硬質(zhì)合金刀具材料基礎(chǔ)知識(shí)

　　硬質(zhì)合金是使用廣泛的一類高速加工（HSM）刀具材料，此類材料是通過(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。

　　硬度與韌性

　　WC-Co硬質(zhì)合金在兼具硬度和韌性方面具有自身優(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，大多數(shù)WC-Co刀具和刀片采用了涂層，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初始的制粉工藝。

　　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。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，為了形成一種密實(shí)的材料，金屬結(jié)合劑要變成液態(tài)（稱為液相燒結(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)。兩種常用的碾磨技術(shù)是球磨和超微碾磨。這兩種工藝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，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，以保障其在裝入模腔時(shí)具有良好的流動(dòng)性。