离心铸造细晶粒的 YG 类硬质合金如 Y

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　　各国硬质合号近似对照 制造家和商标 ISO 国际标准代号 P10 P20 P30 M10 M20 F K15 K20 K30 中国统一牌号 YT15 YT14 YG6A YT5 YW1 YW2 YG6 YG6X YG6 YG8N YG8 YG8N 中国株洲硬质合金 （钻石） YC10 CN15* YB01* YB02* YB03* YB425* YB120* YC20.1 CN25* YB01* YB02* YB03* YB435* YB425* YB120* YM051 YC30 YD15 YDS15 YD20 YS25 YD10.1 SD15 CA25* YS30 YD10.2 CA15* CN26* YS2 CN35* YW3 YW3 CA15* CN16* YB03* (YG10HT) SC30 YW4 YM20 CN16* YB03* YB435* YB01* YB03* YB03* YB03* YB435* YB3015* YB02* YB435* YB3015* YL10.1 YL10.2 YB03* YB3015* YL10.1 YL10. YB435* YL10.1 YC25 YC25 YB425* YC25 YT715 YT715 YT712 YT712 YT707 YT798 YT758 YT758 ZC01* ZC01* ZC02* ZC02* 中国自贡硬质合金 （长城） ZC03* ZC04* ZC03* ZC04* ZC05* ZC05* ZC06* ZC06* YN510* ZC07* YN510N* ZC08* YT535 ZC03* ZC04* ZC07* ZC08* ZP30 YT726 YT712 YT758 YG813 YG813 YT707 YT726 YG532 YG532 YT767 YT767 ZC01* YG643 YG643 YG813 ZC02* ZC01* ZC02* YG532 ZC03* ZC02* ZC04* ZC02* ZC04* ZC03* ZC05* ZC04* ZC06* ZC04* ZC07* ZC05* ZC08* ZC06* ZM10 ZC07* ZK20 YN510N+ ZP01+ YN520N+ YG813 YG532 ZC01* ZC02* ZC03* ZC04* ZC06* ZC08* YG640 YG546 ZC08* ZK30 中国北方工具 YD10 中国天津硬质合金工具 TTX （引进维迪亚） YD15 TTM TTM TTR YTT YTN AT15 AT15 THM THM THM THR 美国亚当斯碳化物 495 499 434 548 548 AA (Adamas) A B 370 美国通用电器卡波 350 370 370 320 860 洛依系统部(Carboloy) 美国肯纳金属 （Kennametal） KC740* KC710* KC850* KC910* K313 VC165 VC165 VC55 VC2 VC2 美国万耐特(Valenite) VC7 VC125 VC5 VC27 VC27 VC5 VC5 V99* VN5* VC55 905 K68 VC2 VC28 VN2* 883 883 44A K68 KC250* K1 VC2 VC28 VN2* VC2 VC28 VC1 VC1 VC101 VN5* V90* VN5* V90* V99* VN5* V91* V99* V91* V91* GC415* GC415* GC415* GC425* H1P H20 GC425* H1P GC425* GC435* GC3015* GC3015* CT515+ GC3015* GC435* GC015* H10 H10F 瑞典山特维克可乐 S1P GC415* GC415* GC015* GC225* GC415* GC415* GC415* 满(Sandvik,Coromant) S10T GC425* GC315* GC225* GC1025* GC315* GC315* GC015* GC435* GC1025* S30T GC435* GC435* GC225* H13A S30T GC135* H13A H13A GC1025* GC235* 瑞典山高工具(Seco) S1F S2 S4 SU41 H13 HX HX H10F HX 日本住友电气工业 (Igetalloy) 日本三菱金属 (Mitsubishi) ST10E ST10P STi10 STi10T ST20E ST30E U10E U2 STi30 STi20 UTi10 UTi20 UTi20T H1 CG11 G10E HTi10 CG10 G2 HTi20 HTi10T HTi20T G3 HTi30 TX10 TX10S TX10D N302+ X407+ 日本东芝钨业(Tungaloy) T822* T802* T823* T803* T813* TX20 UX25 N308+ X407+ T822* T802* T823* T803* T813* T553* T370* TX30 TU10 TU20 UX30 T822* UX25 N350+ T802* T823* T813* T823* T803* T553* T803* T813* T370* T260* T260* TH10 G1F T821* T801* T811* T802* T823* T803* T813* T530* T221* T370* T811* T802* T823* T803* T813* T530* T221* T370* G2 G2F T802* T823* T803* T813* T530* T221* T370* G3 T813* 德国维迪亚(Widia) TTX TK15* TN25* TTS TK15* TN25* TN35* TTS TTR TTM TK15* TN25* TN35* AT15 AT15 TK15* AT10 HK15* HK15* TN25* TN35* HK15* THM HK15* THM HK15* THR HK15* 德国瓦尔特(Walter) WP1 WP1 WP3 WK1 WK1 WK1 WK1 WHN33* WHN53* WTN43* WTN33* WTN43* 德国赫尔特(Hertel) CP1* CP3* CM2* CM3* P10 CF2* CP1* CP3* CM2* CM3* P20 CF2* CP3* CM2* CM3* CF2* CM2 CM3 KM1 CF3 CM3 CP1 CP3 CM2 KM1 CF3 CP1 CP3 CM2 CM3 KM1 CF3 常用的硬质合金以 WC 为主要成分，根据是否加入其它碳化物而分为以下几类： （ 1）钨钴类（ WC+Co）硬质合金（ YG） 它由 WC 和 Co 组成，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好，但耐热性和耐磨性较差，主要用于加工铸 铁和有色金属。细晶粒的 YG 类硬质合金（如 YG3X、 YG6X），在含钴量相同时，其硬度耐磨性比 YG3、 YG6 高，强度和韧性稍差，适用于加工硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、硬青铜等。 （ 2）钨钛钴类（ WC+TiC+Co）硬质合金（ YT） 由于 TiC 的硬度和熔点均比 WC 高，所以和 YG 相比，其硬度、耐磨性、红硬性增大，粘结温度高，抗氧 化能力强，而且在高温下会生成 TiO 2,可减少粘结。但导热性能较差，抗弯强度低，所以它适用于加工 钢材等韧性材料。 (3) 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，可用于 加工铸铁和不锈钢。 （ 4）钨钛钽钴类（ WC+TiC+TaC+Co） )硬质合金 (YW) 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。 既可以加工钢，又可加工铸铁及有色金属。因此常称为通用硬质合金（又称为硬质合金）。目前主要 用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。 硬质合金和其他硬质材料 编辑：刘钰 - 来自：青岛美华精密工具有限 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。很不巧的是（由 于错误翻译）陶瓷一词在含义上要么已经指所有带有碳化钛（TiC）基的硬金 属或者简单地 称其为渗钛碳氮化合物。尽管除了碳之外再没有其他任何一种单一的元素出现在所有的硬金 属中，但真正的术语却是“碳化钨”。早期效果较好的品质 都是基于碳基础之上，而且在今 天也是也是应用广泛的，如表 1 所示。 由于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。从纯碳化钨中制造切削刀具的现代制造方法是基于这项知识之上的。 早期的硬质 合金在用于工业用途时过于脆弱，但是不久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。 用于切削刀具的硬质合金是在 1927 年被引入商业领域的，尽管重大的发现是在德国， 许多后期的开发却是在美国、奥地利、瑞典和其他国家进行的。近年来在硬 质合金切削工具 中出现了两次“革命”，一次由美国领导，另一次由欧洲领导。它们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。 铜焊接的工具具有这样的优势：它们可以不断地进行重新研磨，直到基本没有硬质合 金为止，但是在研磨之后为确保加工精度必须重新对其进行设置。然而，所有的 铜焊接的工 具都具有某种程度的铜焊过程剩余的应力，在技术不娴熟手法或者设计不好的工件加工中甚 至在使用之前就已经损坏了硬质合金。在现在的情况下，使用 可定位的镶嵌刀头非常便宜， 这都是一些尺寸的刀头，固定在相似的、的夹具中，根本不用耗时费力地安装及重 新设置，但是只能在每个切削刃或角保持原 始锐度(参见 727-735 和 1219-1222 页)之前使用。 不具有铜焊接应力以及“一次性使用”的概念也意味着可以使用更硬、使用时间更长的等级。 当可定位的刀头首次被引入时，人们发现在丢弃这些刀头之前硬质合金只是被磨掉了 很少一点点，因此当时有些小的工开始开发所谓的“废弃”刀头并销售，这些 刀头通过改 装的刀具固定器进行再利用。随着可定位镶嵌刀头的引入，硬金属的消耗迅速上升、平稳直 至下降。这种情况通过硬质合金、氮化物和氧化物涂敷的出现 和被接受而改变。更硬、更耐 磨表面的应用到更坚韧、更抗振基质使得新一代寿命更长镶嵌刀头产品得以产生了。重新研 磨破坏了涂层的增强性质，因此为涂敷刀具 所禁止。 表 1 基于碳化钨切削刀具硬金属的典型性质 硬质合金刀具材料 一 种补充性的开发是复合体断屑器，这是从计算机辅助设计中衍生出来的，经过压锻和 烧结至的形状和尺寸。另外的一个进步是高温真空固态渗粘法 （HIP）的应用，这种工 艺使得先前不够经济的硬金属进入应用阶段。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水平 的很小一部分。 另外一些研究还生产出大量基于碳氮化钛基础上的优良的切削刀具材料。一般地都称 之为“金属陶瓷”，如同前面所提到的，基于碳氮化合物基础上的镶入式截坯刀提供了优良 的性能和非常广阔的应用前景。 成分和结构：硬金属的性质受到微观结构的深刻影响。反过来微观结构又依赖于许多 因素包括碳化物基本的化学组成和基质相；尺寸、形状和碳化物颗粒的分布；碳 化物和基质 相的相对的比例；碳化物的互溶性程度；碳的过量或不足；由于扩散和离析所造成的成分和 结构的变化；通常的生产方法，但尤其是铣削、渗碳和烧结法 和原材料的类型；烧结后的处 理，比如高温真空固态渗粘法；和初次烧结后所应用的涂敷或扩散层。 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。初打算用于拔丝模，这个成分类型仍然被视为对简单磨损具有极好的抵抗力， 因此也广泛应用于切削加工之中。 对于从装填密度而获得的硬度，碳化钨细粒应尽可能的小，低于 1μ m （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， 只要保证烧结中存在含量的钴（2%即可，尽管实际的含量是 3%）即可。总之，随着 碳化物细粒或钴的含量或者两者的增加--通常是一 致的--会获得更硬或者较软的等级。不能 见到气孔，甚至在的光学放大下也不应看到。 切削刀具所用 WC/Co 的成分范围大约是 2%-13%的钴，而且其细粒尺寸从小于 0.5 到 大于 5μ m（0.00002-0.0002 英寸）。对于冲压工 具，冷锻模和其他适用于中等或严重振动 零部件的制品应用，钴的成分可高达 30%，而且细粒尺寸可达 10μ m（0.0004 英寸）。 近年来发现将亚微米 （小于 0.00004 英寸）碳化物细粒和相对较高的钴成分组合起来的“微 细粒”碳化物增加了在低速加工和高速率加工下的使用。 对于的性质，气孔率应为小值，碳化物细粒尺寸应尽可能的规则，且碳化钨相 中碳的含量接近于理论值（化学计量的）。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 的含量保持在水平，只有提供了足够的 TiC 才可以避免严重的麻坑磨损。既使 2%或 3% 的碳化钛都具有明显的影响，随着相对成分的大量增加，麻坑趋势变得更为严重。 在极限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，尽管这种缺陷对于 废弃的镶嵌件不是一个问题。 一般情况下 WC/TiC/Co 百分度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也已经减少了高速加 工钢和铁合金对高 TiC 百分度的吸引力。 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 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工作量好，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。然 而，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。 碳化钛/钼/镍（TiC/Mo/Ni）：碳化钛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，成了废弃镶 嵌件。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。 大约在 1960 年当镍钼取代镍被用作胶粘剂时碳化钛基的等级再次进入了突出地位。 新的等级可以执行系列范围较宽的任务，包括间歇切割和振动工作条件下的切割。 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。 钛基碳氮化合物：钛-碳氮化合物基切割工具材料在更传统硬金属上的应用早于这种 涂敷应用多年。如果只是出于偶然，在 19 世纪 50 年代当裂化氨被用来替代氢 作为廉价的替 代物应用于生产过程的某些阶段时，或许早于 20 年的时间，可观的尽管不受数量控制的碳氮 化合物会经常出现。 也就是近年来，这种类型材料更大的科技进步在美国，尤其是在日本的几家被 Teledyne Firth Sterling 和他的 SD3 等级所替代。现在所应用的成分非常复杂，但它们的 结构--甚至表面上看似相似的成分--其差别却非常大。例如，三菱将它们的 Himet NX 金属 陶瓷特性化为 TiC/WC/Ta(Nb)C/Mo2C/TiN/Ni/Co/Al，在一种包含铝轴承金属间化合物超耐热 合金类型矩阵中，其结构由大型 和中型尺寸的碳化物颗粒（根据报出的密度，主要是 TiC） 组成。 钢和合金化合的碳化钛：材料等级以 Ferro-Tic 为例证，如同大所知的，主要是由碳 化钛与可以热处理的钢胶粘而组成，但是某些等级也包含碳化钨或与镍 或铜基合金胶粘在一 起。这些胶结碳化物与更常见的硬金属相比以高含量的胶粘剂含量、较低的硬度以及从热处 理过程中获得的巨大性质变化（从容量上看典型的含 量是 50-60%）而特性化。 在已退火的情况下，钢进硬质合金具有相对较软的矩阵并且具有较小的加工难度，尤 其通过 CBN（立方氮化硼）刀具。在热处理后，尽管比传统的烧结碳化物要软 一些，但实现 的硬度和耐磨度比正常的工具钢更硬。微观结构发生了非常大的变化，在体积上由 40-50%的 TiC 和合适的合金成分矩阵及热处理阶段组成。应 用包括：冲模、冲切模和拉丝模、机器部 件和在淬火前进行加工的能力可以大幅度降低生产成本的相似部件。 涂层：作为碳化物生产的后一道工序，不同类型的涂层主要应用于切割工具，对于 切削钢而言，与镶嵌件相比较更有利于提供更高的表面特征级别和间隙。碳化 钛、氮化物或 碳-氮化合物涂层；或氧化铝；以及其他耐熔的化合物可以通过化学的或物理气相淀积（CVD 或 PVD）或通过新的等离子法用于系列硬金属基质。 类型的涂层包括：铪、钽和碳化锆及氮化物；氧化铝/氧化钛；和多元碳化物/ 碳氮化合物/氮化物/]氧化物，氮氧化合物或含氧的氰化物组合。大大提高的 性质已经形成 了 13 种性质不同的 CVD 涂层。与其它 CVD 涂敷的硬金属相比可以得到明显地更锋利的切削刃， 允许更精细的切削以及对软但是磨损性的合金进行 加工。 涂敷碳化物上锋利的刀刃是通过物理汽相淀积技术实现的。在这个工艺过程中， 离子按照方向沉积在电极上，而不是均匀地沉积在各个表面上，因此就形成了切削刃的锋利 程度，而且或许还会提高。PVD 涂层硬金属已经进入商业化生产好几年了，尤其对于精密铣 削镶嵌件。 近来在极硬涂层中的发展，一般涉及外来技术，包括碳化硼，立方氮化硼和纯金刚石。 在抗磨性中几乎是终极了，目前稀等离子生成的金刚石表面商业应用主要应用于半导体生产 之中，对此其他特殊的性质也非常重要。 对于切削工具基质在很多方面具有与涂层一样的重要性，它的关键性质包括结构硬度 （裂纹扩展抵抗力）、弹性模数、耐热和耐磨损以及膨胀系数。有些制造商正在生产具有等 级成分的镶嵌件，因此其表面和内部正在进行结构和性质优化，而涂层也更不易破裂或崩落 了。 工序说明：与其他标准化的金属相比，烧结硬金属世界更特殊。例如，一位想查找一 个钢零部件精加工碳化物等级的工程师可能被告知使用 ISO 标准等级 P10 或 工业代码 C7。 如果再查询指定的刀具材料成分和公称的性质，令人吃惊的答案是，在基本的成分这一项中，离心铸造 P10（或者现在替代 C7）的碳化钨成分的变化可以 从 0-75%，碳化钛从 8-80%，钴从 0-10%， 镍从 0-15%另外还有其他可能的组成成分，在这个所谓的标准合金中，而且许多基本的性质 可以和成分 一样变化。所有这些不同的材料有一个共性，离心铸造而且所有所谓的标准意味着，它们 的供应者--有时它们的供应者自身--认为它们适合于一个具体的和不定的加工应 用（对于 P10 和 C7 是钢精加工的内容）。 出现这种特殊的情况是因为在第二次世界大战中被占领欧洲所生产的硬质合金由德 国 Hartmetallzentrale 所控制，除了 Krupp 以外没有任何 一家可以生产一种等级以上 的硬质合金。在二战末期，所有被德国控制的生产商被整装并按照 G、S、H 和 F 系列德国标 准进行生产。在战后的年份中，这个系 列的碳化物形成了非正式的欧洲标准。随着新多元碳 化物的出现，先前对等级的识别逐渐消失。对于与老等级相关的应用保留了下来，然后逐渐 被作为新的德国 DIN 标准所采用，由国际标准组织（ISO）和在美国的 ANSI 作了些许修改。 美国硬质合金工业是在多种所有和一致竞争的情况下发展起来的。主要 的积极地并独立 地开发系列的硬金属，有一点或者根本没有标准化，尽管有人也多次尝试采用相等数据作为 真正标准化的替代物。大约在 1942 年，GMC 的 Buick 分部制定了一个简单的分类标准，将从 10 家制造商得来的近 100 个等级的产品规为 14 个符号下（TC1-TC14）。尽管仍有严重的缺 陷，这个 系统作为美国行业标准持续使用了多年，也就是说，Buick TC-1 是等价于行业标 准 C1 的。Buick 自己走得更远，它采用母巨大的影响力和研究设施以及购买潜力将每家 制造商的硬质合金产品根据可以测试的属 性，而不是根据直接推荐的应用进行了标准化。许 多大规模的硬质合金用户也开发了相似的系统试图执行某种程度的内部标准化和质量控制。 然而小规模和中等规模 的用户仍然遭受到所谓标准的折磨，这一标准只提供了一个等级选择 的起点。 在表 2 中对 ISO 标准 531 进行了总结，将所有的加工等级分成了 3 个彩色编码组；用 于灰铸铁切削、有色金属和非金属切割的纯净碳化物等级（字母 K，红 色）；用于机械加工 钢的高合金等级（字母 P，蓝色）；和低合金等级（字母 M，黄色，一般比相应的 P 系列少 TiC），这都是多种用途的或许还可以用于钢、镍 基超级合金、韧性铸铁等等。在一个组内 的每一个级别还给出了一个编号用来代表它在硬度到韧度（抗震性）范围内的位置。 对于等级的典型应用也或多或 少地以正常的数值区间进行了描述。尽管在准 ISO 标准时很 少存在涂敷等级，根据这个系统也非常容易区分涂敷或未涂敷的硬质合金--或碳氮化合物、离心铸造 陶瓷以 及超硬材料。
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