硬質(zhì)合金刀具材料基礎(chǔ)知識(shí)

硬質(zhì)合金是 使用最廣泛的一類(lèi)高速加工（HSM）刀具材料，此類(lèi)材料是通過(guò)粉末冶金工藝生產(chǎn)的，由硬質(zhì)碳化物（通常為碳化鎢WC）顆粒和質(zhì)地較軟的金屬結(jié)合劑組成。目 前，有數(shù)百種不同成分的WC基硬質(zhì)合金，它們中大部分都采用鈷（Co）作為結(jié)合劑，鎳（Ni）和鉻（Cr）也是常用的結(jié)合劑元素，另外還可以添加其他一些 合金元素。為什么有如此之多的硬質(zhì)合金牌號(hào)？刀具制造商如何為某種特定的切削加工選擇正確的刀具材料？為了回答這些問(wèn)題，首先讓我們了解一下使硬質(zhì)合金成 為一種理想刀具材料的各種特性。

    硬度與韌性

    WC-Co硬質(zhì)合金在兼具硬度和韌性方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。碳化鎢（WC）本身具有很高的硬度（超過(guò)剛玉或氧化鋁），而且在工作溫度升高時(shí)其硬度也很少下降。 但是，它缺乏足夠的韌性，而這對(duì)于切削刀具是必不可少的性能。為了利用碳化鎢的高硬度，并改善其韌性，人們利用金屬結(jié)合劑將碳化鎢結(jié)合在一起，從而使這種 材料既具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)高速鋼的硬度，同時(shí)又能夠承受在大多數(shù)切削加工中的切削力。此外，它還能承受高速加工所產(chǎn)生的切削高溫。

    如今，幾乎所有的WC-Co刀具和刀片都采用了涂層， 因此，基體材料的作用似乎顯得不太重要了。但實(shí)際上，正是WC-Co材料的高彈性系數(shù)（衡量剛度的指標(biāo)，WC-Co的室溫彈性系數(shù)約為高速鋼的三倍）為涂 層提供了不變形的基底。WC-Co基體還能提供所需要的韌性。這些性能都是WC-Co材料的基本特性，但也可以在生產(chǎn)硬質(zhì)合金粉體時(shí)，通過(guò)調(diào)整材料成分和 微觀結(jié)構(gòu)而定制材料性能。因此，刀具性能與特定加工的適配性在很大程度上取決于最初的制粉工藝。

    制粉工藝

    碳化鎢粉是通過(guò)對(duì)鎢（W）粉進(jìn)行滲碳處理而獲得的。碳化鎢粉的特性（尤其是其粒度）主要取決于原料鎢粉的粒度以及滲碳的溫度和時(shí)間�；瘜W(xué)控制也至關(guān)重要， 碳含量必須保持恒定（接近重量比為6.13％的理論配比值）。為了通過(guò)后續(xù)工序來(lái)控制粉體粒度，可以在滲碳處理之前添加少量的釩和/或鉻。不同的下游工藝 條件和不同的最終加工用途需要采用特定的碳化鎢粒度、碳含量、釩含量和鉻含量的組合，通過(guò)這些組合的變化，可以產(chǎn)生各種不同的碳化鎢粉。例如，碳化鎢粉生 產(chǎn)商ATI Alldyne公司共生產(chǎn)23種標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的碳化鎢粉，而根據(jù)用戶(hù)要求定制的碳化鎢粉品種可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)碳化鎢粉的5倍以上。

    在將碳化鎢粉與金屬結(jié)合劑一起進(jìn)行混合碾磨以生產(chǎn)某種牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料時(shí)，可以采用各種不同的組合方式。最常用的鈷含量為3%－25%（重量比），而在需 要增強(qiáng)刀具抗腐蝕性的情況下，則需要加入鎳和鉻。此外，還可以通過(guò)添加其他合金成分，進(jìn)一步改良金屬結(jié)合劑。例如，在WC-Co硬質(zhì)合金中添加釕，可在不 降低其硬度的前提下顯著提高其韌性。增加結(jié)合劑的含量也可以提高硬質(zhì)合金的韌性，但卻會(huì)降低其硬度。

    減小碳化鎢顆粒的尺寸可以提高材料的硬度，但在燒結(jié)工藝中，碳化鎢的粒度必須保持不變。燒結(jié)時(shí)，碳化鎢顆粒通過(guò)溶解再析出的過(guò)程結(jié)合和長(zhǎng)大。在實(shí)際燒結(jié)過(guò) 程中，為了形成一種完全密實(shí)的材料，金屬結(jié)合劑要變成液態(tài)（稱(chēng)為液相燒結(jié)）。通過(guò)添加其他過(guò)渡金屬碳化物，包括碳化釩（VC）、碳化鉻（Cr3C2）、碳 化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC），可以控制碳化鎢顆粒的長(zhǎng)大速度。這些金屬碳化物通常是在將碳化鎢粉與金屬結(jié)合劑一起進(jìn)行混合碾磨時(shí) 加入，盡管碳化釩和碳化鉻也可以在對(duì)碳化鎢粉進(jìn)行滲碳時(shí)形成。

    利用回收的廢舊硬質(zhì)合金材料也可以生產(chǎn)牌號(hào)碳化鎢粉料。廢舊硬質(zhì)合金的回收和再利用在硬質(zhì)合金行業(yè)已有很長(zhǎng)歷史，是該行業(yè)整個(gè)經(jīng)濟(jì)鏈的一個(gè)重要組成部分， 它有助于降低材料成本、節(jié)約自然資源和避免對(duì)廢棄材料進(jìn)行無(wú)害化處置。廢舊硬質(zhì)合金一般可通過(guò)APT（仲鎢酸銨）工藝、鋅回收工藝或通過(guò)粉碎后進(jìn)行再利 用。這些“再生”碳化鎢粉通常具有更好的、可預(yù)測(cè)的致密性，因?yàn)槠浔砻娣e比直接通過(guò)鎢滲碳工藝制成的碳化鎢粉更小。

    碳化鎢粉與金屬結(jié)合劑混合碾磨的加工條件也是至關(guān)重要的工藝參數(shù)。兩種最常用的碾磨技術(shù)是球磨和超微碾磨。這兩種工藝都能使碾磨的粉料均勻混合，并能減小 顆粒尺寸。為使以后壓制的工件具有足夠的強(qiáng)度，能保持工件形狀，并使操作者或機(jī)械手能拿起工件進(jìn)行操作，在碾磨時(shí)通常還需要添加一種有機(jī)結(jié)合劑。這種結(jié)合 劑的化學(xué)成分可以影響壓制成工件的密度和強(qiáng)度。為了有利于操作，最好添加高強(qiáng)度的結(jié)合劑，但這樣會(huì)導(dǎo)致壓制密度較低，并可能會(huì)產(chǎn)生硬塊，造成在最后成品中 存在缺陷。

    完成碾磨后，通常會(huì)對(duì)粉料進(jìn)行噴霧干燥，產(chǎn)生由有機(jī)結(jié)合劑凝聚在一起的自由流動(dòng)團(tuán)塊。通過(guò)調(diào)整有機(jī)結(jié)合劑的成分，可以根據(jù)需要定制這些團(tuán)塊的流動(dòng)性和裝料密度。通過(guò)篩選出較粗或較細(xì)的顆粒，還可以進(jìn)一步定制團(tuán)塊的粒度分布，以確保其在裝入模腔時(shí)具有良好的流動(dòng)性。

    工件制造

    硬質(zhì)合金工件可采用多種工藝方法成型。根據(jù)工件的尺寸、形狀復(fù)雜水平和生產(chǎn)批量，大部分切削刀片都是采用頂壓和底壓式剛性模具模壓成型。在每一次壓制時(shí)， 為了保持工件重量和尺寸的一致性，必須保證流入模腔的粉料量（質(zhì)量和體積）都完全相同。粉料的流動(dòng)性主要通過(guò)團(tuán)塊的尺寸分布和有機(jī)結(jié)合劑的特性來(lái)控制。通 過(guò)在裝入模腔的粉料上施加10－80ksi（千磅/平方英尺）的成型壓力，就可以形成模壓工件（或稱(chēng)“坯件”）。

    即便在極高的成型壓力下，堅(jiān)硬的碳化鎢顆粒也不會(huì)變形或破碎，而有機(jī)結(jié)合劑卻被壓入碳化鎢顆粒之間的縫隙之中，從而起到固定顆粒位置的作用。壓力越高，碳 化鎢顆粒的結(jié)合就越緊密，工件的壓制密度就越大。牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料的模壓特性可能各不相同，取決于金屬結(jié)合劑的含量、碳化鎢顆粒的尺寸和形狀、形成團(tuán)塊的 程度，以及有機(jī)結(jié)合劑的成分和添加量。為了提供有關(guān)牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料壓制特性的量化信息，通常由粉料生產(chǎn)商來(lái)設(shè)計(jì)構(gòu)建模壓密度與成型壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種 信息可確保提供的粉料與刀具制造商的模壓工藝協(xié)調(diào)一致。

    大尺寸硬質(zhì)合金工件或具有高長(zhǎng)寬比的硬質(zhì)合金工件（如立銑刀和鉆頭的刀桿）通常采用在一個(gè)柔性料袋中均衡壓制牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料來(lái)制造。雖然均衡壓制法的生產(chǎn)周期比模壓法要長(zhǎng)一些，但刀具的制造成本較低，因此該方法更適合小批量生產(chǎn)。

    這種工藝方法是將粉料裝入料袋中，并將袋口密封，然后將裝滿(mǎn)粉料的料袋置于一個(gè)腔室中，通過(guò)液壓裝置施加30－60ksi的壓力進(jìn)行壓制。壓制成的工件通 常要在燒結(jié)之前加工成特定的幾何形狀。料袋的尺寸被加大，以適應(yīng)壓緊過(guò)程中的工件收縮，并為磨削加工提供足夠的余量。由于工件在壓制成型后要進(jìn)行加工，因 此對(duì)裝料一致性的要求不像模壓法那樣嚴(yán)格，但是，仍然希望能保證每一次裝入料袋的粉料量相同。如果粉料的裝料密度過(guò)小，就可能導(dǎo)致裝入料袋的粉料不足，從 而造成工件尺寸偏小而不得不報(bào)廢。如果粉料的裝料密度過(guò)大，裝入料袋的粉料過(guò)多，工件在壓制成型后就需要加工去除更多的粉料。盡管去除的多余粉料和報(bào)廢的 工件都可以回收再用，但這樣做畢竟會(huì)降低生產(chǎn)效率。

    硬質(zhì)合金工件還可以利用擠出�；蜃⑸淠＿M(jìn)行成型加工。擠出成型工藝更適合軸對(duì)稱(chēng)形狀工件的大批量生產(chǎn)，而注射成型工藝通常用于復(fù)雜形狀工件的大批量生產(chǎn)。 在這兩種成型工藝中，牌號(hào)硬質(zhì)合金粉末懸浮在有機(jī)結(jié)合劑中，結(jié)合劑賦予硬質(zhì)合金混合料像牙膏那樣的均勻一致性。然后，混合料或者通過(guò)一個(gè)孔被擠出成型，或 者被注入一個(gè)模腔中成型。牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料的特性決定了混合料中粉末與結(jié)合劑的最佳比例，并對(duì)混合料通過(guò)擠出孔或注入模腔的流動(dòng)性具有重要影響。

    當(dāng)工件通過(guò)模壓法、均衡壓制法、擠出�；蜃⑸淠３尚头ǔ尚秃�，在最終燒結(jié)階段之前，需要從工件中去除有機(jī)結(jié)合劑。燒結(jié)可以去除工件中的孔隙，使其變得完全 （或基本上）密實(shí)。在燒結(jié)時(shí)，壓制成型的工件中的金屬結(jié)合劑變成液體，但在毛細(xì)作用力和顆粒聯(lián)系的共同作用下，工件仍然能夠保持其形狀。

    在燒結(jié)后，工件的幾何形狀保持不變，但尺寸會(huì)縮小。為了在燒結(jié)后得到所要求的工件尺寸，在設(shè)計(jì)刀具時(shí)就需要考慮其收縮率。在設(shè)計(jì)用于制造每種刀具的牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料時(shí)，都必須保證其在適當(dāng)壓力下壓緊時(shí)具有正確的收縮率。

    幾乎在所有情況下，都需要對(duì)燒結(jié)后的工件進(jìn)行燒結(jié)后處理。對(duì)切削刀具最基本的處理方式是刃磨切削刃。許多刀具在燒結(jié)后還需要對(duì)其幾何形狀和尺寸進(jìn)行磨削加 工。有些刀具需要磨削頂部和底部；另一些刀具則需要進(jìn)行外周磨削（需要或無(wú)需刃磨切削刃）。磨削產(chǎn)生的所有硬質(zhì)合金磨屑都可以回收再利用。

    工件涂層

    在許多情況下，成品工件需要進(jìn)行涂層。涂層能夠提供潤(rùn)滑性和增加硬度，還能為基體提供擴(kuò)散屏障，使其暴露于高溫下時(shí)可防止氧化。硬質(zhì)合金基體對(duì)于涂層的性 能至關(guān)重要。除了定制基體粉料的主要特性以外，還可以通過(guò)化學(xué)選擇和改變燒結(jié)方法定制基體的表面特性。通過(guò)鈷的遷移，可在刀片表面最外層20－30μm厚 度內(nèi)富集相對(duì)于工件其余部位更多的鈷，從而賦予基體表層更好的強(qiáng)韌性，使其具有較強(qiáng)的抗變形能力。

    刀具制造商基于自己的制造工藝（如脫蠟方法、加熱速度、燒結(jié)時(shí)間、溫度和滲碳電壓），可能會(huì)對(duì)使用的牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料提出一些特殊要求。有些刀具制造商可 能是在真空爐中燒結(jié)工件，而另一些刀具制造商則可能使用熱等靜壓（HIP）燒結(jié)爐（它是在工藝循環(huán)臨近結(jié)束時(shí)才對(duì)工件加壓，以消除任何殘留孔隙）。在真空 爐中燒結(jié)的工件可能還需要通過(guò)另外的工序進(jìn)行熱等靜壓處理，以提高工件密度。有些刀具制造商可能會(huì)采用較高的真空燒結(jié)溫度，以提高具有較低鈷含量混合料的 燒結(jié)密度，但這種方法可能會(huì)使其顯微結(jié)構(gòu)變得粗大。為了保持細(xì)小的晶粒尺寸，可以選用碳化鎢顆粒尺寸較小的粉料。為了與特定的生產(chǎn)設(shè)備相匹配，脫蠟條件和 滲碳電壓對(duì)硬質(zhì)合金粉料中碳含量的高低也有不同的要求。

    所有這些因素都會(huì)對(duì)燒結(jié)出的硬質(zhì)合金刀具的顯微結(jié)構(gòu)和材料性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此，在刀具制造商與粉料提供商之間需要進(jìn)行密切的溝通，以確保根據(jù)刀 具制造商的生產(chǎn)工藝定制牌號(hào)硬質(zhì)合金粉料。因此，有數(shù)百種不同的硬質(zhì)合金粉料牌號(hào)也就不足為奇了。例如，ATI Alldyne公司生產(chǎn)的不同粉料牌號(hào)就超過(guò)600種，其中每一種牌號(hào)都是針對(duì)目標(biāo)用戶(hù)和特定用途而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。

    牌號(hào)分類(lèi)

    不同種類(lèi)的碳化鎢粉、混合料成分和金屬結(jié)合劑含量、晶粒長(zhǎng)大抑制劑的類(lèi)型和用量等的組合變化，構(gòu)成了形形色色的硬質(zhì)合金牌號(hào)。這些參數(shù)將決定硬質(zhì)合金的顯 微結(jié)構(gòu)及其特性。某些特定的性能組合已成為一些特定加工用途的首選，從而使對(duì)多種硬質(zhì)合金牌號(hào)進(jìn)行分類(lèi)具有了意義。

    兩種最常用的、面向加工用途的硬質(zhì)合金分類(lèi)體系分別為C牌號(hào)體系和ISO牌號(hào)體系。盡管這兩種體系都不能完全反映影響硬質(zhì)合金牌號(hào)選擇的材料特性，但它們 提供了一個(gè)探討的起點(diǎn)。對(duì)于每種分類(lèi)法，許多制造商都有它們自己的特殊牌號(hào)，由此產(chǎn)生了形形色色、五花八門(mén)的各種硬質(zhì)合金牌號(hào)

    硬質(zhì)合金牌號(hào)還可以按照成分來(lái)分類(lèi)。碳化鎢（WC）牌號(hào)可分為三種基本類(lèi)型：?jiǎn)渭冃汀⑽⒕�型和合金��。單純型牌�?hào)主要由碳化鎢和鈷結(jié)合劑構(gòu)成，但其中也可 能含有少量晶粒長(zhǎng)大抑制劑。微晶型牌號(hào)由碳化鎢和添加了幾千分之一碳化釩（VC）和（或）碳化鉻（Cr3C2）的鈷結(jié)合劑構(gòu)成，其晶粒尺寸可達(dá)到1μm以 下。合金型牌號(hào)則是由碳化鎢和含有百分之幾碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC）的鈷結(jié)合劑構(gòu)成，這些添加物又稱(chēng)為立方碳化物，因?yàn)槠錈?/FONT> 結(jié)后的顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不均勻的三相結(jié)構(gòu)。