碳化钛在切削工具中的应用有哪些？

碳化钛（TiC，CAS号12070-08-5）是一种重要的过渡金属碳化物，以其优异的机械性能和化学稳定性在材料科学领域广泛应用。作为一种高硬度陶瓷材料，TiC在切削工具制造中扮演关键角色，尤其适用于高强度加工环境。

TiC的化学与物理特性

TiC的化学式为TiC，属于单质化合物，具有典型的岩盐型晶体结构（NaCl型），其中钛原子与碳原子以共价-离子键结合。这种结构赋予TiC极高的熔点（约3160°C）和硬度（维氏硬度HV 2800-3200），仅次于金刚石和立方氮化硼（cBN）。其密度约为4.93 g/cm³，热导率高（约21-70 W/m·K），并且在高温下表现出良好的化学惰性，不易与铁基材料发生反应。

从化学角度看，TiC的稳定性源于Ti-C键的强共价性，能抵抗氧化和腐蚀。在切削工具中，这些特性转化为耐磨损、耐高温和抗化学腐蚀的能力，使其成为理想的增强相材料。TiC通常通过粉末冶金法制备，如碳热还原TiO₂与碳粉反应（TiO₂ + 3C → TiC + 2CO），所得颗粒可均匀分散于金属基体中。

TiC在切削工具中的主要形式与应用

TiC在切削工具中的应用主要体现为复合材料、涂层和独立工具三种形式，每种形式针对不同加工需求。

1. 复合硬质合金中的增强相

TiC常与碳化钧（WC）和钴（Co）共相形成TiC-WC-Co复合硬质合金。这种合金通过液相烧结工艺制备，TiC颗粒（粒径通常1-5 μm）作为分散强化相，提高整体硬度和韧性。相比纯WC-Co合金，添加5-20 wt%的TiC可显著提升耐磨性和抗崩刃性能。

具体应用包括：

• 铣削和车削工具：在加工铸铁、钢材和高硬度合金时，TiC增强的刀具能承受高速切削（>200 m/min）的热应力和机械冲击。例如，在汽车零部件加工中，TiC-WC-Co铣刀可延长工具寿命20-50%，减少换刀频率。
• 钻头和丝锥：用于深孔钻削和螺纹加工。TiC的低摩擦系数（μ ≈ 0.1-0.2）降低切削力和热量积聚，适用于加工难切削材料如钛合金和高温合金。

化学上，TiC在合金中的均匀分布依赖于其与WC的固溶性，形成连续的TiC-WC固溶体，进一步强化界面结合，避免应力集中。

2. 表面涂层技术

TiC常作为化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）涂层应用于切削工具基体（如高速钢或硬质合金）。CVD-TiC层厚度通常5-10 μm，通过TiCl₄、CH₄和H₂在800-1000°C下反应生成（TiCl₄ + CH₄ → TiC + 4HCl）。

应用优势：

• 高速切削涂层：TiC涂层工具用于干式或半干式加工，耐温可达1000°C以上，适用于航空航天领域的铝合金和复合材料切削。涂层的高化学稳定性防止工具与工件（如含硅铝合金）发生扩散反应。
• 耐磨涂层刀具：在塑料模具和冷镦模具中，TiC涂层抵抗磨粒磨损和黏附磨损。例如，TiC-PVD涂层钻头在加工高锰钢时，表面硬度可达HV 3000，工具寿命提高3-5倍。

从专业视角，TiC涂层的梯度结构（如内层TiCN过渡到外层Al₂O₃）进一步优化了残余应力和热膨胀匹配，避免涂层剥落。

3. 独立TiC基工具与陶瓷复合

纯TiC或TiC基陶瓷工具（如TiC-Ni或TiC-Al₂O₃复合）用于极端条件下的精密切削。这些工具通过热压或热等静压（HIP）烧结而成，适用于超硬材料加工。

典型应用：

• 陶瓷插片：在数控车床上用于高速精加工，如切削淬硬钢（HRC 60以上）。TiC的低热膨胀系数（α ≈ 7.7 × 10⁻⁶ /K）确保尺寸稳定性，化学惰性防止碳化物工具与工件铁元素反应生成脆性相。
• 磨削和抛光工具：TiC颗粒嵌入树脂或金属键中，形成磨轮或砂轮，用于半导体和光学材料加工。其高模量（E ≈ 450 GPa）提供刚性支撑，减少振动。

在化学加工中，TiC工具还适用于腐蚀性环境，如化工设备维修中的钛管切削，避免传统工具的氧化腐蚀。

TiC工具的优势与挑战

TiC在切削工具中的优势显而易见：硬度与韧性的平衡（断裂韧性K_IC ≈ 3.5-5 MPa·m¹/²）优于纯氧化物陶瓷；高温下保持锐利刃口，切削效率高；环境友好，无毒且可回收。然而，挑战包括脆性较高（易在冲击下微裂纹扩展）和加工难度大，需要精密控制烧结参数以避免碳化不完全（残留游离碳降低性能）。

近年来，纳米TiC（粒径<100 nm）的发展进一步扩展应用，通过表面改性（如氮化）提高界面润湿性，提升复合材料的均匀性。

结语

碳化钛作为切削工具的核心材料，以其独特的化学结构和性能，推动了现代机械加工的进步。从复合合金到先进涂层，TiC的应用不仅提高了工具耐用性和加工精度，还降低了能源消耗。