硬質合金刀具材料基礎知識
硬質合金刀具材料基礎知識
硬質合金是 使用最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的，由硬質碳化物（通常為碳化鎢WC）顆粒和質地較軟的金屬結合劑組成。目 前，有數百種不同成分的WC基硬質合金，它們中大部分都采用鈷（Co）作為結合劑，鎳（Ni）和鉻（Cr）也是常用的結合劑元素，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合金牌號？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硬質合金在兼具硬度和韌性方面具有獨到優勢。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，人們利用金屬結合劑將碳化鎢結合在一起，從而使這種 材料既具有遠遠超過高速鋼的硬度，同時又能夠承受在大多數切削加工中的切削力。此外，它還能承受高速加工所產生的切削高溫。
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。但實際上，正是WC-Co材料的高彈性系數（衡量剛度的指標，WC-Co的室溫彈性系數約為高速鋼的三倍）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，但也可以在生產硬質合金粉體時，通過調整材料成分和 微觀結構而定制材料性能。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
碳化鎢粉是通過對鎢（W）粉進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。化學控制也至關重要， 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，通過這些組合的變化，可以產生各種不同的碳化鎢粉。例如，碳化鎢粉生 產商ATI Alldyne公司共生產23種標準牌號的碳化鎢粉，而根據用戶要求定制的碳化鎢粉品種可達標準牌號碳化鎢粉的5倍以上。
在將碳化鎢粉與金屬結合劑一起進行混合碾磨以生產某種牌號硬質合金粉料時，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，進一步改良金屬結合劑。例如，在WC-Co硬質合金中添加釕，可在不 降低其硬度的前提下顯著提高其韌性。增加結合劑的含量也可以提高硬質合金的韌性，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，但在燒結工藝中，碳化鎢的粒度必須保持不變。燒結時，碳化鎢顆粒通過溶解再析出的過程結合和長大。在實際燒結過 程中，為了形成一種完全密實的材料，金屬結合劑要變成液態（稱為液相燒結）。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合劑一起進行混合碾磨時 加入，盡管碳化釩和碳化鉻也可以在對碳化鎢粉進行滲碳時形成。
利用回收的廢舊硬質合金材料也可以生產牌號碳化鎢粉料。廢舊硬質合金的回收和再利用在硬質合金行業已有很長歷史，是該行業整個經濟鏈的一個重要組成部分， 它有助于降低材料成本、節約自然資源和避免對廢棄材料進行無害化處置。廢舊硬質合金一般可通過APT（仲鎢酸銨）工藝、鋅回收工藝或通過粉碎后進行再利 用。這些“再生”碳化鎢粉通常具有更好的、可預測的致密性，因為其表面積比直接通過鎢滲碳工藝制成的碳化鎢粉更小。
碳化鎢粉與金屬結合劑混合碾磨的加工條件也是至關重要的工藝參數。兩種最常用的碾磨技術是球磨和超微碾磨。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度，能保持工件形狀，并使操作者或機械手能拿起工件進行操作，在碾磨時通常還需要添加一種有機結合劑。這種結合 劑的化學成分可以影響壓制成工件的密度和強度。為了有利于操作，最好添加高強度的結合劑，但這樣會導致壓制密度較低，并可能會產生硬塊，造成在最后成品中 存在缺陷。
完成碾磨后，通常會對粉料進行噴霧干燥，產生由有機結合劑凝聚在一起的自由流動團塊。通過調整有機結合劑的成分，可以根據需要定制這些團塊的流動性和裝料密度。通過篩選出較粗或較細的顆粒，還可以進一步定制團塊的粒度分布，以確保其在裝入模腔時具有良好的流動性。
工件制造
硬質合金工件可采用多種工藝方法成型。根據工件的尺寸、形狀復雜水平和生產批量，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， 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（質量和體積）都完全相同。粉料的流動性主要通過團塊的尺寸分布和有機結合劑的特性來控制。通 過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“坯件”）。
即便在極高的成型壓力下，堅硬的碳化鎢顆粒也不會變形或破碎，而有機結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 化鎢顆粒的結合就越緊密，工件的壓制密度就越大。牌號硬質合金粉料的模壓特性可能各不相同，取決于金屬結合劑的含量、碳化鎢顆粒的尺寸和形狀、形成團塊的 程度，以及有機結合劑的成分和添加量。為了提供有關牌號硬質合金粉料壓制特性的量化信息，通常由粉料生產商來設計構建模壓密度與成型壓力的對應關系。這種 信息可確保提供的粉料與刀具制造商的模壓工藝協調一致。
大尺寸硬質合金工件或具有高長寬比的硬質合金工件（如立銑刀和鉆頭的刀桿）通常采用在一個柔性料袋中均衡壓制牌號硬質合金粉料來制造。雖然均衡壓制法的生產周期比模壓法要長一些，但刀具的制造成本較低，因此該方法更適合小批量生產。
這種工藝方法是將粉料裝入料袋中，并將袋口密封，然后將裝滿粉料的料袋置于一個腔室中，通過液壓裝置施加30－60ksi的壓力進行壓制。壓制成的工件通 常要在燒結之前加工成特定的幾何形狀。料袋的尺寸被加大，以適應壓緊過程中的工件收縮，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行加工，因 此對裝料一致性的要求不像模壓法那樣嚴格，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小，就可能導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廢。如果粉料的裝料密度過大，裝入料袋的粉料過多，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廢的 工件都可以回收再用，但這樣做畢竟會降低生產效率。
硬質合金工件還可以利用擠出模或注射模進行成型加工。擠出成型工藝更適合軸對稱形狀工件的大批量生產，而注射成型工藝通常用于復雜形狀工件的大批量生產。 在這兩種成型工藝中，牌號硬質合金粉末懸浮在有機結合劑中，結合劑賦予硬質合金混合料像牙膏那樣的均勻一致性。然后，混合料或者通過一個孔被擠出成型，或 者被注入一個模腔中成型。牌號硬質合金粉料的特性決定了混合料中粉末與結合劑的最佳比例，并對混合料通過擠出孔或注入模腔的流動性具有重要影響。
當工件通過模壓法、均衡壓制法、擠出模或注射模成型法成型后，在最終燒結階段之前，需要從工件中去除有機結合劑。燒結可以去除工件中的孔隙，使其變得完全 （或基本上）密實。在燒結時，壓制成型的工件中的金屬結合劑變成液體，但在毛細作用力和顆粒聯系的共同作用下，工件仍然能夠保持其形狀。
在燒結后，工件的幾何形狀保持不變，但尺寸會縮小。為了在燒結后得到所要求的工件尺寸，在設計刀具時就需要考慮其收縮率。在設計用于制造每種刀具的牌號硬質合金粉料時，都必須保證其在適當壓力下壓緊時具有正確的收縮率。
幾乎在所有情況下，都需要對燒結后的工件進行燒結后處理。對切削刀具最基本的處理方式是刃磨切削刃。許多刀具在燒結后還需要對其幾何形狀和尺寸進行磨削加 工。有些刀具需要磨削頂部和底部；另一些刀具則需要進行外周磨削（需要或無需刃磨切削刃）。磨削產生的所有硬質合金磨屑都可以回收再利用。
工件涂層
在許多情況下，成品工件需要進行涂層。涂層能夠提供潤滑性和增加硬度，還能為基體提供擴散屏障，使其暴露于高溫下時可防止氧化。硬質合金基體對于涂層的性 能至關重要。除了定制基體粉料的主要特性以外，還可以通過化學選擇和改變燒結方法定制基體的表面特性。通過鈷的遷移，可在刀片表面最外層20－30μm厚 度內富集相對于工件其余部位更多的鈷，從而賦予基體表層更好的強韌性，使其具有較強的抗變形能力。
刀具制造商基于自己的制造工藝（如脫蠟方法、加熱速度、燒結時間、溫度和滲碳電壓），可能會對使用的牌號硬質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工件，而另一些刀具制造商則可能使用熱等靜壓（HIP）燒結爐（它是在工藝循環臨近結束時才對工件加壓，以消除任何殘留孔隙）。在真空 爐中燒結的工件可能還需要通過另外的工序進行熱等靜壓處理，以提高工件密度。有些刀具制造商可能會采用較高的真空燒結溫度，以提高具有較低鈷含量混合料的 燒結密度，但這種方法可能會使其顯微結構變得粗大。為了保持細小的晶粒尺寸，可以選用碳化鎢顆粒尺寸較小的粉料。為了與特定的生產設備相匹配，脫蠟條件和 滲碳電壓對硬質合金粉料中碳含量的高低也有不同的要求。
所有這些因素都會對燒結出的硬質合金刀具的顯微結構和材料性能產生至關重要的影響，因此，在刀具制造商與粉料提供商之間需要進行密切的溝通，以確保根據刀 具制造商的生產工藝定制牌號硬質合金粉料。因此，有數百種不同的硬質合金粉料牌號也就不足為奇了。例如，ATI Alldyne公司生產的不同粉料牌號就超過600種，其中每一種牌號都是針對目標用戶和特定用途而專門設計的。
牌號分類
不同種類的碳化鎢粉、混合料成分和金屬結合劑含量、晶粒長大抑制劑的類型和用量等的組合變化，構成了形形色色的硬質合金牌號。這些參數將決定硬質合金的顯 微結構及其特性。某些特定的性能組合已成為一些特定加工用途的首選，從而使對多種硬質合金牌號進行分類具有了意義。
兩種最常用的、面向加工用途的硬質合金分類體系分別為C牌號體系和ISO牌號體系。盡管這兩種體系都不能完全反映影響硬質合金牌號選擇的材料特性，但它們 提供了一個探討的起點。對于每種分類法，許多制造商都有它們自己的特殊牌號，由此產生了形形色色、五花八門的各種硬質合金牌號
硬質合金牌號還可以按照成分來分類。碳化鎢（WC）牌號可分為三種基本類型：單純型、微晶型和合金型。單純型牌號主要由碳化鎢和鈷結合劑構成，但其中也可 能含有少量晶粒長大抑制劑。微晶型牌號由碳化鎢和添加了幾千分之一碳化釩（VC）和（或）碳化鉻（Cr3C2）的鈷結合劑構成，其晶粒尺寸可達到1μm以 下。合金型牌號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）的鈷結合劑構成，這些添加物又稱為立方碳化物，因為其燒 結后的顯微結構呈現出不均勻的三相結構。
（1）單純型硬質合金牌號
用于金屬切削加工的此類牌號通常含有3％－12％的鈷（重量比）。碳化鎢晶粒的尺寸范圍通常在1－8μm之間。與其他牌號一樣，減小碳化鎢的粒度可以提高 其硬度和橫向斷裂強度（TRS），但會降低其韌性。單純型牌號的硬度通常在HRA89－93.5之間；橫向斷裂強度通常在175－350ksi之間。此類 牌號的粉料中可能含有大量回收再用的原料。
單純型牌號在C牌號體系中可分為C1－C4，在ISO牌號體系中可按K、N、S和H牌號系列進行分類。具有中間特性的單純型牌號可以歸類為通用牌號（如 C2或K20），可用于車削、銑削、刨削和鏜削加工；晶粒尺寸較小或鈷含量較低、硬度較高的牌號可以歸類為精加工牌號（如C4或K01）；晶粒尺寸較大或 鈷含量較高、韌性較好的牌號可以歸類為粗加工牌號（如C1或K30）。
用單純型牌號制造的刀具可用于切削加工鑄鐵、200和300系列不銹鋼、鋁和其他有色金屬、高溫合金和淬硬鋼。此類牌號還能應用于非金屬切削領域（如作為 巖石和地質鉆探工具），這些牌號的晶粒尺寸范圍在1.5－10μm（或更大），鈷含量為6％－16％。單純型硬質合金牌號的另一種非金屬切削類用途是制造 模具和沖頭，這些牌號通常具有中等大小的晶粒尺寸，鈷含量為16％－30％。
（2）微晶型硬質合金牌號
此類牌號通常含有6％－15％的鈷。在液相燒結時，添加的碳化釩和（或）碳化鉻可以控制晶粒長大，從而獲得粒度小于1μm的細晶粒結構。這種微細晶粒牌號 具有非常高的硬度和500ksi以上的橫向斷裂強度。高強度與足夠的韌性相結合，使此類牌號的刀具可以采用更大的正前角，從而能通過切削而不是推擠金屬材 料來減小切削力和產生較薄的切屑。
通過在牌號硬質合金粉料的生產中對各種原材料進行嚴格的品質鑒定，以及對燒結工藝條件實施嚴格的控制，防止在材料顯微結構中形成非正常的大晶粒，就能獲得 適當的材料性能。為了保持晶粒尺寸細小且均勻一致，只有在能對原料和回收工藝進行全面控制，以及實施廣泛質量檢測的情況下，才能使用回收的再生粉料。
微晶型牌號可在ISO牌號體系中可按M牌號系列進行分類，除此以外，在C牌號體系和ISO牌號體系中的其他分類方法與單純型牌號相同。微晶牌號可用于制造切削較軟工件材料的刀具，因為這種刀具的表面可以加工得非常光滑，并能保持極其鋒利的切削刃。
微晶牌號刀具還能用于加工鎳基超級合金，因為這種刀具能夠承受高達1200℃的切削溫度。對于高溫合金和其他特殊材料的加工，采用微晶牌號刀具和含釕的單 純牌號刀具，能夠同時提高其耐磨性、抗變形能力和韌性。微晶牌號還適合制造會產生剪切應力的旋轉刀具（如鉆頭）。有一種鉆頭采用復合牌號的硬質合金制造， 在同一支鉆頭的特定部位，材料中的鈷含量各不相同，從而根據加工需要優化了鉆頭的硬度和韌性。
（3）合金型硬質合金牌號
此類牌號主要用于切削加工鋼件，其鈷含量通常為5％－10％，晶粒尺寸范圍為0.8－2μm。通過添加4％－25％的碳化鈦（TiC），可以減小碳化鎢 （WC）擴散到鋼屑表面的傾向。通過添加不超過25％的碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC），可以改善刀具的強度、抗月牙洼磨損能力和耐熱沖擊性。添加此 類立方碳化物還能提高刀具的紅硬性，在重載切削或切削刃會產生高溫的其他加工中，有助于避免刀具發生熱變形。此外，碳化鈦在燒結過程中能提供成核位置，改 善立方碳化物在工件中的分布均勻性。
一般來說，合金型硬質合金牌號的硬度范圍為HRA91－94，橫向斷裂強度為150－300ksi。與單純型牌號相比，合金型牌號的耐磨料磨損性能較差， 且強度較低，但其耐粘結磨損的性能更好。合金型牌號在C牌號體系中可分為C5－C8，在ISO牌號體系中可按P和M牌號系列進行分類。具有中間特性的合金 型牌號可以歸類為通用牌號（如C6或P30），可用于車削、攻絲、刨削和銑削加工。硬度最高的牌號可以歸類為精加工牌號（如C8和P01），用于精車和鏜 削加工。這些牌號通常具有較小的晶粒尺寸和較低的鈷含量，以獲得所需要的硬度和耐磨性。不過，通過添加較多的立方碳化物也能獲得類似的材料特性。韌性最好 的牌號可以歸類為粗加工牌號（如C5或P50）。這些牌號通常具有中等大小的粒度和高鈷含量，立方碳化物的添加量也較少，以通過抑制裂紋擴展而獲得所需要 的韌性。在斷續車削加工中，通過采用上述刀具表面具有較高鈷含量的富鈷牌號，還可以進一步提高切削性能。
碳化鈦含量較低的合金型牌號用于切削加工不銹鋼和可鍛鑄鐵，但也可用于加工有色金屬（如鎳基超級合金）。這些牌號的晶粒尺寸通常小于1μm，鈷含量為 8％－12％。硬度較高的牌號（如M10）可用于車削加工可鍛鑄鐵；而韌性較好的牌號（如M40）可用于銑削和刨削鋼件，或者用于車削不銹鋼或超級合金。
合金型硬質合金牌號還能用于非金屬切削類用途，主要用于制造耐磨零件。這些牌號的粒度通常為1.2－2μm，鈷含量為7％－10％。在生產這些牌號時，通 常會加入很大比例的回收原料，從而在耐磨零件的應用中獲得較高的成本效益。耐磨零件需要具有很好的耐腐蝕性和較高的硬度，在生產此類牌號時，可以通過添加 鎳和碳化鉻來獲得這些性能。
為了滿足刀具制造商在技術性和經濟性上的雙重要求，硬質合金粉料是關鍵要素。針對刀具制造商的加工設備和工藝參數而設計的粉料可確保成品工件的性能，并導 致出現了數百種硬質合金牌號。硬質合金材料可循環利用的特點以及可直接與粉料提供商合作的能力，使刀具制造商能夠有效控制其產品質量和材料成本。
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