硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物(主要是WC、TiC等，又称高温碳化物)微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘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，允许切削温度高达800—1000℃。切削中碳钢时，切削速度可达1.67—3.34m／s(100—200m／min)以上。
硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、浅孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。由于硬质合金的工艺性较差，它用于复杂刀具尚受到很大限制。目前，硬质合金占刀具材料总使用量的30％—40％。
一、高温碳化物
硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能数量、粒度和粘结剂的份量。
1．碳化物的种类和性能
表2—4所 列为几种碳化物的性能。由表可见，这几种碳化物的硬度和熔点都很高。TiC的硬度和熔点高于WC、TiN，但弹性模量却小于WC、TiN。WC的密度远大 于TiC、TiN，导热系数亦较大。在硬质合金中碳化物所占的比例大，则硬度高；反之，碳化物减少，粘结剂增多，则硬度低，但抗弯强度提高。
2．碳化物粒度
碳化物的粒度越细，则有利于提高硬质合金的硬度与耐磨性。但当粘结剂含量一定时，如碳化物粒度减小，则碳化物颗粒的总表面积加大，使粘结层厚度减薄[61]，从而降低了合金的抗弯强度，提高了合金的硬度。反之，则使合金的抗弯强度提高，硬度降低。欲使细晶粒硬质合金具有较高的抗弯强度，就必须增加粘结剂含量，并在制造工艺上加以控制。
碳化物粒度的均匀性，也影响硬质合金的性能。粒度均匀的碳化物可形成均匀的粘结层，有利于防止由于热应力和机械冲击而产生裂纹。在合金中添加TaC能使碳化物粒度均匀和细化。
二、硬质合金的种类和牌号
目前绝大部分硬质合金是以WC为基体，并分为WC—Co、WC—TiC—Co、WC—TaC (NbC)—Co以及WC—TiC—TaC(NbC)—Co等四类。表2—5列 出了国内常用各类合金的牌号、成分和性能。YT类合金，IS0(国际标准化组织)称为P类，主要用于加工长切屑的黑色金属；YG类合金，ISO称为K类， 主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料；YW类合金，ISO称为M类，可覆盖P类、K类合金的应用范围。
三、硬质合金的性能
1.硬度
碳化物WC、TiC等的硬度很高，所以合金整体也就具有高硬度，一般在HRA89-93 之间。如前节所述，硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量和粒度而变化，又随粘结剂含量的增多而降低。在粘结剂含量相同时，WC—TiC—Co合金的硬度高于WC—Co合金。
硬质合金的硬度又随着温度升高而降低。在700—800℃时，部分合金保持着相当于高速钢在常温时的硬度，另一部分合金则低些。合金的高温硬度仍取决于碳化物在高温下的硬度，故WC—TiC—Co合金的高温硬度比WC—Co合金高些。添加TaC(或NbC)能提高高温硬度。
2.抗弯强度和韧性
常用牌号硬质合金的抗弯强度在0．90—1.50GPa(90—150kgf／mm2)范围内。粘结剂含量越高，则抗弯强度也就越高。当粘结剂含量相同时，WC—TiC—Co合金的抗弯强度总是低于WC—Co合金，并随着TiC含量的增加而下降。
硬 质合金是跪性材料,常温下其冲击韧性仅为高速钢的1／8—1／30。韧性不足是硬质合金的弱点。故硬质合金刀具一般是将合金刀片焊接或夹固在刀柄(刀体) 上使用，有的小模数齿轮滚刀或小的硬质合金钻头和立铣刀等才做成整体的。和坑弯强度的情况一样，WC—TiC—Co类的韧性低于WC—Co类。
3.导热系数
由于TiC的导热系数低于WC,所以WC—TiC—Co合金导热系数比WC—Co合金 低，并随TiC含量增加而下降，从表2—5中可见，YG6的导热系数比YTl5大一倍多。
4．线膨胀系数
总的说来，硬质合金的线膨胀系数比高速钢小得多。WC—TiC—Co合金的线膨胀系数大于WC—Co合金，且随TiC含量增加而加大。
由于WC—Co合金的线膨胀系数比WC—TiC—Co合金小，而且WC—Co合金抗弯强度较高，导热系数较大，所以焊接时产生裂纹的倾向比WC—TiC—Co合金小
5．抗冷焊性
硬质合金与钢发生冷焊的温度高于高速钢，WC—TiC—Co合金与钢发生冷焊的温度高于WC—Co合金。
四、硬质合金的选用
正确选用适当牌号的硬质合金对于发挥其效能具有重要意义(表2-6)。WC—Co硬质合金一般用于加工铸铁、有色金属及其合金，WC—TiC—Co硬质合金则用于高速切削钢料。
切削铸铁及其他脆胜材料时，由于形成崩碎切屑，切削力集中在切削刃近旁的很小面积上，局部压力很大，并具有一定的冲击性，所以宜选用抗弯强度和韧性较好的WC—Co合金。另一方面，WC—Co合金虽然抗弯强度较高，但试验证明，这类合金与钢料摩擦时，其抗月牙洼磨损的能力较WC—TiC—Co合金差，因此不宜用于高速切削普通钢料。
然而对于高温合金、不锈钢等难加工材料；又有不同情况。这类工件材料中含钛，导热系数低，容易发生冷焊，切削力大，切削温度高，因而要求刀具中不含(或少含)钛，并有较好的导热性，以便减轻冷焊并降低切削温度。这就说明对于上述难加工材料选用WC—Co合 金并采用较低的切削速度较为合适。
显然，精加工时宜选用含钴少、硬度高的合金；粗加工或有冲击载荷时，宜选用含钴多、 抗弯强度大的合金。
五、新型硬质合金
在WC—Co合金中添加少量TaC(或NbC)可显著提高常温硬度、高温强度、高温硬度和耐磨性，而抗弯强度则略有降低。但总的来说，添加少量TaC(或NbC)的结果是利多弊少，使WC—Co合金的性能获得改善。表2—5中的YG6A就是—种合金。
在TiC含量小于10％的WC—TiC—Co合金中，添加少量TaC(或NbC)，可以获得较好的综合性能，既可加工铸铁、有色金属，又可加工碳素钢、合金钢，也适合于加工高温合金、不锈钢等难加工材料，从而有“通用合金”之称。表2—5中 的：YW1、YW2就是这种合金。在YW类合金中，进一步提高TaC(达10—14％)与钴(达10％)的含量，则形成铣削专用牌号的硬质合金，抗弯强度 高，并能有效地提高抗机械冲击与抗热裂的性能。还有TiC 含量高(＞15％)并添加了钽、铌的硬质合金，多用于高强度钢的切削。目前，添加钽、铌的硬质合金应用日益广泛，而没有钽、铌的YG、YT类旧牌号合金在 国际上吴淘汰的趋势。
除TaC、NbC外；有些新型硬质合金中还添加了Cr3C2、VC和钨粉、铌粉等。Cr3C2和 VC的加入，可以抑制合金晶粒长大；钨粉、铌粉可强化粘结相。
2． 硬质合金
通过化学气相沉积(CVD)等方法对硬质合金刀片实行表面涂层，是近年来的重大技术进展。涂层硬质合金采用韧性较好的基体和硬度、耐磨性极高的表层(TiC、TiN、A12O3等， 厚度5—10μm)，较好地解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，因而具有良好 的切削性能。在相同的刀具使用寿命下，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，或能在同 样的切削速度下大幅度地提高使用寿命。与未涂层刀具相比，涂层刀具能降低切削力、切削温度，并能改善已加工表面质量。此外，涂层刀片的通用性较好[92]。
涂层材料为晶粒极细的碳化物、氮化物或氧化物。其中以TiC 和TiN用得最为广泛， 二者各具优缺点：TiC硬度高，耐磨性好，线膨胀系数与基体比较接近，结合比较牢固；TiN 的硬度低于TiC，与基体结合稍差，但与铁基金属之间的摩擦系数更小，抗月牙洼磨损的能力更强，且不易生成中间层(脆性相)，故涂层允许较厚。A12O3涂 层的高温化学性能稳定， 适用于更高速度下的切削。HfN(氮化铪)的线膨胀系数与基体最接近，涂层后表面残余应力很小。几种涂层材料复合使用，可以得到两层、三层和多层的涂层合 金。例如TiC／Ti (C，N)／TiN三涂层刀片，内层为TiC，与基体结合牢固，外层为TiN，与被加工材料摩擦力小，不易发生冷焊，中间用Ti(C，N)过渡，其中了 TiN的百分比由内到外递增。多层涂层合金的切削性能常优于单层。目前涂层材料还有Ti(B，N)、A1(O，N)等，它们可与TiC、 TiN、A12O3等组合成不同的多层涂层合金。
由于涂层材料的线膨胀系数总是大于基体合金，故涂层后合金表面不可避免地存在着残余张应力，使涂层合金的抗弯强度有所降低。研制新的涂层合金，应注意涂层与基本材料在性能上的匹配，并提高基体合金的韧性。
涂层硬质合金适用于各种钢料、铸铁的精加工和半精加工，负荷较轻的粗加工亦可使用。含钛的涂层材料不能加工高温合金、钛合金和奥氏体不锈钢，因为它们之间的亲和力强，从而加剧了冷焊作用[94]。
涂层刀片不能采用焊接结构，不能重磨使用。由于机夹可转位刀具的普及，为发展和使用硬质合金涂层刀具创造了有利条件。目前，在工业发达国家中，涂层刀片的使用已占可转位硬质合金刀片的50％—60％以上。
还可用物理化学气相沉积(PCVD)或物理气相沉积(PVD)法在硬质合金表面上涂层，但它们的工艺方法不如化学气相沉积(CVD)法成熟。
3．细晶粒和超细晶粒硬质合金
细 化晶粒，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性。矿山用硬质合金为粗晶粒，平均晶粒尺寸为4—5μm；普通的刀具用硬质合金(如YTl5、YG6等)为中晶粒， 平均晶粒尺寸为2— 3μm；细晶粒合金(如YG6x等)的晶粒尺寸为l—2μm；超细晶粒合金的晶粒尺寸为 0．5μm。如适当增加钴含量，可同时提高合金的抗弯强度。表2—7选列了两种超细晶粒合金的成分与性能。其中YS2T中含有使晶粒细化的碳化物Cr3C2。这类硬质合金可用于加工冷硬铸铁、淬硬钢、不锈钢、高温合金等难加工材料。
4．TiC基和Ti(C，N)基硬质合金
以上各类硬质合金，都属于WC 基，因为WC是它们的主要成分，并以钴为粘结剂。 TiC基合金是以TiC为主体成分，以镍、钼作粘结剂的硬质合金。TiC含量达60—70% 以上。与WC基合金比较，它的硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗冷焊磨损能力强，高温下硬度下降较少，具有较好的耐磨性；但韧性和抗塑性变形的能力 较差，性能介于陶瓷和WC基合金之间。我国的代表性牌号是YNl0和YN05。在此合金中加入少量的 WC、NbC，是为了改善合金的导热性能和韧性。实践证明，YNl0和YN05适用于碳素钢、 合金钢的半精加工和精加工，其性能分别优于WC基合金YTl5和YT30。
在TiC 基合金的成分中加入氮化物，可进一步改善合金的性能，这就是Ti(C，N)基硬质合金。除具有TiC基合金的优点以外，Ti(C，N)基合金的强度、韧 性、抗塑性变形能力及导热性均高于TiC基合金，因此它是一种有发展前景的刀具材料。其应用范围略同于 TiC基合金。
5．添加稀土元素的硬质合金
在WC 基合金中，添加少量的稀土元素，可以有效地提高合金的韧性和抗弯强度，并使耐磨性有所提高。这是因为稀土元素的存在，改善了碳化物固镕体对粘结相的湿润 性，并强化了硬质相与粘结相。这类合金最适用于粗加工牌号，生产成本提高不太多。目前虽尚处于研究阶段，但颇有发展前途。
6．高速钢基硬质合金
这 种材料是以TiC或WC作硬质相(占30％—40％)，以高速钢作粘结相(占60％—70％)，用粉末冶金工艺制成的。其性能介于硬质合金与高速钢之间， 具有良好的耐磨性和较好的韧性；而且能够接受锻造、热处理和切削加工，具有较好的工艺性。高速钢基硬质合金可以用来制造结构复杂的刀具，如钻头、铣刀等。
附录2列出了国际标准化组织(ISO)所规定的硬质合金的类别、代号、成分及性能。附录3列出了世界各国硬质合金牌号的近似对照。
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