钛基硬质合金综述

钛基硬质合金综述
内容摘要:一、钛基硬质合金的性能 钛基硬质合金是以 TiC 或 Ti（C, N ）为主要成份
（占 60%～80%以上），Ni-Mo 或 Ni-Co-Mo 作粘结相的硬质合金。钛基硬质合金的英文名
为“Cermet”。这类合金过去有人称之为“金属陶瓷”。但国际标准化组织 ISO153-1991
将其划归在硬质合金大类内（材料代号 HT），而不是陶瓷材料大类内。
一、钛基硬质合金的性能
钛基硬质合金是以 TiC 或 Ti（C,
N
）为主要成份（占 60%～80%以上），Ni-Mo 或 Ni-
Co-Mo 作粘结相的硬质合金。钛基硬质合金的英文名为“Cermet”。它是由陶瓷（ceramics）
的词头 cer 与金属（metal）的词头 met 结合起来构成的。这类合金过去有人称之为“金
属陶瓷”。但国际标准化组织 ISO153-1991 将其划归在硬质合金大类内（材料代号 HT），
而不是陶瓷材料大类内。为了区别于国内习称的“金属陶瓷”——在 Al2O3-TiC 中加入
少量粘结金属（Ni 和 Mo 等）的陶瓷，所以本文使用国际标准化组织用语“钛基硬质合金”。
传统的 K（YG）类、P（YT）类、M（YW）类硬质合金，都属于 WC 基合金。因为在它们当中，
硬质相主要是 WC，其含量达 65%～97%。而钛基硬质合金不含或少含 WC，与 WC 基合金相比，
它的密度小，硬度较高，对钢的摩擦因数较小，切削时抗粘结、抗扩散磨损的能力较强，
具有极好的耐磨性，但抗崩刃性稍差。近几年来，由于控制了烧结温度与烧结气氛，以
及晶粒细化等措施，性能大大提高。多种商业牌号的 Cermet 材料大量涌现，应用范围不
断扩大。它除可制造车、铣刀具外，还可制造钻头、铰刀以及齿轮滚刀等复杂刀具，用
其制造的齿轮滚刀的切削速度高达 560m/min（齿轮模数 1.5），工效比粉末冶金高速钢
（PM HSS）高 2 倍，用 Cermet 制造的铰刀能进行高速铰孔，切削速度可达 150m/min。钛
基硬质合金的性能介于陶瓷和 WC 基硬质合金之间，其切削速度可填补 WC 基硬质合金和
陶瓷材料之间的一段空白，可用于高速切削各类钢材，尤其适于钢材的精加工和半精加
工。据国外切削专家预测，今后在钢的切削方面，TiC 基和 Ti（C,N）基硬质合金所占比
重将达到可转位刀片总需求量 50%，并将成为铣削钢材的最佳刀具材料。
二、钛基硬质合金的类型及应用
钛基硬质合金按其组成和性能不同，常用的有以下三种类型：1) TiC 基合金；2) 添加其
它碳化物（如 WC、TaC 等）和金属（如 Co）的强韧 TiC 基合金；3) Ti（C,N）基合金。
1. TiC 基硬质合金
TiC 基硬质合金是以 TiC 为主要成份的 TiC-Ni-Mo 合金。Ni 作为粘结金属，增加其含量，
可提高合金的强度，但却会使合金的硬度降低。向 Ni 中添加 Mo（或 Mo2C），可改善液
态金属对 TiC 的湿润性，使 TiC 晶粒变细。当 Ni 含量一定时（如含 10%Ni），增加 Mo 的
含量，可提高合金的强度和硬度。Ni 和 Mo 的含量通常为 20%~30%。
由于 TiC 的熔点（达 3250℃）高于 WC（2630℃），密度只有 WC 的 1/3，抗氧化性能远优
于 WC，故 TiC 基硬质合金除具有硬度高（一般可达 91HRA~93.5HRA，高的可达
94HRA~95HRA）、耐磨性好、抗月牙洼磨损能力强等特点外，还具有较高的抗氧化、抗粘
结和耐高温等性能，在 1100~1300℃的高温下仍能进行高速切削，切削钢料时有较低的磨
损率，可用来替代目前广泛使用的 WC-Co 基硬质合金而大大降低成本（W、Co 价贵，为国
际上紧缺资源），因而近年来发展很快。国外一些性能优异的硬质合金制品，如奥地利
Metallwerk Plansee 公司生产的 WZ 系列、英国 Hard Metal Tools 公司生产的 HR 系列、日
本 Tungaloy 公司生产的 NTK 系列、美国 Kennametal 公司生产的 K 系列和美国 Firth
Sterling 公司生产的 FS 系列与我国湖南株洲硬质合金厂生产的 YN 系列都是 TiC 基硬质
合金产品。
国内目前通常使用的 TiC 基硬质合金牌号是 YN05，用其切削正火和调质状态下的钢材，
其切削性能优于 WC 基合金 P01（YT30）。由于 TiC 的屈服强度低，其值为 4GPa，仅为 WC
屈服强度的 2/3，故其韧性稍差。而 TiC 的弹性模量（321
GPa）也不到 WC 弹性模量
（710GPa）的一半，加以 TiC 是面心立方晶格，滑移系多，抗塑性变形能力低。此外，TiC
的导热性也远较 WC 为小，切削刃处的局部温度很高，容易产生塑性变形，故 TiC 基合金
主要适用于钢材的精加工和半精加工。
2. 强韧 TiC 基硬质合金
在 TiC-Ni-Mo 合金中以 WC、TaC 等韧性较好的碳化物取代部分 TiC（以弥补 TiC 性能的先
天不足），是提高硬质合金质量，扩大其使用范围的一种有效方法。加入 WC 及 TaC 可以
提高硬质合金的韧性和抗断裂性能，提高弹性模量，抗塑性变形能力，高温抗软化能力
及高温强度。此外，加入 WC 还可改善硬质合金的导热性，降低刀尖处的局部过热现象：
加入 TaC、NbC 后还可提高合金的抗热震性能，并有抑制碳化物晶粒长大的作用，使之更
适于断续切削加工。
使用表明，一般TiC基硬质合金的抗崩刃性劣于WC基硬质合金P10（YT15），比K10（YG6）
差得多；而强韧 TiC 基硬质合金的抗崩刃性远优于 P10 而赶上 K10 合金。株洲硬质合金
厂生产的强韧 TiC 基硬质合金 YN10 中加入了 15%WC 及 1%NbC，其抗弯强度为 1.1GPa，比
YN05 提高了 0.2GPa；硬度为 92HRA，接近于牌号 P01（YT30）。这种合金不但适于普通
钢的精加工和半精加工，还可用于合金钢、不锈钢、轴承钢、淬硬钢（50HRA~62HRA）、
工具钢、铸钢和合金铸铁的高速连续切削加工。与 P01 相比，可提高切削速度 30%。尤其