硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展思路

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應(yīng)用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、納米粉復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)全面提高硬質(zhì)合金刀具材料的硬度、韌性等綜合性能，是硬質(zhì)合金刀具材料研究今后發(fā)展的重要方向。

1.晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

a. 增韌機(jī)理

由于硬質(zhì)合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此很難應(yīng)用于一些對(duì)刀具韌性要求較高的加工場(chǎng)合(如微型深孔鉆削等)。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

加入硬質(zhì)合金材料中的晶須能吸收裂紋擴(kuò)展的能量，吸收能量的大小則由晶須與基體的結(jié)合狀態(tài)決定。晶須增韌機(jī)制主要表現(xiàn)為：①晶須拔出增韌：晶須在外界負(fù)載作用下從基質(zhì)中拔出時(shí)，因界面摩擦而消耗掉一部分外界負(fù)載能量，從而達(dá)到增韌目的，其增韌效果受晶須與界面滑動(dòng)阻力的影響。晶須與基體界面之間必須有足夠的結(jié)合力，以使外界負(fù)載能有效傳遞給晶須，但該結(jié)合力又不能太大，以便保持足夠的拔出長(zhǎng)度。②裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相時(shí)，裂紋將偏離原來的前進(jìn)方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)展。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有更大的斷裂表面，因此可吸收更多外界能量，從而起到增韌作用。在基質(zhì)內(nèi)加入高彈性模量的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制。③晶須橋接增韌：當(dāng)基質(zhì)斷裂時(shí)，晶須可承受外界載荷并在斷開的裂紋面之間起到橋梁連接作用。橋接的晶須可對(duì)基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。

b. 晶須的選用及添加方式

目前常用的晶須材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化硼、莫來石等。但研究重點(diǎn)應(yīng)放在單晶SiC晶須材料上，這是由于SiC本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀(針狀)SiC粉末體較易獲得。

SiC晶須的添加方式主要有兩種：①外加晶須方式：將一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮化物等為基體的粉末材料中，通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方式目前使用較廣泛。②合成晶須方式：將粉末基體與SiO2、碳黑、燒結(jié)助劑等混合后，在一定溫度和壓力下合成SiCw晶須，然后通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方法目前尚在進(jìn)一步研究開發(fā)之中。一般選用SiCw晶須的直徑范圍為0.01——3μm，長(zhǎng)度范圍為0.1——300μm，晶須的長(zhǎng)徑比取值為10，SiCw晶須添加量為5%——40%。我國(guó)目前使用的SiCw晶須特性見表1。

c.晶須的取向與含量

晶須增韌硬質(zhì)合金材料熱壓成形后，晶須的分布呈現(xiàn)出明顯的方向性，在不同方向上因晶須取向不同而表現(xiàn)出不同的增韌效果。因此，在制造硬質(zhì)合金刀片時(shí)應(yīng)考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊憽４送猓?/SPAN>WC-Co-SiCw材料中的晶須含量不同，其增韌效果也有較大差異。如晶須含量過多，會(huì)因燒結(jié)困難而難以獲得致密度高的材料組織，從而影響硬質(zhì)合金材料強(qiáng)度；如晶須含量過少，則晶須增韌效果不明顯，材料斷裂韌性提高有限，晶須可能非但起不到增韌作用，反而成為多余夾雜物甚至缺陷源。因此，存在一個(gè)最佳晶須配比，按此配比添加晶須，不僅可獲得致密度高的材料，而且外載能通過界面?zhèn)鹘o晶須，有效實(shí)現(xiàn)晶須的增韌作用。為達(dá)此目的，應(yīng)根據(jù)刀具損壞方式的不同，分別優(yōu)選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的WC-Co-SiCw刀具進(jìn)行切削加工，以充分實(shí)現(xiàn)這種刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用。

2.納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)

a.強(qiáng)化機(jī)理

納米技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)。當(dāng)材料的晶粒尺寸達(dá)到納米級(jí)，就會(huì)產(chǎn)生許多特異性能。由于納米材料具有較大界面，界面上的原子排列相當(dāng)混亂，在外力變形條件下極易遷移，因此使材料表現(xiàn)出良好的韌性與延展性。納米刀具材料的顯微結(jié)構(gòu)物相具有納米級(jí)尺度，由于尺寸效應(yīng)的作用，晶界面積增大，抗裂紋擴(kuò)張阻力提高，從而可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能(如斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度、硬度等)，表現(xiàn)出良好的切削性能。

由于生產(chǎn)工藝不成熟、價(jià)格昂貴以及燒結(jié)過程中納米晶粒容易發(fā)生瘋長(zhǎng)等原因，迄今世界上還沒有一家公司實(shí)現(xiàn)100nm粒度硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，納米硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化應(yīng)用還有待時(shí)日。但是人們發(fā)現(xiàn)，在細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基體中加入納米顆粒，也可使硬質(zhì)合金基體材料的硬度、韌性等綜合性能有較大提高。因此，采用納米復(fù)合強(qiáng)化是改善細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料性能的有效途徑。

納米復(fù)合強(qiáng)化機(jī)理主要是因?yàn)閺浬⒃谟操|(zhì)合金基體材料中的納米顆粒具有彌散增韌作用。當(dāng)在基質(zhì)材料中加入高彈性模量的第二相粒子(納米顆粒)后，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉伸作用時(shí)將阻止橫向截面收縮，而要達(dá)到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應(yīng)力，這樣就可使材料消耗更多能量，起到增韌效果。同時(shí)，高彈性模量顆粒對(duì)裂紋可起到“釘扎”作用，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞道，從而耗散裂紋前進(jìn)的動(dòng)力，起到增韌作用。此外，彌散在硬質(zhì)合金基體材料中的納米顆粒可抑制硬質(zhì)合金晶粒在燒結(jié)過程中的長(zhǎng)大，綜合提高硬質(zhì)合金材料的機(jī)械性能。

b. 抑制劑的選擇

制備納米復(fù)合細(xì)晶粒硬質(zhì)合金時(shí)，一個(gè)重要問題是在燒結(jié)過程中如何抑制晶粒的長(zhǎng)大。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時(shí)極易快速長(zhǎng)大，晶粒長(zhǎng)大會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個(gè)的粗大WC晶粒常常是硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。通過添加抑制劑能有效阻止燒結(jié)過程中WC晶粒的長(zhǎng)大，而消除WC晶粒局部長(zhǎng)大的關(guān)鍵在于抑制劑的均勻分布。晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象主要發(fā)生在WC的溶解沉淀過程中，即WC溶解在液相中并沉淀在較大WC晶體上而導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大。抑制劑可抑制晶粒長(zhǎng)大的一個(gè)重要機(jī)理在于加入抑制劑可降低WC在粘結(jié)相中的溶解度，使WC晶粒的溶解—析出機(jī)制受到阻礙，從而破壞晶粒長(zhǎng)大的條件；同時(shí)，加入的抑制劑可沉積在WC晶粒的活化長(zhǎng)大晶粒上，從而阻止晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。

通常用于控制WC晶粒長(zhǎng)大的抑制劑有VC、Cr3C2等，此外，添加的難溶碳化物還有TiC、ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC等。圖1所示為制備WC-X-20%Co(X為添加的碳化物)硬質(zhì)合金時(shí)(1400℃下燒結(jié)1小時(shí))WC的平均晶粒度與各種碳化物單獨(dú)添加量之間的關(guān)系。由圖可見，各種碳化物抑制劑控制WC晶粒長(zhǎng)大的效果順序?yàn)椋?/SPAN>VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC>ZrC>HfC，其中VC的抑制效果最明顯，而添加微量Mo2C和Cr3C2則幾乎沒有抑制WC晶粒長(zhǎng)大的作用。

c. 抑制劑添加方式

抑制劑的添加方式對(duì)超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響極大。在添加量相同的條件下，以單質(zhì)形式加入抑制劑通常可使硬質(zhì)合金材料的孔隙度更高、晶粒更細(xì)；而以固溶體形式加入抑制劑時(shí)，硬質(zhì)合金材料的孔隙相對(duì)較少、晶粒較粗。按不同方式添加抑制劑的WC-8%Co硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)見表2。可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，材料抗彎強(qiáng)度有較大提高。以VC為例，如以單質(zhì)形式添加，VC更容易溶解于Co相中，從而減少了W的溶解量；VC排列在WC/Co界面上，可阻止晶粒長(zhǎng)大，并使晶粒生長(zhǎng)不完整；在冷卻過程中，#0 向!0 晶粒擴(kuò)散，形成(W，V)C固溶體，由于形成固溶體時(shí)間短，在晶粒內(nèi)造成較大微觀應(yīng)變，從而影響硬質(zhì)合金的機(jī)械物理性能。如以固溶體形式添加VC抑制劑，WC、VC同時(shí)向Co相內(nèi)擴(kuò)散，V的溶解量有所減少，而W的溶解量增加，孔隙充填更為容易，但同時(shí)也使VC的抑制作用下降；在冷卻過程中，由于部分VC已經(jīng)以(W，V)C的形式存在，使晶粒內(nèi)部的應(yīng)變減小，晶粒生長(zhǎng)更趨完整，從而提高了硬質(zhì)合金的機(jī)械物理性能。

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