔麻花钻压板。耐磨零件和矿山地质工具用硬质合金第六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日合金牌号使用性能用途GT35具有较高的硬度和耐磨性但不耐高温和腐蚀适于制作冷锻，拎冲．冷挤，冷拉等模具，镗杆，轧辊，滚压工具及卡具，量具，机器零件、耐磨零件等R5硬度和耐磨性较高，具有明显的回火二次硬化现象，抗回火，抗氧化，具有一定耐蚀性适于制作中温热作模具及抗氧化，耐腐蚀。耐磨的工件，如刮片密封环等R8具有优异的耐硫酸、硝酸及弱酸(有机酸)、碱、尿素等腐蚀能力适于制作腐蚀环境中的耐磨零件如泵的密封环、阀门，阀座、铀承套等D1T1有较高的硬度和耐磨性，具有一定的耐热性和回头二次硬化效应适于制作有色金属及其合金，耐热合金、不锈钢等加工用的多刃刀具，如麻花钻头、铣刀，浓刀、丝锥，扩孔钻等ST60为不可热处理，不可加工无磁性的钢结硬质台金，耐热，耐腐蚀，抗氧化适于制作热挤压模和在磁场中工作的工具和模具钢结硬质合金第七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

提高原材料的质量：

提高原材料的纯度：含量在200ppm以下的Na、Li、B、F、Al、P、K等微量元素对W粉的还原、碳化、硬质合金烧结及其组织结构和性能均有不同程度的影响。

控制原料的粒度及其分布：应避免碳化物或钴粉原料中出现过大的颗粒，防止合金在烧结时生成粗大碳化物晶粒和钴池。

优化性能：同时控制原料的粒度与粒度组成，以满足不同产品的需要。如切削工具应选用费氏粒度小于2μmWC粉，耐磨工具应选用2-3μmWC粉等。

分级：英国Hurex公司生产的钨粉及WC粉均按Fsss粒度分为6级；美国LiTungstun公司的钨粉分为5级，碳化钨粉分为6级（均按Fsss粒度）；欧洲钨公司的钨粉按Fsss粒度分为8级；日本东芝公司的钨粉也分为8级。我国现在也研制了钨粉连续分级的技术和工艺。硬质合金性能的改善第八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

超细晶粒合金：碳化物晶粒度小于1μm，同时具有较高的硬度和韧性。非均质结构合金：将二种不同成分或不同粒度的混合料混和在一起制成的在显微组织上或成分不均匀的硬质合金，它往往兼有粗晶粒合金的高韧性和细晶粒合金的高耐磨性，或兼有高钴合金的高韧性和低钴合金的高耐磨性。

超结构合金：通过特殊生产工艺使合金的组织由那些富钴的金属脉连结起来的定向不等轴碳化钨单晶薄片区域组成，这种合金在遭受反复压缩冲击时有突出的耐磨性和极高的耐用度。

梯度合金：成分有梯度变化的合金，导致硬度、韧性呈现梯度变化。

硬质合金的表面硬化技术：涂层技术。改善合金的组织结构第九页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

硬质相：由于世界上钨资源短缺，目前发展了以TiC、TaC、Cr3C2等硬质相的合金。此外还研究了添加不同量的ZrC、HfC、Cr3C2、VC、Mo2C和NbC等碳化物以细化合金组织的改善性能。其中较为有效的是HfC、TaC、VC。然而，对于其他碳化物而言，由于粘结金属对它们的润湿性能不佳，故未能取得大的进展。粘结相：添加合金元素和某些稀土氧化物可用来强化粘结相。采用Ni，Fe或其它金属来取代钴作粘结相，例如，单独以Ni和Fe作粘结剂。从对硬质相的润湿性、对硬质相的溶解度等方面考虑，目前还没有发现理想的合金粘结相。已研究的包括Fe-Co-Ni合金、(Fe、Ni）合金作粘结相的硬质合金，以及以铜合金、Ni-Mo合金、Nb-Co合金，Nb-Ni合金等作粘结剂的硬质合金。然而，钴所具有良好的综合性能，使得其对以碳化钨为基硬质合金是效果最好的粘结金属。新硬质相或粘结相第十页，共二十九页，编辑于2023年，星期日其它方法

添加元素或化合物：添加高熔点金属或其化合物，稀有金属或其碳化物，稀土金属或其氧化物，以及其他金属或惰性氧化物。在于减少合金中的孔隙与夹杂，改善合金的烧结性能，细化合金的组织，强化合金的粘结相，改善合金中硬质相与粘结相的结合特性。

硬质合金的热处理：强化粘结相和细化晶粒。硬质合金是硬质相和粘结金属所组成的一种特殊复合材料，其韧性主要由粘结相所赋与，而耐磨性则主要由碳化物相赋与。WC-Co硬质合金热处理可明显地改善合金的强度和韧性，使硬质合金工具使用寿命成倍的增长。

表面硬化处理：解决硬质合金的耐磨性与韧性，硬度与强度之间的矛盾。其中，涂层以物理或化学的方法在韧性较好的硬质合金的表面沉积一层TiC或TiN以增加合金的耐磨性，是目前发展最迅速的硬质合金制备技术。第十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日高熔点碳化物对合金性能的影响

随着各种金属添加量的增加，硬度均有不同程度的增加。少量铌（≤1wt％）的加入会使抗弯强度显著提高；在试验含量内钨的加入也对强度有改善作用；铬、钽的加入对强度改进不大，含量较高时（≤wt1％）有可能产生副作用。加入各种高熔点金属后，组织均有所细化且晶粒尺寸更为均匀。第十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日在YG15合金中加入金属Mo时，没有发现合金的室温硬度升高，相反其室温强度随着Mo含量的增大而下降。然而，在WC-Co或WC-Ni合金中加入约黏结金属含量7wt％的Mo，可使合金高温下的硬度升高。添加Mo对硬质合金性能的影响第十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

添加的高熔点金属中，一部分进入钴相起到了固溶强化作用，另一部分与游离反应生成碳化物相，同时还能阻止WC晶粒长大。这些均能导致硬度上升和一定情况下强度的增加。添加的金属量如过高，则过量部分会转化为碳化物相，阻碍基体碳化物晶粒的连接而导致强度的下降。金属添加剂对硬质合金性能的影响第十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日高熔点金属碳化物常用碳化物：NbC、TaC、Cr3C2、MoC、ZrC、HfC第十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

添加上述碳化物都有阻止基体碳化物品粒长大的效应。其中以碳化釩的作用最大。碳化物添加剂阻止碳化钨晶粒长大的效果随其添加量而异，当添加量达到其在液态钴中的饱和固溶度时，添加剂阻碍WC晶粒长大的效果依下列次序排列：VC－Mo2C－Cr2C3－NbC－TaC－TiC－ZrC－HfC。当其添加剂低于在液态钴中的饱和固溶度时，对钴量而言，添加1.5%（但Mo2C和Cr3C2分别为0.75%和0.5%），亦即在钴相中碳化物添加剂有大体相同的金属原子数时，其阻止碳化钨晶粒长大的效果依下列次序排列：VC－NbC－TaC－TiC－Mo2C－Cr3C2－ZrC－HfC。然而，过量碳化物添加能够导致脆化效应。则可能是由于添加的碳化物析出于基体碳比物晶粒之间而破坏基体碳化物间的连结，并降低钴相对于基体碳化物的润湿性。添加碳化物的作用机制第十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日添加稀土对合金性能的影响

稀土元素的特性与作用：

稀土元素的化学活泼而奇特，当它们被加入合金中时，极易同合金中的氧或其他有害元素形成化合物，从而减轻或清除这些杂质的不良影响。稀土元素的氧化物由亍生成自由能高，熔点高、稳定，同时其离子半径、原子半径均大于其他元素，故容易填补在基体金属的位错空穴等晶体缺陷上，因而是一种良好的弥散相材料。

稀土元素在硬质合金中的加入：

粘结相中加入0.05-2％的铈，钴粘结相韧性提高>50％。当粘结相中加有0.2％的铈混合金属时，硬质合金酌抗弯强度平均提高20％，硬度平均提高0.5-1HRA硬度值，韧性和耐磨性也显著改善。在钴粘结相中加入0.1-2％的钇，铈或铈混合稀土金属，以及一定量的Ni、Cr、Fe、Mo和W的硬质合金热抗弯强度显著增加，抗氧化性能也有所提高。粘结相中含0.2％-2％的铈和（或）铈混合稀土金属和(或)钇，或者粘结相中加入0.1-2％的铈和（或）铈混合稀土金属或钇，以及Ni、Fe、Mo的硬质合金，其性能改善显著。第十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

添加微量稀土：以钕、铈及混合稀土金属作添加剂，加入量分别为0.2、0.4、0.7wt％等。然而，稀土金属非常活泼，极易氧化，干燥工艺均采用真空干燥，球磨介质采用无水乙醇，烧结在H2进行。其他工艺条件均为常规生产工艺。稀土对合金性能的影响第十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

优化组织：减少合金中的孔隙和石墨等夹杂物。使具有较大尺寸的外来夹杂变小。夺取合金中吸附的氧或其他氧化物（如钴粉表面的氧化膜）中的氧而形成稳定的稀土氧化物。

促进烧结：烧结出现液相后，稀土作为表面活性物质，使合金中的Cr3C2，TiO2等得到还原，改善了液相对碳化物骨架的湿润性。稀土还可在液相与碳化物界面上吸附形成薄膜，减慢速度，阻碍碳化物通过溶解析出长大。例如，组织变化加入钇后，碳化钨晶粒邻接度明显下降，同时晶粒细小且均匀。

工艺特点：由于稀土金属特别容易氧化，在加入及烧结前各道工序中应尽量避免稀土金属氧化，这样才能保证其在烧结时起到净化杂质，吸附气体，减少孔隙的作用。此外，稀土加入量应适当（一般加入量在1wt％以下），不出现过多氧化物时。添加稀土的作用机制第十九页，共二十九页，编辑于2023年，星期日硬质合金性能：表面涂层技术第二十页，共二十九页，编辑于2023年，星期日概述硬质合金的表面强化处理技术有很多种，但其中应用最成功和最广泛的涂层技术是CVD和PVD。

硬质合金的涂层技术是六十年代后期发展起来的一项先进技术，是硬质合金领域中革命性的技术突破。它的出现为解决硬质合金耐磨性和韧性相互矛盾的问题提供了一条极为有效的途径。第二十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日硬质合金表面涂层技术

涂层的目的：切削刀具必须满足二方面的要求，即表面的和整体的要求。刀具表面必须能耐磨和抗崩刃，而韧性整体则能阻止表面裂纹的发生。涂层硬质合金的发展阶段：

第一代涂层刀片的基体均选用常用的硬质合金；涂层材料为TiC及部分TiN。第二代涂层刀片的基体除了用常用的硬质合金外，还有部分特殊基体；涂层材料为TiC、Ti(C、N)、HfN、Al2O3及双、三涂层。第三代涂层刀片广泛采用适宜性能的特殊基体，涂层往往由多层作用不同的细晶粒的薄层组成。涂层技术已能大大改善硬质合金的质量，在提高切削速度一个数量级的同时，能够延长刀具寿命1-5倍。涂层除应用在刀具上外，还可用于冲头和模具。第二十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日涂层刀具的作用

热障壁作用：涂层材料较低的导热性而能阻碍切削产生的热进入刀具内部。通常，涂层使刀具温度降低的程度相当于冷却剂效果的10-15%。扩散障壁作用：阻止工件材料扩散到工具材料中去，因而能减少刀具与工件之间的粘接，焊接和刀瘤的形成，减少月牙洼磨损。抗氧化作用：在700℃的空气条件下，加热10小时非涂层硬质合金刀片的氧化速度比涂层硬质合金刀片要快8-10倍。润滑作用：硬质合金涂层刀片在切削时形成的Ti2O3润滑膜可有效地降低刀片与工件之间的摩擦系数，进而减少切削力10-25%及切削温度65℃（V切削=50米/分时）和115℃（V切削=200米/分时）。

时效作用：当涂层被磨掉后刀片仍有较好耐磨性，这是涂层时效作用。其原因是涂层下有一受涂覆影响而耐磨性较好的过渡层。且在切削的高温下，涂层材料（如TiC）会发生变形并移向月牙洼底部而保持其区域的耐磨性。第二十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日由于涂层所引起的这些作用大大改善了刀片的抗磨损能力，涂层刀片与非涂层刀片相比具有如下的特点：

通用性好。可改善工件切削表面精度。在相同的工具寿命下提高切削速度。在相同的切削速度下显著提高工具寿命。涂层刀具的特点第二十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日涂层硬质合金的优点具有较高的室温和高温硬度，从而可提高工具的耐磨性，减少硬质