硬质合金(金属的硬质化合物合金材料)

 

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。

硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能,特别是它的高硬度和耐磨性,即使在500℃的温度下也基本保持不变,在1000℃时仍有很高的硬度。

硬质合金广泛用作刀具材料,如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等,用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材,也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。

硬度检测

检测方法

硬质合金硬度检测主要采用洛氏硬度计,测试HRA硬度值。PHR系列便携式洛氏硬度计十分适于测试硬质合金的硬度。仪器重量精度与台式洛氏硬度计相同,使用和携带都十分方便。

硬质合金是一种金属,通过硬度试验可以反映硬质合金材料在不同的化学成分、组织结构及热处理工艺条件下机械性能的差异,因此硬度试验广泛应用于硬质合金性能的检验、监督热处理工艺的正确性及新材料的研究。

特点

它属于非破坏性试验,试验方法比较简单。硬质合金的硬度检测对其试件的形状及尺寸适应性较强,试验效率高。另外,硬质合金材料硬度与其它物理特性之间存在一定的对应关系。例如,硬质合金硬度试验和拉伸试验基本上都是检测金属抵抗塑性变形的能力,这两种试验在某种程度上都是检测金属相似的特性。所以,其检测结果是完全可以相互比较的。硬质合金拉伸试验设备庞大、操作复杂、要制备试样、试验效率低,对于许多金属材料,都有一硬度试验和拉力试验的换算表可查。因此,在检测硬质合金材料力学性能时,人们越来越多地采用硬度试验,而较少采用拉伸试验。

工具

硬质合金硬度一般用洛氏硬度计HRA标尺或维氏硬度计来检测,实用中人们主要采用洛氏硬度计测试HRA硬度。PHR系列便携式洛氏硬度计十分适于测试硬质合金的硬度。这种仪器重量只有0.7kg,精度与台式洛氏硬度计相同。在测量硬质合金硬度时,天星公司生产的PHR系列便携式洛氏硬度计可以测试厚度或直径在50mm以下的硬质合金工件,可以测试直径小到2.0mm的硬质合金工件,可以测试内径小于30mm的管状硬质合金工件。还可以在生产现场、销售现场或材料仓库使用。这种仪器用于测试硬质合金工件简便、快速、无损,可对成批的成品或半成品硬质合金工件做逐件的硬度检测。

磁饱和值

影响硬质合金合金相对磁饱和值的因素主要有以下六大因素:

1、硬质合金中的WC总碳超标。

2、混合料(含压块)氧含量超标。

3、氢气脱蜡、预烧中的碳量变化。

4、真空脱蜡、预烧中的碳量变化。

5、氢烧结过程的碳量变化。

6、硬质合金真空烧结过程的碳量变化。

市场概况

据中国钨业协会硬质合金分会提供的数据显示,2011年全国有硬质合金生产企业300余家,拥有专业科研院所30余家,全行业从业人员超过2.5万人。截至2011年,拥有10万t/a的钨精矿产能、18万t/a的钨酸和钨盐的产能、6.2万t/a的碳化钨产能、3.8万t/a的硬质合金产能,以及Co、Ni、Ta、Nb、Ti的配套供应能力。

2011年中国硬质合金产量为2.35万吨,硬质合金行业销售收入209亿元,硬质合金出口近5000吨,出口创汇超过3.6亿美元,硬质合金深加工产品产量达到6600吨,占合金总产量的1/3。所生产的硬质合金产品品种基本齐全,规格型号超过4万个,产量和品种基本能满足中国各经济领域的需求。

我国硬质合金产业存在的主要问题:一是企业规模较小,产业集中度不高。据不完全统计,199家硬质合金企业平均年产能176吨,平均年产量仅86吨,年产量在1000吨以上的企业只有4家。二是科技投入较少,缺乏高端技术人才,技术研发能力较弱。我国硬质合金工业在科技方面的投入不到销售收入的3%,科技研发水平不高,原创性核心技术成果较少。三是产品质量水平较低,产品结构有待调整。我国硬质合金产量占世界总产量的40%以上,但硬质合金销售收入不足全球的20%,主要是由于高性能超细合金、高精度高性能研磨涂层刀片、超硬工具材料、复杂大异制品、精密硬质合金数控刀具等高附加值产品产量较少、深加工配套不足以及品种不全所致。

随着中国汽车产业急速扩张,汽车零部件加工的切削工具的需求不断增大,中国钢铁、交通、建筑等领域对硬质合金的需求也愈发旺盛。在国外硬质合金跨国公司的战略图景中,中国市场已经悄然由配角变为主角。

分析指出,到“十二五”末期,我国硬质合金产量达到3万吨,销售收入达到300亿元,深加工产品产量占硬质合金总量的40%以上。出口相比“十一五”将翻一番,力争超过10亿美元。硬质合金将向精深加工、工具配套方向发展;向超细、超粗及涂层复合结构等方向发展;向循环经济、节能环保方向发展;向精密化、小型化方向发展。

高端市场

中国刀具企业通过不断地学习和战略规划,已经在市场上占据了半壁江山,但是,企业在发展过程中还是凸显出几个致命的问题,比如重视不够、处理不当,这些都将会严重影响到企业的发展。

现阶段,硬质合金刀具在发达国家已占刀具类型的主导地位,比重高达70%。而高速钢刀具却正以每年1%~2%的速度缩减,所占比例已降至30%以下。

同时,硬质合金切削刀具在我国也已经成为加工企业所需的主力刀具,被广泛地应用在汽车及零部件生产、模具制造、航空航天等重工业领域,但我国刀具企业却盲目地、大量地生产高速钢刀以及一些低档标准刀具,完全没有考虑到市场饱和度和企业所需,最终把具有高附加值、高科技含量的中高端刀具市场“拱手相让”给国外企业。

有资料显示,我国刀具的年销售额大约为145亿元,其中硬质合金刀具所占的比重不足25%,但国内制造业所需的硬质合金刀具已经占据刀具的50%以上,这种盲目生产已经严重满足不了国内制造业对硬质合金刀具日益增长的需求,从而形成了中高端市场的真空状态,最终被国外企业所占据。

2007年,我国生产的1.65万吨硬质合金中,有4500吨用于切削刀具生产上,数量上和日本相当。但制成刀具后的价值仅8亿美元,远不及日本的25亿美元,这充分说明国内硬质合金高效刀具的整体生产水平与国外仍有相当大的差距。所以,在国内企业不能满足市场需求的前提下,制造业的需求就不得不依靠大量进口来解决。有资料显示,主要外商在中国中高端刀具市场上的销售年增长率达30%,已超过国产刀具的年均增长水平。

发展趋势

硬质合金铣刀

硬质合金铣刀

由于中国实行积极稳健的宏观经济政策,国民经济快速增长,硬质合金需求也高速增长。在硬质合金需求增长的同时,产量也在不断增加,从2006年的1.45万吨增长到2011年的2.4万吨,年复合增长率达到10.60%。

例子

韩国YesTool公司推出的“KRUZ”硬质合金机夹孔加工刀具,采用了硬质相晶粒分别为0.2+0.5+0.8μm的混合型高钴(13%)超细晶粒度基体,使刀具基体材料的强度和硬度都有较大的提高,配以接近整体型钻头强度的机夹刀片几何结构和夹紧方式以及独创的钻尖设计和高性能的氮化钛(TiN)与氮铝化钛(TiAlN)纳米物理涂层(PVD),不仅适用于加工软质到硬质工件,甚至对极难加工的特殊材料工件,都能体现出优秀的切削性能。

瑞典山特维克可乐满公司(SandvikCoromant)新推出的钢材车削牌号GC4225、GC4235,采用了超细晶粒的梯度硬质合金基体,配以氮碳化钛中温化学涂层(MT-CVD)和细晶柱状a-Al2O3化学涂层,表面则采用消除表面应力的后处理工艺,即通过喷丸处理去掉前刀面CVD涂层的拉应力表层(TiN),使露出表面的Al2O3的拉应力下降40%,内层涂层的应力下降20%,显著改善了刀片的抗微崩刃性能和抗剥落能力,在提高刀刃完整性和可靠性的同时还提高了涂层表面的光洁度,降低了刀片与切屑之间的粘结性。GC4225可覆盖从粗加工到精加工80%的应用领域,与一般的P25刀片比较刀具寿命可提高60%,生产效率提高33%,为钢件加工的首选牌号。株洲钻石切削刀具股份有限公司继两年前推出用于铸铁加工的YBD系列黑金刚牌号后,新推出的用于钢材加工的第二代黑金刚系列牌号——YBC152和YBC252也采用了表面富钴的梯度硬质合金基体材料,配以厚层的纤维状TiCN和细晶粒Al2O3的CVD涂层,具有极强的抗塑性变形能力和刃口强度,特别适合钢材的高速加工。新一代黑金刚牌号刀片在相同切削条件下,可提高切削速度25%以上;在同样切削速度下,刀具寿命可提高30%以上。在本次展会上推出表面富钴梯度硬质合金基体材料新牌号的还有:美国Kennametal公司的通用材质牌号KU30T、Valenite公司的加工不锈钢牌号VP5535、以色列ISCAR公司的适用于高速加工的改进型Al2O3MT-CVD复合涂层“a-TEC”系列(如:IC9150、IC9250、IC9350)牌号等。

在硬质合金中添加少量的元素可强化材料的硬质相和粘结相、净化晶界并显著提高材料的抗弯强度和冲击韧性。日本住友电工硬质合金株式会社推出的ACE系列涂层牌号(AC700G、AC2000、AC3000),采用了加锆(Zr)的硬质合金基体材料,使新牌号基体材料的红硬性大幅度提高。日立工具技术株式会社新推出的HG系列涂层新牌号(HG8010、HG8025)则采用了所谓“三重锆效果”的CVD涂层新技术,其“第一重锆效果”就是在硬质合金基体材质中添加了锆(Zr)元素,以提高基体的抗高温变形能力;“第二重锆效果”则是用细晶柱状的锆(Zr)涂层取代通常的MT-TiCN涂层,从而提高了涂层的抗氧化性;“第三重锆效果”则是在涂层表面涂覆一层白色的锆(Zr)涂层,以提高刀具表面的润滑性、耐热性和抗剥落性。这种新型涂层牌号刀片具有良好的耐热性,特别适用于高效加工,与传统刀片相比,可提高加工效率150%,降低加工成本20~30%。

超细晶粒硬质合金得到了越来越广泛的采用。除上述几家公司的新牌号采用了超细晶粒硬质合金基体外,Kennametal公司推出的新牌号KC5525、KC5510也采用了晶粒细化的高钴硬质合金基体,拥有钴含量达10%的超级细化晶粒的硬质合金基体,配以高铝含量的TiAlNPVD涂层,使刀具在断续切削时具有很高的刃口韧性的同时,又具有极强的抗热变形能力。ISCAR公司推出的用于整体硬质合金立铣刀的“AL-TEC”涂层系列(如:IC900、IC903、IC908、IC910等)牌号,同样采用了超细晶粒硬质合金基体,配以高铝含量TiAlN(PVD)涂层,使其在铣削加工硬度高达60~62HRC的淬硬钢时,与原有的IC903牌号相比,刀具寿命提高150%。Valenite公司的用于铸铁高速车削加工的VP1595牌号,也是在超细晶粒硬质合金基体上,采用MT-CVD涂覆18μm厚的TiCN/Al2O3/TiC涂层,后刀面则涂覆了一层灰色的TiC,以便于观察刀具刃口的磨损情况和刀片转位,该牌号在粗加工球墨铸铁时,加工效率比其它K05~K10牌号提高50%。

演化

从上述新牌号可以看出,伴随着基体材料性能的改进和提高,刀具涂层技术取得了更为迅猛的发展,中温化学涂层、柱状a-Al2O3化学涂层、高性能物理涂层、新型原子涂层、纳米结构涂层、黄色三氧化二铝化学涂层、白色锆涂层、高铝含量TiAlN涂层、TiSiN涂层、CrSiN涂层、AlCrSiN涂层、TiBON涂层等大量新型涂层呈现多样化和系列化的趋势,使硬质合金材料新牌号层出不穷,大大提高了硬质合金刀具的切削加工性能。

瑞典山高(SECO)公司继两年前推出TP1000、TP2000、TP3000三个高性能ISO-P类硬质合金涂层牌号后,新推出了号称“新行业标准”的TP2500通用型ISO-P类硬质合金涂层新牌号,它是在山高公司新一代Triple-Zero基体材质上,采用了被称为DurAtomic的涂层技术而形成的全新的硬质合金涂层牌号。DurAtomic涂层的a-Al2O3由原子长成,与通常的CVD涂层所生成的a-Al2O3相比,DurAtomic涂层具有更高的耐磨性和韧性。TP2500被设计成普通钢件车削(ISOP15~P30)的首选牌号,也可作为ISOM20和ISOK30的补充牌号。据山高公司技术人员介绍,新的TP2500刀片可提高加工效率50%以上,提高刀具寿命300%以上。

德国蓝帜金属加工技术集团倍锐特公司(LMT-BOEHLERIT)利用中温化学涂层技术开发出了“黄色氧化铝复合涂层”技术,结合该公司新开发的Durotec齿状过渡层技术,使黄色氧化铝涂层和过渡层间在具有极好的粘合性的同时,又具有良好的散热性,并推出了SteeltecLC215K和LC225K系列刀片牌号。SteeltecLC215K在切削钢材时可以达到300m/min以上的切削速度,刀片寿命比现有其它刀片提高了30%。而SteeltecLC225K则在LC215K的基础上进一步提高了刀片的韧性,使刀片使用寿命在原有的基础上又延长了30%。

纳米结构涂层(Nanocoating)技术迅速发展的涂层新技术,其涂层材料的晶粒度一般都在100nm以下,具有良好的切削性能。这次展会上,国内、外多家公司都有纳米结构涂层新牌号推出。日本住友电工硬质合金株式会社推出的超级ZX涂层牌号(ACP200、ACP300、ACK300和AC530U),采用了相互交叠的总层数达1000层的超薄TiAlN与AlCrN纳米级涂层,每层涂层的厚度约为10纳米,大幅度提高了涂层表面的硬度和抗氧化性。与传统的TiAlN涂层相比,超级ZX涂层的硬度提高了40%,开始氧化温度也提升了200℃,从而提高刀具的加工效率1.5倍;在相同切削条件下,提高刀具寿命2倍。推出纳米结构涂层新牌号的还有日本日立株式会社,该公司新推出的纳米涂层ATH、ACS系列牌号与通常的TiAlN(PVD)涂层牌号相比,具有更高的硬度和耐氧化性,其耐氧化温度达到1100℃,显微硬度达到3600HV,可适用于从预硬钢到淬火钢的高速干式切削加工。株洲钻石切削刀具股份有限公司新推出的纳米结构nc-TiAlN涂层新牌号(YBG102、YBG202、YBG302和YBG203)是在超细晶粒硬质合金基体表面涂覆2~4μm的纳米TiAlN,该系列牌号覆盖了钢、不锈钢、铸铁、耐热合金、高温合金、钛合金等大多数材料的车削和铣削加工,具有广泛的适应性。

扩展

在涂层中,通过晶粒细化技术来提高涂层表面光洁度,使涂层表面光滑,以提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力也是涂层技术发展的一个方向。日本三菱综合材料株式会社推出的高效加工钢材的专利技术UC6110超级涂层硬质合金牌号,前刀面为由抑制结晶生长的细至纳米级的TiCN与抑制结晶生长的纳米级三氧化二铝构成的纳米结构CVD涂层,具有极高的韧性和超强的耐磨损性,外表面为一层黄色的特殊Ti金属化合物,使涂层表面平滑化。后刀面为黑色的超平滑涂层,以确保刀具磨损的稳定性。住友电工硬质合金株式会社新推出的超级FF涂层牌号(AC410K、AC610M、AC630M、ACP100、ACK200),是在专用的硬质合金基体上,涂覆超细晶粒的TiCN,提高了涂层与基体的结合力,再在其上涂覆超细超平滑化的FF铝基膜,使表面硬度提高了30%,表面粗糙度降低了50%,与通常的材质相比,可提高加工效率1.5倍,提高刀具寿命2倍以上。

从这次展会所推出的硬质合金刀具材料新牌号可以看出,当前硬质合金刀具材料牌号正向着两个相反的方向发展,一方面,通用型牌号的适用面越来越广,通用性越来越强。另一方面,专用型牌号越来越具有针对性,更加适应被加工材料和切削条件,从而达到提高切削效率的目的。如:美国Kennametal公司推出的新的KU系列(KU10T、KU25T、KU30T)牌号就具有非常广泛的通用性。其中,KU10T和KU25T采用了具有高韧性的和高耐磨性的硬质合金基体,并配以高含铝量的TiN+TiAlN复合PVD涂层;而KU30T则采用了韧性极好的富钴层梯度硬质合金基体,配以TiN+TiCN+TiN复合CVD涂层。新的KU系列牌号可广泛适用于钢、不锈钢、铸铁、非钛合金、高温合金和硬材料的车削、镗孔、切槽、切断和螺纹加工。该公司新推出的KC5510和KC5525则是专为高效率加工高温合金而设计的牌号,晶粒细化的高钴硬质合金基体,配以高性能的TiAlNPVD涂层,使刀片具有极强的抗热变形能力,可以比其它PVD涂层刀具提高两倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具株式会社推出的T6000系列牌号(T6020、T6030),则是专为不锈钢车削加工开发的CVD牌号。ISCAR公司推出的专用于高速铣削加工灰铸铁和球墨铸铁的DO-TEC涂层牌号(DT7150),采用了Al2O3-MTCVD内涂层加TiAlNPVD外涂层的复合涂层技术,具有极高的耐磨性及抗剥落性。

从本次展会可以看到,金刚石CVD涂层刀具的性能又有了进一步的提高,产品覆盖了可转位刀具和整体硬质合金刀具。厦门金鹭特种材料有限公司展出了新开发的“青霜”系列超细结晶金刚石涂层立铣刀。与通常的金刚石涂层相比,“青霜”系列金刚石涂层为超细结晶,平均粒度<1μm,涂层表面更加光滑,刀具寿命可提高20倍以上。日本OSG公司也展出了适用于石墨电极和铜电极加工的超微粒结晶金刚石涂层铣刀,结晶粒度为1μm,涂层厚度6~20μm,使刀具的刃口更加锋利,减少切削中的粘结,降低了工件表面的粗糙度。美国SGS刀具公司则推出了非晶体的金刚石(AmorphousDiamond)涂层立铣刀,用以加工最具磨损特性的材料。刀具表面是沿着刀具曲面精确形成的晶莹光滑的厚度约为1μm的非晶体金刚石薄膜,其最显著的特点是使刀具在具有金刚石极高的抗磨损能力(表面硬度达60~90GPa)的同时,又具有光滑的刀具表面,降低了刀具表面与工件的摩擦,从而大大降低了切削温度。此外,非晶体金刚石涂层的另一大特点是对刀具基体材质没有特殊要求,可在任何材质的刀具基体表面涂覆,其涂覆温度仅为150℃。据介绍SGS非晶体金刚石刀具可比AlTiN涂层刀具的寿命长6倍。

生产国家

世界上有50多个国家生产硬质合金,总产量可达27000~28000t-,主要生产国有美国、俄罗斯、瑞典、中国、德国、日本、英国、法国等,世界硬质合金市场基本处于饱和状态,市场竞争十分激烈。中国硬质合金工业是50年代末期开始形成的,60~70年代中国硬质合金工业得到了迅速发展,90年代初中国硬质合金总生产能力达6000t,硬质合金总产量达5000t,仅次于俄罗斯和美国,居世界第3位。