常用硬质合金力学性能和物理性能

硬质合金的力学性能和物理性能与化学成分之间有以下的变化规律。

① 硬度 硬质合金的硬度一般在HRA86~93之间,并随着硬质合金中含钴量的增加而降低。在YT类硬质合金中,硬度随碳化钛含量的增加而提高。硬质合金的红硬性比较好,只有当使用温度高于500℃时,硬质才开始降低。但是在1000~1100℃的高温下,硬度仍可高达HRA73~76。

② 抗弯强度 常温时硬质合金的抗弯强度在90~150MPa之间,并且含钴量越高抗弯强度越高。

③ 冲击韧性 硬质合金的脆性很高,且几乎与温度无关。在高温时,钢的冲击韧性比硬质合金大数百倍。在镶焊硬质合金工具时,不允许对硬质合金刀片做冲击性的压紧。硬质合金的冲击韧性与合金中含钴量有关。含钴量越高,冲击韧性也越高。

④ 热导率 钨钴合金的热导率为0.58~0.88J/cm.s.℃,比高速钢约高1倍,而钨钛钴合金的热导率仅为0.17~0.21J/cm.s.℃,比高速钢低。硬质合金的热导率随钴含量增加而增加,而钨钛钴合金的热导率随碳化钛的含量增加而降低。

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表面涂层硬质合金

表面涂层硬质合金是通过化学气相沉积(CVD)等方法,在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al2O3等薄层,形成表面涂层硬质合金。这是现代硬质合金研制技术的重要进展。1969年,西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合金刀片初次投入市场。1970年后,美国、日本和其他国家也都开始生产这种刀片。三十余年来,涂层技术有了很大的进展。涂层硬质合金刀片由第一代、第二代已发展到第三代、第四代产品。

涂层硬质合金刀片一般均制成可转位的式样。用机夹方法装卡在刀杆或刀体上使用。它具有以下优点:
1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性,故与未涂层硬质合金相比,涂层硬质合金允许采用较高的切削速度,从而提高了加工效率;或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。
2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小,故与未涂层刀片相比,涂层刀片的切削力有一定降低。
3)涂层刀片加工时,已加工表面质量较好。
4)由于综合性能好,涂层刀片有较好的通用性。一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。

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用于钢件钻削的整体硬质合金钻头

山特维克可乐满的钻削产品和行业专家JohnDotday指出,提高生产率固然重要,但该公司发现,大批量零件制造商往往更关心如何提高和达到可预测的刀具寿命,在钢件钻削加工中尤其如此,因为不同批次工件材料的微小变化可能会导致刀具破损。
  
山特维克可乐满的整体硬质合金钻头CoroDrill860-PM就是为提高钢件(包括淬硬钢和软钢)钻削的安全性和加工效率而开发的。Dotday指出,由于存在积屑瘤和切屑控制问题,硬度较低、粘性较大的低合金钢(如1018钢和1020钢)的钻削加工具有很大挑战性。尽管这些工件材料断屑困难,但CoroDrill860-PM钻头却能形成尾部很短的细小切屑。
  
Dotday解释说,除了针对钢件加工优化钻头几何形状以外,对钻头切削刃的钝化处理和钻尖强化可防止钻尖崩刃,提高了钻削加工的强度和安全性。切削刃钝化处理是在磨床上用磨料刷子来实现的,这种新的切削刃制备方法和强韧的4234硬质合金基体可防止钻头过快磨损,提高钻孔的尺寸精度和表面光洁度。Dotday说,“我们希望有一种可控的磨损模式。”
  
该钻头不仅提供了可预测的刀具寿命,而且延长了刀具寿命。与其他钻头相比,CoroDrill860-PM的寿命提高了20%~40%。该钻头的内冷却功能还有助于切屑控制,Dotday建议,应采用不低于220psi的冷却液压力。对于所用机床不具备内冷却功能的最终用户,该公司也提供了种类有限的外部冷却钻头,但这些钻头只能用于钻削孔深不超过3倍孔径的浅孔,而且应该将切削速度和进给率降低25%。对于内冷却钻头,推荐采用的进给率约为0.25mm/r,加工软钢和硬钢时,推荐采用的表面切削速度分别为120~240m/min和60~100m/min。
  
当钻头切出易于处理的切屑后,刷钝处理后涂覆的多层TiAlN涂层有助于提高润滑性和排屑性能。该涂层看起来就像研磨表面一样光滑。标准CoroDrill860-PM钻头的直径范围为3~20mm,最大钻孔深度可达8倍孔径。钻尖角为139°~144°(取决于钻头直径)。即使在凸凹不平的表面上钻孔时,也不推荐预钻定心孔。Dotday解释说,“除非你采用具有合适几何形状的定心钻,否则定心孔将会引起一些问题,并使钻头更快损坏。”
  
当钻头需要重磨修复时,山特维克可乐满要求采用专门的刃磨和切削刃制备设备,以保证修复后的钻头达到与新钻头相同的使用寿命。钻头修复会使刀具长度缩短大约1mm,并因为重新涂层而使钻头直径略有增大。一支钻头可以修复3次,但超过3次以后,重涂的涂层就会出现剥落问题。由于钻头的修复会缩短其长度,因此用户需要确定该钻头经过几次修复后,其长度是否仍能满足加工要求。
  
用CoroDrill860-PM加工孔径不同的通孔时,始终应该先钻削孔径最大的孔,以最大限度地减少毛刺形成和防止钻头跑偏。


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钨钛钴硬质合金

钨钛钴硬质合金(cemented titanium-tung-sten carbide)由WC%26mdash;TiC、WC和粘结金属钴组成的或者仅由WC%26mdash;TiC固溶体和钴组成的多相硬质合金。合金的含钴量4%~10%,含TiC5%~30%,余量为WC,主要用于切削钢材。钨钛钴硬质合金具有较高的抗月牙洼磨损能力,适合作长切削材料的刀具。用钨钴硬质合金刀具切削钢材时易出现月牙洼磨损,这主要是由于在切削温度下刀具与切屑发生扩散反应引起的。为了克服加工钢材时的月牙洼磨损,在20世纪20年代初,研制了含TiC的硬质合金和含TaC的硬质合金,稍后又研制了同时含有碳化钛和碳化钽的硬质合金。在这类合金中,TiC和TaC的含量取决于月牙洼磨损的严重程度,TiC可达35%,TaC达7%。

钨钛钽钴硬质合金(即WC%26mdash;TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co合金),已发展成为切削钢的重要材料。在西欧几乎取消了原有的WC一TiC%26mdash;Co切削钢牌号合金,在美国和日本,切削钢牌号合金以WC%26mdash;TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co合金为主,但在东欧,尤其在前苏联,切削钢牌号合金仍以WC%26mdash;TiC%26mdash;Co合金为主。WC%26mdash;TiC%26mdash;Co和WC一TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co切削牌号合金在硬质合金中的比例因各国情况而异。


在中国,WC%26mdash;TiC%26mdash;Co合金的生产量仅次于钨钴硬质合金。用代号YT表示WC%26mdash;TiC%26mdash;Co合金,用代号YW表示WC%26mdash;TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co合金,后者又称为通用合金。表1和表2列出中国钨钛钴硬质合金和钨钛钽钴硬质合金的牌号、成分和性能。

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涂层硬质合金刀片应用范围

由于经过涂层工艺,基体刀片的韧性和抗弯强度不可避免地有所下降,加上涂层材料的化学性质等原因,故涂层硬质合金刀片仍只有一定的适用范围。涂层硬质合金刀片可以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。

涂层硬质合金刀片最适用于连续车削,但在切深变化不大的仿形车削、冲击力不太大的间断车削及某些铣削工序中亦可采用。近年在切断、车螺纹中也已使用涂层刀片。但是,TiC和TiN涂层刀片不适宜于加工下列材料:高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、有色金属(铜、镍、铝、锌等纯金属及其合金)。沉重的粗加工,表面有严重夹砂和硬皮的铸件的加工也不宜使用涂层刀片。



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