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1、第四章 硬质材料,第一节 硬质合金第二节 硬质合金涂层,硬质材料包括硬质合金，并包括组成硬质合金的碳化钨粉、碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳化钛这些硬质粉末，以及金刚石（C） ， PcD （多晶钻）, cBN （立方氮化硼）, 和 Si3N4氮化硅。 PcD（多晶钻）是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之后，在高温高压环境下沉积为相干结构的人造材料。 cBN（立方氮化硼）是来自PcBN的多晶体。 PcBN是一种由cBN微粒和陶瓷或金属触媒粘合剂在高温高压下沉积而成的聚合体。 Si3N4氮化硅是一种具有高抗碎性能的陶瓷材料。,硬质合金和碳-氮化合物-尽管高速钢对于如钻孔、拉削这样的应用仍然非常重要，但
2、大多数的金属切削都是通过硬质合金工具完成的。对于那些非常难于加工的材料，硬质合金现在正逐渐由碳氮化合物、陶瓷制品和超硬材料所替代。渗碳的（或烧结的）硬质合金和碳氮化合物，被世界上大多数一致认为是硬金属，是一系列通过粉末冶金技术制成的非常硬的、耐火、耐磨的合金。微小的硬质合金或者氮化物颗粒在处于烧结温度液体时被金属粘结剂“胶结”。个体硬金属的成分和属性与那些黄铜和高速钢是不同的。所有的硬金属都是金属陶瓷，是由陶瓷颗粒和金属粘结剂化合而成。,第一节 硬质合金,“碳化钨”是非常硬的硬质合金颗粒，特别是碳化钨在富铁基质的出现使得高速钢具有优异的加工能力。早期的硬质合金在用于工业用途时过于脆弱，但是不久
3、发现将碳化钨粉末与大约10%的金属，如铁、镍或钴，允许压坯在大约1500下烧结，在这个过程中生成的产品具有低孔隙率、非常高的硬度，而且相当大的强度。这些性质的组合使得材料理想的适合用来作为切削金属的加工刀具。硬质合金的变化是由铜焊接硬质合金嵌入变成夹具嵌入，以及涂敷技术的迅速发展。,硬质合金刀具材料的制法： 一种是经过压锻和烧结至精确的形状和尺寸。 另外的一个进步是高温真空固态渗粘法（HIP）的应用。此方法实际上允许通过高压下的惰性气体将硬质合金中所有的残余孔隙度都挤出来，应用的温度大约是烧结温度。通过此方法刚度、抗裂强度和抗震性能可以提高两倍或者以三倍，而且非常大的烧结部件的废品率减少至先前
4、水平的很小一部分。,硬质合金的硬度取决于硬化相含量和晶粒粒度，即硬化相含量越高、晶粒越细，则硬度也越大。硬质合金的韧性由粘结金属决定，粘结金属含量越高，抗弯强度越大。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500的温度下也基本保持不变，在1000时仍有很高的硬度。,硬质合金的种类,碳化钨/钴（WC/Co）： 首先进行商业应用的烧结硬质合金是由碳化钨高角颗粒与金属钴粘结而成。 对于从装填密度而获得的最大硬度，碳化钨细粒应尽可能的小，最好低于1m（0.00004英寸）而且对于特殊用途要相当小。随着钴含量的降低其硬度和耐磨损性能增高，只
5、要保证烧结中存在最低含量的钴（2%即可，尽管实际的最低含量是3%）即可。总之，随着碳化物细粒或钴的含量或者两者的增加，会获得更硬或者较软的等级。 许多碳化钨/钴成分是通过少量但非常重要的添加剂进行调整的-从0.5到大约3%的钽、铌、铬、钒、钛、铪，或其他的碳化物。这些添加剂基本的用途一般是抑制细粒成长，因此可以保持始终如一的精细结构。,钨钛碳化物/钴（WC/TiC/Co）：,这些百分度用来作为刀具切削钢材和其他铁基合金，TiC成分的作用是抵制由化学分解和形成麻坑所产生高温的扩散性冲击。碳化钨扩散到刀片的表面，但是碳化钛对这种扩散极具抵抗力。TiC中固溶体或“固溶晶体”的WC保持着防止形成麻坑性
6、质到很大的程度。 可惜得是，碳化钛和TiC基固溶体非常脆而且不如碳化钨耐磨。因此尽可能地将TiC的含量保持在最低水平。 在极限配方中碳化物是不含钨的并且完全是基于TiC基础之上的，但一般的TiC成分不能超过18%。如果超过这个数值，碳化物变得过脆并且非常难于铜焊。 一般情况下 WC/TiC/Co的成分具有两种显著的碳化物相，几乎纯净的WC角晶体和磨圆的TiC/Co 混合晶体。在发展的制造业中尽管WC/TiC/Co硬金属应用非常广泛，在某些重要的考虑中是禁止使用的，它们在许多应用中被具有更高强度以及抗麻坑优势的WC/TiC/Ta(Nb)C/C9系列所替代。TiC， TiN以及其他在硬基质上的涂敷
7、也已经减少了高速加工钢和铁合金对高TiC成分的吸引力。,碳化钨-钛-钽（-铌）/钴：,除了涂敷碳化物之外，钨-钛-钽（-铌）等级可能是最常见的硬金属级别了。主要应用于切削钢，它们组合并改进了长久以来形成的WC/TiC/Co成分大多数的特性。这些碳化物直接可以与碳-氮化合物及碳化硅陶瓷相媲美，并且这个级别最好的硬质合金可以完成所有类型钢的高速切削重任，这包括奥氏体不锈钢系列。这些工具在韧性铸铁和镍基的超耐热合金作业中也能工作得好，在这些切削过程中，在切削刃处可以产生大量的热合很高的压力。但是，它们不具有微细粒纯净碳化钨等级抗磨损，或者涂胶等级麻坑好的抵抗能力，以及碳化钛基金属陶瓷所具有的性质。,
8、碳化钛/钼/镍（TiC/Mo/Ni）：,碳化钛极端的压入硬度和抗麻坑与它主要的原材料（二氧化钛，TiO2）的廉价和可用性结合起来，基于这一种碳化物就提供了很强的使用品质诱因。尽管是在早期硬金属历史中开发出来的，由于这些碳化物很难进行令人满意的铜焊因此直至夹具出现之前很少得到应用。更甚的是，此种碳化物的脆性臭名昭著，只能用于振动极小的精细切削条件下。记录的极高的碳化钛等级压入硬度值并不同时具有相应级别的抗磨损能力，大家认为明显缺乏硬度的碳化钨在此方面的性能超过碳化钛。而且，碳氮化合物、高级的含钽多元碳化物和涂敷的变体形式一般都能提供更好的全面切割性能。,其它刀具材料：钢结硬质合金： 钢结硬质合金
9、简称钢结合金，是一种新型工模具材料,它以碳化钨或碳化钛为硬质相，以钢为粘结相（其体积分数一般在以上），针对不同的使用要求，可选用不同的钢种为基体，包括铬钼工具钢、高速钢、不锈钢和高锰钢。钢结硬质合金硬度既具有象硬质合金的高硬度、高强度、高耐磨性，又具有工具钢的可机械加工、热处理、锻造和焊接等特点，是介于硬质合金与工具钢之间的工具材料，适用于工具钢由于耐磨性不够，而硬质合金由于韧性不够和难加工成型而受到限制的场合。,陶瓷： 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的1020倍，其红硬性比硬质合金高26倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均
10、优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达9395HRC，为提高韧性，常添加少量Co、Ni等金属。氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为Si3N4+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。氮化硅氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可达1800HV，抗弯强度可达1.20GPa，最适合切削
11、高温合金和铸铁。,金属陶瓷 金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度大于陶瓷材料，小于硬质合金；化学稳定性和抗氧化性好，耐剥离磨损，耐氧化和扩散，具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。 金属陶瓷刀具的切削效率和工作寿命高于硬质合金、涂层硬质合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；由于金属陶瓷与钢的粘结性较低，因此用金属陶瓷刀具取代涂层硬质合金刀具加工钢制工件时，切屑形成较稳定，在自动化加工中不易发生长切屑缠绕现象，零件棱边基本无毛刺。金属陶瓷的缺点是抗热震性较差，易碎裂，因此使用
12、范围有限。,超硬材料： 人造金刚石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料统称为超硬材料。金刚石是世界上已知的最硬物质，并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性能，可用于铝、铜等有色金属及其合金的精密加工，特别适合加工非金属硬脆材料。1955年，美国GE公司采用高温高压法成功合成了人造金刚石，1966年又研制出人造聚晶金刚石复合片(PCD)，自此人造金刚石作为一类新型刀具材料得到迅速发展。但由于金刚石中的碳在高温下易与铁元素作用而迅速溶解，因此金刚石刀具不适合加工铁基合金，从而大大限制了金刚石在金属切削加工中的应用。 立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。
13、虽然CBN的硬度低于金刚石，但其氧化温度高达1360，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此，虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备，但仍是适合钢类材料切削、具有高耐磨性的优良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能，因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。如采用CBN可转位刀片干式精车淬硬齿轮，每个齿轮的加工成本可降低60%；采用配装球形CBN刀片的立铣刀精铣大型硬质磨具，磨削时间可比传统工艺减少80%。CBN材料的不足之处是韧性较差的问题尚待解决。,多晶钻（PcD ） ： PcD是一种使用金刚石微粒和化学粘合剂混合之后，在高温高压环境下沉积为相干结构的人造材
14、料。它被用于加工不含铁的材料，如铝和铝合金、碳化钨、陶瓷、石材、塑料、光纤玻璃和木制材料。立方氮化硼（cBN）： cBN是来自PcBN的多晶体，主要用于加工高温及具有氧化环境的含铁材料。 PcBN是一种由cBN微粒和陶瓷或金属触媒粘合剂在高温高压下沉积而成的聚合体。 氮化硅（Si3N4）： Si3N4是一种具有高抗碎性能的陶瓷材料。因其具有的硬度、热稳定性和抗磨损性能同样被用于刀具材料。该材料特别被用于高速加工铸铁，在加工钢材的应用中，它通常都以化学气相沉积方法（CVD）镀上氮化钛镀层，以增强抗化学腐蚀性。Si3N4 还被用于如高档滑雪板轴承和燃气设备点火装置的应用中。,第二节 硬质合金涂层,
15、涂层硬质合金 在韧性较好的硬质合金基体上，通过CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、HVOF等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性，特别适合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品种的柔性自动化加工时可有效减少换刀次数，提高加工效率；涂层硬质合金刀具抗月牙洼磨损能力强，刀具刃形和槽形稳定，断屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工过程的自动控制；涂层硬质合金刀具的基体经过钝化、精化处理后尺寸精度较高，可满足自动化加工对换刀定位精度的要求。上述特点决定了涂层硬质合金刀具特别适
16、用于FMS、CIMS(计算机集成制造系统)等自动化加工设备。但是，采用涂层方法仍未能根本解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。,碳化钛涂层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高2550。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。,随着基体材料性能的改进和提高，刀具涂层技术取得了更为迅猛的发展，中温化学涂层、柱状a-Al2O3化学涂层、高性能物理涂层、新型原子涂层、纳米结构涂层、黄色三氧化二铝化学涂层、白色锆涂层、高铝含量TiAlN涂层、TiSiN涂层、CrSiN涂层、AlCrSiN涂层、TiBON涂层等大量新型涂层呈现多样化和系列化的趋势，使硬质合金材料新牌号层出不穷，大大提高了硬质合金刀具的切削加工性能。,
