前沿拓展：

新型硬質合金——細晶粒與超細晶粒

硬質合金和Ti(C，N)與TiC基硬質合金

摘 要：主要介紹了細晶粒與超細晶粒硬質合金和Ti(C，N)基與TiC基硬質合金的種類和性能，并列入一些試驗數據。

關鍵詞：硬質合金；細晶粒；超細晶粒；金屬陶瓷；切削刀具

1 概述

本文介紹兩類新型硬質合金的種類與性能：

(1)細晶粒與超細晶粒硬質合金；

(2)Ti(C，N)基與TiC基硬質合金，這類硬質合金又可稱為“金屬陶瓷”，英文叫“Cermet”。應當注意，“金屬陶瓷”的成分仍是碳化物，與人們熟知的氧化鋁、氮化硅陶瓷不是等同的東西。

細化晶粒是改變硬質合金的結構；而Ti(C，N)基與TiC基硬質合金則是改變臺金的化學成分通過這兩種方法都能改善硬質合金的性能。

2 細晶粒和超細晶粒硬質合金

硬質合金的晶粒細化后，使硬質相尺寸變小，粘結相更均勻地分布在硬質相周圍，可以提高硬質合金的硬度與耐磨性。如適當增加鈷含量，還可以提高抗彎強度。礦用或鈷探用的合金為粗晶粒，平均晶粒尺寸為4～5μm；普通牌號的刀具用合金YT15、YG6等均為中晶粒，平均晶粒尺寸為2～3μm：細晶粒合金的平均晶粒尺寸為1～2μm，亞微細粒合金為0.5～1μm，超細晶粒合金則為0.5μm以下。日本等國很重視這類合金的研制，我國在20世紀60年代就有了細晶粒合金的牌號，如YG3X、YG6X。70年代末期開始研制亞微細粒合金．株洲硬質合金廠的亞微細粒牌號有YS2T、YS8、YS10及YD15，自貢硬質合金廠的YG643、YG600、YG610、YG640等都是亞微細粒牌號(見表1)。

早先的細晶粒和亞微細粒結構多用于WC+Co的合金(即K類合金)。近年來M類和P類(WC+TiC+Co)合金也向晶粒細化的方向發展。80～90年代，各國已研制出超細晶粒合金。

用細品粒、亞微細粒硬質合金代替普通中等晶粒的硬質合金，如以YG3X、YG6X代替YG3、YG6，以YS8、YS10代替YG6，能夠顯著提高刀具使用壽命。

近年，自貢硬質合金廠已研制出亞微細粒硬質合金牌號ZK10UF和ZK30UF(相當于K10和K30)，硬度為HRA92.5～91.5，抗彎強度為2～2.5GPa，其平均品粒尺寸為0.6～0.8μm。該廠又研制出超細品粒硬質合金牌號Zcx10、Zcx30和Zcx40(相當于K10、K30和K40)，硬度為HRA93～92，抗彎強度為2.5～3.5GPa，其平均品粒尺寸為0.4～0.5μm。

3 Ti(C，N)基與TiC基硬質合金(金屬陶瓷)

不論是YT類、YG類，或在它們的基礎上添加了TaC、NbC的新型合金，都屬于WC基合金。因為在它們當中，WC是主要成分，含量達65～97％，并以Co為粘結劑。TiC基合金是后來發展起來的，其主要成分為TiC，占60～80％以上，少含或不含WC，以Ni、Mo作粘結劑。與WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度較高，對鋼的摩擦系數較小，切削時抗粘結磨損與抗擴散磨損的能力較強，具有更好的耐磨性，但韌性和抗塑性變彤的能力稍弱。我國代表性牌號是YN05、YN10(株洲硬質合金廠研制)，用以切削正火和調質狀態下的鋼材，其切削性能優于WC基合令YT30、YT15。

近年，我國又開發Ti(C，N)基合金，它具有與TiC基合金相同的特性與優點，但其韌性、抗塑性變形能力高于TiC基合金，有發展前景。應用范圍略同于TiC基合金，主要是切削鋼料，但加工范圍較寬。

表2列出了WC、TiC、TiN、Ti(C，N)等物質的機械性能。可以看出，TiC和Ti(C，N)的硬度高于WC。Ti(C，N)的各項性能均介于TiC、TiN之問，故Ti(C，N)的彈性模量大于TiC。由此可以解釋，Ti(C，N)綦與TiC基硬質合金的硬度和耐磨性高于WC基合金；Ti(C，N)基合金的抗塑性變形的能力高于TiC基合金：

株洲硬質合金廠和自貢硬質合金廠生產的Ti(C，N)基與TiC基硬質合金的牌號如表3、表4所列。

有色金屬研究總院還研制成功了Ti(C，N)基硬質合金NT7。

4 切削試驗

作者用國產不同牌號的Ti(C，N)基硬質合會刀片，與相同級別的WC基硬質合金刀片進行對比切削實驗。

(1)用有色金屬研究總院研制的NT7刀片及株洲硬質合金廠生產的TN20刀片，與WC基YT14刀片，做對比車削試驗。工件材料為38CrNi3MoVA高強度鋼(HRC36～40)：切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r；刀具幾何參數γ0=-6°，α0=6°，Kr=45°，λs=-4°，γε=O.8mm。所得的T-ν曲線如圖1所示。相應的Taylor公式為：

NT7 ν=440/T0.48 (m/min)

TN20 ν=440/T0.48 (m/min)

YT14 ν=275/T0.35 (m/min)

從圖1可見，TN7與TN20的水平相同，它們的使用壽命高于YT14甚多。

(2)用株洲硬質合金廠生產的Ti(C，N)基硬質合金刀片TN320刀片，與YT14刀片做對比銑削試驗，工件材料為中碳鋼45(HB187)。切削用量αp=1mm，f=0.125mm/r，ν=147m/min。刀盤直徑125mm，工件寬度50mm。刀具幾何參數~γp=2°，γr=0°，Kr =75°，Kr =15°。所得到的刀具磨損曲線如圖2所示，可見TN320優于YT14。

(3)用NT7、TN20、YT14三種刀片進行抗沖擊對比車削試驗。工件為合金鋼齒輪(HB320)。αp=1mm，f=0.2mm/r，沖擊頻率為4kHz。所得的試驗曲線如圖3所示，到崩刃之前，NT7刀片與TN20刀片能承受的沖擊次數分別比YT14刀片高出約30％與50％。由此可見，Ti(C，N)基硬質合金刀片有較好的抗沖擊能力。

拓展知識：