摘要：本文研究了目前现有的多种硬质合金材料，阐述了其元素组成，性质和应用方向。首先介绍了几种常见的硬质合金，其次介绍了几种新型的硬质合金。

关键词：硬质合金,刀具材料

0引言

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具,无论是普通机床,还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC),都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。

硬质合金作为刀具材料中重要的一部分，在现代切削加工中起着不可替代的作用。硬质合金是高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)的微米数量级粉末，用Co、Mo、Ni等作黏结剂烧结而成的粉末冶金制品，其中高温碳化物含量超过高速钢，允许的切削温度高达800～1000℃，常温硬度达HRC～93，760℃时硬度达HRC77～85，切削速度可达100～300m/min，远远超过高速钢，寿命是高速钢的几倍到几十倍，但强度和韧性仅为高速钢的1/30～1/8，承受震动和冲击能力差。现在已成为主要的刀具材料之一。

1刀具用硬质合金的分类

国际标准化组织(ISO)将刀具用硬质合金分为六类:

1.1P类

由WC、Co和5%～30%的TiC组成，也称钨钛钴类硬质合金，牌号YT5、YT14、YT15、YT30，其中TiC的含量分别为5%、14%、15%、30%，相应的Co含量为10%、8%、6%、4%，硬度HRA91.5～92.5，抗弯强度为900～1400MPa。TiC含量提高，Co含量降低，硬度和耐磨性提高，但是冲击韧性显著降低。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗黏结扩散能力和抗氧化能力好;但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差。适于高速切削钢料。合金Co含量越高，抗弯强度和冲击韧性越好，适于粗加工。Co含量减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。合金中的Ti元素和工件中的Ti元素间亲合力会产生严重的黏刀现象，在高温切削及摩擦因数大的情况下会加剧刀具磨损，不适于加工不锈钢和钛合金。

1.2K类

由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金，常用牌号YG6、YG8、YG3X、YG6X，含Co量分别为6%、8%、3%、6%。硬度HRA～91.5，抗弯强度1100～1500GPa。组织结构有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般(如YG6、YG8)为中晶粒组织，细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)含Co量相同时比中晶粒的硬度、耐磨性略高些，抗弯强度、韧性略低。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，适于加工脆性材料，如铸铁、有色金属及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高(如端铣)的钢料等。

1.3M类

在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC(或NbC)组成，在YT类中加入TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、强度和抗氧化能力、耐磨性等。常用的牌号YW1和YW2。可以用来加工铸铁、有色金属和钢料，还可以加工高温合金、不锈钢等难加工材料，有通用型硬质合金之称。

1.4H类

主要用于切削高硬材料，如淬硬钢、冷硬铸铁等。立方氮化硼PCBN被列入了H类。

1.5S类

用于切削耐热材料、高温合金等。

1.6N类

用于切削有色金属。聚晶金刚石PCD被列入了N类。

2新型硬质合金

2.1细晶粒和超细晶粒硬质合金

硬质合金的晶粒细化后，使硬质碳化物相尺寸变小，黏结相更均匀地分布在硬质相周围，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性。但抗弯强度有所降低;适当增加黏结剂钴含量后，可提高抗弯强度。晶粒尺寸:普通牌号的刀具用合金YT15、YG6等均为中晶粒，平均晶粒尺寸为2～3μm;细晶粒合金的平均晶粒尺寸为1.5～2μm，微米晶粒硬质合金的为1.0～1.3μm;亚微晶粒硬质合金的为0.6～0.9μm;超细微晶硬质合金的为0.4～0.5μm;纳米系列微晶硬质合金的为0.1～0.3μm;我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。

2.2TiC基硬质合金

以TiC为主体，占60%～80%以上，以Ni～Mo作黏结剂，并添加少量其他碳化物的合金，不含或少含WC。与WC基合金相比，TiC在碳化物中硬度最高，故合金硬度高达HRA90～94，有较高的耐磨性、抗月牙洼磨损能力，耐热性、抗氧化能力以及化学稳定性好，与工件材料的亲合性小、磨擦因数小、抗黏结能力强，刀具耐用度比WC提高好几倍，可加工钢与铸铁。牌号YN10与YT30相比较，硬度较接近，焊接性及刃磨性均较好，基本上可代替YT30使用。但抗弯强度还赶不上WC，主要用于精加工及半精加工。由于其抗塑性变形、抗崩刃性差，不适用于重切削及断续切削。

2.3添加稀土元素的硬质合金

稀土硬质合金是在各种硬质合金刀具材料中，添加了少量的稀土元素(化学元素周期表中原子序数为57—71(从La到Lu)，再加上21和39(Sc和Y)的元素，共17个元素)，稀土元素存在于(W，Ti)C或(W，Ti，Ta，Nb)C固溶体中，能强化硬质相，抑制WC晶粒的不均匀长大而更均匀，晶粒尺寸也有所减小。少量稀土元素还固溶在黏结相Co中，使黏结相得到强化，组织更加致密。稀土元素富集在WC/Co的相界面处及(W，Ti)C、(W，Ti)C等相界面间，常与杂质S、O等化合形成RE2O2S等化合物，改善了界面上洁净状况并提高了硬质相与黏结相的润湿性。由此，稀土硬质合金的冲击韧性、抗弯强度及工作时的抗冲击能力明显得到提高。其室温和高温硬度、耐磨性及刀具表面上抗扩散和抗氧化的能力亦有一定提高。在切削时，稀土硬质合金刀片表层的富钴现象，能有效降低切屑、工件与刀具间的摩擦因数，降低切削力。因此，有效地改善了其机械性能与切削性能。我国稀土元素资源丰富，对稀土硬质合金的研究开发，领先于其他国家。P、M、K类合金都已研制出添加稀土的牌号。

2.4表面涂层硬质合金

由于硬质合金的硬度和耐磨性较好，韧性较差，通过化学气相沉积(CVD)等方法，在硬质合金表面上涂覆一层(5～12μm)硬度好、耐磨性很高的物质(TiC、TiN、Al2O3)，形成涂层硬质合金，使其既有高硬度和高耐磨性的表面，又有强韧的基体;故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力和切削温度，提高已加工表面质量，能在同样的切削速度下大幅提高刀具耐用度。近20年来，涂层硬质合金刀具有了很大发展，在工业先进国家已在可转位刀具中占50%～60%以上。涂层刀片最适用于连续车削，用于各种碳素结构钢、合金结构钢(包括正火和调质状态)、易切钢、工具钢、马氏体不锈钢和灰铸铁的精加工、半精加工以及较轻负荷的粗加工。

2.5梯度硬质合金

硬质合金在某些场合，除要求具有非常高的表面硬度和耐磨性外，还需要具有很好的冲击韧性。普通硬质合金的硬度与强度、韧性与耐磨性间互相约束，二者不能兼得。功能梯度材料解决了硬质合金存在的上述问题，这类合金在组织结构上呈现出Co的梯度分布，即合金的最外层为低于合金名义Co含量的贫钴层，中间层为高于合金名义Co含量的富钴层，芯部为WC-Co-η三相显微组织。由于表层WC含量较高，具有高的硬度和良好的耐磨性;而中间层的Co含量较高，具有很好的韧性。因此其使用寿命为同类传统硬质合金的3～5倍，各层成分可根据需要加以调节。

3结论

本文通过对硬质合金的归类和细化，我们可以看到新型的硬质合金刀具已经针对传统刀具进行了很大改进，一方面是采用细颗粒和超细颗粒材料的硬质合金，具有硬度与强度完美结合。另外，加压烧结等新工艺使硬质合金的内在质量得以进一步提高。另一方面是优质整体硬质合金刀具开发的通用刀具，使切削速度、切削效率和刀具寿命比高速钢提高几倍。这些新型刀具的产生，将会很大程度上填补硬质合金的缺陷。硬质合金刀具材料的发展，使其从在其独特应用领域里的性能拓展，发展到与现代刀具材料技术中材料优势互补、材料间有所取代补充。让它应用于更高更广的切削加工领域。

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