硬质合金

1923年，德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加进10%～20%的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，硬度仅次于金刚石，这是世界上人工制成的第一种硬质合金。用这种合金制成的刀具切削钢材时，刀刃会很快磨损，甚至刃口崩裂。1929年美国的施瓦茨科夫在原有成分中加进了一定量的碳化钨和碳化钛的复式碳化物，改善了刀具切削钢材的性能。这是硬质合金发展史上的又一成就。

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。新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。

硬质合金还可用来制作凿岩工具、采掘工具、钻探工具、测量量具、耐磨零件、金属磨具、汽缸衬里、精密轴承、喷嘴、五金模具（如拉丝模具、螺栓模具、螺母模具、以及各种紧固件模具，硬质合金的优良性能逐步替代了以前的钢铁模具）。

近二十年来，涂层硬质合金也问世了。1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，刀具的基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度不过几微米，但是与同牌号的合金刀具相比，使用寿命延长了3倍，切削速度提高25%～50%。20世纪70年代已出现第四代涂层工具，可用来切削很难加工的材料。

硬质合金棒主要适用于钻头，立铣刀，绞刀。它也可用于切割，冲压和测量工具。它被用于造纸，包装，印刷，有色金属加工行业。此外，它还广泛用于加工高速钢刀具，硬质合金铣刀，硬质合金刀具，NAS的切削刀具，航空刀具，硬质合金钻头，铣刀取芯钻头，高速钢，taperd铣刀，公制铣刀，微型结束铣刀，铰试点，电子刀具，阶梯钻，金属切割锯，双保证金钻，枪杆子，角度铣刀，硬质合金旋转锉，硬质合金刀具等。

不同用途的硬质合金采用不同粒度的WC(碳化钨)。硬质合金切削刀具：比如切脚机刀片、V-CUT刀等精加工合金采用超细、亚细、细颗粒WC，粗加工合金采用中颗粒WC，重力切削和重型切削的合金采用中、粗颗粒WC做原料；矿山工具：岩石硬度高，冲击负荷大，采用粗颗粒WC，岩石冲击小冲击负荷小采用中颗粒WC做原料；耐磨零件：当强调其耐磨性、抗压和表面光洁度时，采用超细、亚细、细、中颗粒WC做原料，耐冲击工具采用中、粗颗粒WC原料为主。     WC理论含碳量为6.128%(原子50%)，当WC含碳量大于理论含碳量，则WC中出现游离碳(WC+C)。游离碳的存在，烧结时使其周围的WC晶粒长大，致使硬质合金晶粒不均匀。碳化钨一般要求化合碳高(≥6.07%)，游离碳(≤0.05%)，总碳则决定于硬质合金的生产工艺和使用范围。     正常情况下，石蜡工艺真空烧结用WC总碳主要决定于烧结前压块内的化合氧含量。含一份氧要增加0.75份碳，即WC总碳=6.13%+含氧量%×0.75(假设烧结炉内为中性气氛，实际上目前多数真空炉为渗碳气氛，所用WC总碳小于计算值)。     目前我国WC的总碳含量大致分为三种：石蜡工艺真空烧结用WC的总碳约为6.18±0.03%(游离碳将增大)。石蜡工艺氢气烧结用WC的总碳含量为6.13±0.03%。橡胶工艺氢气烧结用WC总碳=5.90±0.03%。上述工艺有时交叉进行，因此确定WC总碳要根据具体情况。     不同使用范围、不同Co(钴)含量、不同晶粒度的合金所用WC总碳可做一些小的调整。低钴合金可选用总碳偏高的碳化钨，高钴合金则可选用总碳偏低的碳化钨。总之，硬质合金的具体使用需求不同对碳化钨粒度的要求也不同。

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，硬质合金需求也因此高速增长。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%。

硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件，广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求不断加大。并且未来高新技术武器装备制造、尖端科学技术的进步以及核能源的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金产品的需求。据前瞻网分析，从《2013-2017年中国硬质合金行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》中预计到2015年我国硬质合金的产量将到达3万吨，工业总产值达到约230亿元。

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%。

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。

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。

纳米及超细结构硬质合金将成为未来技术发展的新方向。普通结构硬质合金的耐磨性与韧性相互排斥，协调这种矛盾一直是硬质合金研究方面焦点。研究发现，在硬质合金粘结相含量一定的情况下，当碳化钨(WC)晶粒度减小到0.8μm以下时，不仅合金的硬度提高，而且强度也有提高，随着晶粒度的进一步减小，提高幅度更加明显。      这种兼有高硬度和高强度的硬质合金刀具在加工硬而脆的材料(如冷铸铁等)时显示出优异的使用性能。WC-10Co超细硬质合金的硬度(HRA)可达到93，横向断裂强度大于5000MPa。纳米及超细晶粒硬质合金具有普通硬质合金不可比拟的优越性能，满足现代加工工业以及特种应用领域对新材料加工要求的能力大副提高。纳米及超细结构硬质合金的这种“双高”(高耐磨性、高韧性)性能，特别适用于制造适应高负荷、高应力磨损、锐利、刚性好工具和模具，如印刷电路板(PCB)微钻、V-CUT刀、铣刀等。      关于纳米及超细结构硬质合金的晶粒度问题，目前没有统一的标准。一般认为，晶粒度小于0.5μm的硬质合金为超细硬质合金，晶粒度小于0.2μm的硬质合金为纳米硬质合金。在这方面，瑞典Sandvik和德国粉末冶金协会的分级标准相对权威。     20世纪90年代以来，围绕细化晶粒，制取超细乃至纳米结果硬质合金的研究开发已经成为世界硬质合金技术领域的一大热点。美国Rutgers大学于1989年率先研制成功纳米结构硬质合金并取得专利。纳米结构硬质合金的问世，是硬质合金领域中具有划时代意义的重大突破，为解决硬质合金强度和硬度之间的矛盾开辟了新的途径。

​硬质合金硬度检测主要采用洛氏硬度计和维氏硬度计，在硬度一般在86-95HRC或900-2000HV之间。由于产品硬度较高，压头的材料一般选用碳化硅，或者天然金刚石来制造。钻石硬度计在各种硬质合金行业领域，有大量的应用。

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。

1、硬质合金超声波清洗机对深孔内及部品的空气能被吸出，清洗液能容易进入深孔内，清洗能力大幅提高。

2、硬质合金超声波清洗机在清洗液中的气体被脱出后，超声波效果更好。

3、清洗液可以被加热到引火点以上，对污垢的溶解力倍增。

4、在清洗中利用高温液体给清洗部品提供均等的热量后进行干燥。

5、在真空中溶液沸点下降蒸发速度加快，因迅速形成高真空，覆盖在物体上的溶剂一举蒸发。