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硬質(zhì)合金刀具材料基礎(chǔ)知識

 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**號?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。

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。碳化鎢(WC)本身具有很高的硬度(超過剛玉或氧化鋁),而且在工作溫度升高時其硬度也很少下降。但是,它缺乏足夠的韌性,而這對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)超過高速鋼的硬度,同時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,通過調(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制粉工藝。

制粉工藝

碳化鎢粉是通過對鎢(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)。為了通過后續(xù)工序來控制粉體粒度,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)某種牌號硬質(zhì)合金粉料時,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,碳化鎢顆粒通過溶解再析出的過程結(jié)合和長大。在實(shí)際燒結(jié)過程中,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)(稱為液相燒結(jié))。通過添加其他過渡金屬碳化物,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)行混合碾磨時加入,盡管碳化釩和碳化鉻也可以在對碳化鎢粉進(jìn)行滲碳時形成。


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


   

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