硬质合金牌号分类方法

硬质合金是使用最广泛的一类高速加工(HSM)刀具材料,此类材料是通过粉末冶金工艺生产的,由硬质碳化物(通常为碳化钨WC)颗粒和质地较软的金属结合剂组成。目前,有数百种不同成分的WC基硬质合金,它们中大部分都采用钴(Co)作为结合剂,镍(Ni)和铬(Cr)也是常用的结合剂元素,另外还可以添加其他一些合金元素。

不同种类的碳化钨粉、混合料成分和金属结合剂含量、晶粒长大抑制剂的类型和用量等的组合变化,构成了形形色色的硬质合金牌号。这些参数将决定硬质合金的显微结构及其特性。某些特定的性能组合已成为一些特定加工用途的首选,从而使对多种硬质合金牌号进行分类具有了意义。

硬质合金刀具图片
两种最常用的、面向加工用途的硬质合金分类体系分别为C牌号体系和ISO牌号体系。尽管这两种体系都不能完全反映影响硬质合金牌号选择的材料特性,但它们提供了一个探讨的起点。对于每种分类法,许多制造商都有它们自己的特殊牌号,由此产生了形形色色、五花八门的各种硬质合金牌号。

硬质合金牌号还可以按照成分来分类。碳化钨(WC)牌号可分为三种基本类型:单纯型、微晶型和合金型。单纯型牌号主要由碳化钨和钴结合剂构成,但其中也可能含有少量晶粒长大抑制剂。微晶型牌号由碳化钨和添加了几千分之一碳化钒(VC)和(或)碳化铬(Cr3C2)的钴结合剂构成,其晶粒尺寸可达到1μm以下。合金型牌号则是由碳化钨和含有百分之几碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)的钴结合剂构成,这些添加物又称为立方碳化物,因为其烧结后的显微结构呈现出不均匀的三相结构。

(1)单纯型硬质合金牌号

用于金属切削加工的此类牌号通常含有3%-12%的钴(重量比)。碳化钨晶粒的尺寸范围通常在1-8μm之间。与其他牌号一样,减小碳化钨的粒度可以提高其硬度和横向断裂强度(TRS),但会降低其韧性。单纯型牌号的硬度通常在HRA89-93.5之间;横向断裂强度通常在175-350ksi之间。此类牌号的粉料中可能含有大量回收再用的原料。

单纯型牌号在C牌号体系中可分为C1-C4,在ISO牌号体系中可按K、N、S和H牌号系列进行分类。具有中间特性的单纯型牌号可以归类为通用牌号(如C2或K20),可用于车削、铣削、刨削和镗削加工;晶粒尺寸较小或钴含量较低、硬度较高的牌号可以归类为精加工牌号(如C4或K01);晶粒尺寸较大或钴含量较高、韧性较好的牌号可以归类为粗加工牌号(如C1或K30)。

用单纯型牌号制造的刀具可用于切削加工铸铁、200和300系列不锈钢、铝和其他有色金属、高温合金和淬硬钢。此类牌号还能应用于非金属切削领域(如作为岩石和地质钻探工具),这些牌号的晶粒尺寸范围在1.5-10μm(或更大),钴含量为6%-16%。单纯型硬质合金牌号的另一种非金属切削类用途是制造模具和冲头,这些牌号通常具有中等大小的晶粒尺寸,钴含量为16%-30%。

(2)微晶型硬质合金牌号

此类牌号通常含有6%-15%的钴。在液相烧结时,添加的碳化钒和(或)碳化铬可以控制晶粒长大,从而获得粒度小于1μm的细晶粒结构。这种微细晶粒牌号具有非常高的硬度和500ksi以上的横向断裂强度。高强度与足够的韧性相结合,使此类牌号的刀具可以采用更大的正前角,从而能通过切削而不是推挤金属材料来减小切削力和产生较薄的切屑。

通过在牌号硬质合金粉料的生产中对各种原材料进行严格的品质鉴定,以及对烧结工艺条件实施严格的控制,防止在材料显微结构中形成非正常的大晶粒,就能获得适当的材料性能。为了保持晶粒尺寸细小且均匀一致,只有在能对原料和回收工艺进行全面控制,以及实施广泛质量检测的情况下,才能使用回收的再生粉料。

微晶型牌号可在ISO牌号体系中可按M牌号系列进行分类,除此以外,在C牌号体系和ISO牌号体系中的其他分类方法与单纯型牌号相同。微晶牌号可用于制造切削较软工件材料的刀具,因为这种刀具的表面可以加工得非常光滑,并能保持极其锋利的切削刃。

微晶牌号刀具还能用于加工镍基超级合金,因为这种刀具能够承受高达1200℃的切削温度。对于高温合金和其他特殊材料的加工,采用微晶牌号刀具和含钌的单纯牌号刀具,能够同时提高其耐磨性、抗变形能力和韧性。微晶牌号还适合制造会产生剪切应力的旋转刀具(如钻头)。有一种钻头采用复合牌号的硬质合金制造,在同一支钻头的特定部位,材料中的钴含量各不相同,从而根据加工需要优化了钻头的硬度和韧性。

(3)合金型硬质合金牌号

此类牌号主要用于切削加工钢件,其钴含量通常为5%-10%,晶粒尺寸范围为0.8-2μm。通过添加4%-25%的碳化钛(TiC),可以减小碳化钨(WC)扩散到钢屑表面的倾向。通过添加不超过25%的碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC),可以改善刀具的强度、抗月牙洼磨损能力和耐热冲击性。添加此类立方碳化物还能提高刀具的红硬性,在重载切削或切削刃会产生高温的其他加工中,有助于避免刀具发生热变形。此外,碳化钛在烧结过程中能提供成核位置,改善立方碳化物在工件中的分布均匀性。

一般来说,合金型硬质合金牌号的硬度范围为HRA91-94,横向断裂强度为150-300ksi。与单纯型牌号相比,合金型牌号的耐磨料磨损性能较差,且强度较低,但其耐粘结磨损的性能更好。合金型牌号在C牌号体系中可分为C5-C8,在ISO牌号体系中可按P和M牌号系列进行分类。具有中间特性的合金型牌号可以归类为通用牌号(如C6或P30),可用于车削、攻丝、刨削和铣削加工。硬度最高的牌号可以归类为精加工牌号(如C8和P01),用于精车和镗削加工。这些牌号通常具有较小的晶粒尺寸和较低的钴含量,以获得所需要的硬度和耐磨性。不过,通过添加较多的立方碳化物也能获得类似的材料特性。韧性最好的牌号可以归类为粗加工牌号(如C5或P50)。这些牌号通常具有中等大小的粒度和高钴含量,立方碳化物的添加量也较少,以通过抑制裂纹扩展而获得所需要的韧性。在断续车削加工中,通过采用上述刀具表面具有较高钴含量的富钴牌号,还可以进一步提高切削性能。

碳化钛含量较低的合金型牌号用于切削加工不锈钢和可锻铸铁,但也可用于加工有色金属(如镍基超级合金)。这些牌号的晶粒尺寸通常小于1μm,钴含量为8%-12%。硬度较高的牌号(如M10)可用于车削加工可锻铸铁;而韧性较好的牌号(如M40)可用于铣削和刨削钢件,或者用于车削不锈钢或超级合金。

合金型硬质合金牌号还能用于非金属切削类用途,主要用于制造耐磨零件。这些牌号的粒度通常为1.2-2μm,钴含量为7%-10%。在生产这些牌号时,通常会加入很大比例的回收原料,从而在耐磨零件的应用中获得较高的成本效益。耐磨零件需要具有很好的耐腐蚀性和较高的硬度,在生产此类牌号时,可以通过添加镍和碳化铬来获得这些性能。