硬质合金刀具资料基础知识 www.ydx2010.cn www.xlddp.cn
硬质合金是运用最广泛的一类高速加工（hsm）刀具材料，此类材料是颠末粉末冶金工艺出产的，由硬质碳化物（一般为碳化钨wc）颗粒和质地较软的金属连系剂组成。当时，有数百种异常成分的wc基硬质合金，它们中大部分都选用钴（co）作为连系剂，镍（ni）和铬（cr）也是常用的连系剂元素，另外还可以添加其他一些合金元素。为什么有如此之多的硬质合金商标？刀具制造商如何为某种特定的切削加工选择正确的刀具材料？为了答复这些问题，首要让我们打听一下使硬质合金成为一种志向刀具材料的各种特性。
硬度与耐性
wc-co硬质合金在兼具硬度和耐性方面具有一同优势。碳化钨（wc）本身具有很高的硬度（逾越刚玉或氧化铝），并且在工作温度升高时其硬度也很少下落。可是，它短少满足的耐性，而这关于切削刀具是必不可少的功用。为了运用碳化钨的高硬度，并改善其耐性，我们运用金属连系剂将碳化钨连系在一同，然后使这种材料既具有远远逾越高速钢的硬度，还又可以承受在大多数切削加工中的切削力。此外，它还能承受高速加工所发作的切削高温。
如今，几乎悉数的wc-co刀具和刀片都选用了涂层，因此，基体材料的作用如同显得不太重要了。但理论上，正是wc-co材料的高弹性系数（衡量刚度的政策，wc-co的室温弹性系数约为高速钢的三倍）为涂层供应了不变形的基底。wc-co基体还能供应所需求的耐性。这些功用都是wc-co材料的底子特性，但也可以在出产硬质合金粉体时，颠末调整材料成分和微观规划而定制材料功用。因此，刀具功用与特定加工的适配性在很大程度上取决于开端的制粉工艺。
制粉工艺
碳化钨粉是颠末对钨（w）粉进行渗碳处置而获得的。碳化钨粉的特性（尤其是其粒度）首要取决于材料钨粉的粒度以及渗碳的温度和时间。化学控制也至关重要，碳含量必须坚持安稳（靠近重量比为6.13％的理论配比值）。为了颠末后续工序来控制粉体粒度，可以在渗碳处置之前添加少量的钒和/或铬。异常的*工艺条件和异常的结束加工用途需求选用特定的碳化钨粒度、碳含量、钒含量和铬含量的组合，颠末这些组合的改动，可以发作各种异常的碳化钨粉。例如，碳化钨粉出产商ati alldyne公司共出产23种标准商标的碳化钨粉，而根据用户央求定制的碳化钨粉种类可达标准商标碳化钨粉的5倍以上。
在将碳化钨粉与金属连系剂一同进行混合碾磨以出产某种商标硬质合金粉料时，可以选用各种异常的组合方法。最常用的钴含量为3%－25%（重量比），而在需求增强刀具抗腐蚀性的情况下，则需求参与镍和铬。此外，还可以颠末添加其他合金成分，进一步改善金属连系剂。例如，在wc-co硬质合金中添加钌，可在不下落其硬度的前提下显着前进其耐性。添加连系剂的含量也可以前进硬质合金的耐性，但却会下落其硬度。
减小碳化钨颗粒的标准可以前进材料的硬度，但在烧结工艺中，碳化钨的粒度必须坚持不变。烧结时，碳化钨颗粒颠末溶解再分出的进程连系和长大。在理论烧结进程中，为了构成一种完全密实的材料，金属连系剂要变成液态（称为液相烧结）。颠末添加其他过渡金属碳化物，包含碳化钒（vc）、碳化铬（cr3c2）、碳化钛（tic）、碳化钽（tac）和碳化铌（nbc），可以控制碳化钨颗粒的长大速度。这些金属碳化物一般是在将碳化钨粉与金属连系剂一同进行混合碾磨时参与，当然碳化钒和碳化铬也可以在对碳化钨粉进行渗碳时构成。
运用回收的废旧硬质合金材料也可以出产商标碳化钨粉料。废旧硬质合金的回收和再运用在硬质合金工作已有很长前史，是该工作整个经济链的一个重要组成部分，它有助于下落材料本钱、节约自然资源和避免对扔掉材料进行无害化处置。废旧硬质合金一般可颠末apt（仲钨酸铵）工艺、锌回收工艺或颠末损坏后进行再运用。这些“再生”碳化钨粉一般具有更好的、可猜想的细密性，由于其表面积比直接颠末钨渗碳工艺制成的碳化钨粉更小。
碳化钨粉与金属连系剂混合碾磨的加工条件也是至关重要的工艺参数。两种最常用的碾磨技术是球磨和超微碾磨。这两种工艺都能使碾磨的粉料均匀混合，并能减小颗粒标准。为使往后约束的工件具有满足的强度，能坚持工件形状，并使操作者或机械手能拿起工件进行操作，在碾磨时一般还需求添加一种有机连系剂。这种连系剂的化学成分可以影响约束成工件的密度和强度。为了有利于操作，最棒添加高强度的连系剂，但这样会引起约束密度较低，并可以会发作硬块，构成在结束制品中存在缺陷。
结束碾磨后，一般会对粉料进行喷雾干燥，发作由有机连系剂凝聚在一同的自由活动团块。颠末调整有机连系剂的成分，可以根据需求定制这些团块的活动性和装料密度。颠末筛选出较粗或较细的颗粒，还可以进一步定制团块的粒度分布，以保证其在装入模腔时具有出色的活动性。
工件制造
硬质合金工件可选用多种工艺方法成型。根据工件的标准、形状凌乱水陡峭出产批量，大部分切削刀片都是选用顶压和底压式刚性模具模压成型。在每一次约束时，为了坚持工件重量和标准的一同性，必须保证流入模腔的粉料量（质量和体积）都完全相同。粉料的活动性首要颠末团块的标准分布和有机连系剂的特性来控制。颠末在装入模腔的粉料上施加10－80ksi（千磅/平方英尺）的成型压力，就可以构成模压工件（或称“坯件”）。
即便在极高的成型压力下，巩固的碳化钨颗粒也不会变形或破碎，而有机连系剂却被压入碳化钨颗粒之间的缝隙之中，然后起到固定颗粒方位的作用。压力越高，碳化钨颗粒的连系就越紧密，工件的约束密度就越大。商标硬质合金粉料的模压特性可以各不相同，取决于金属连系剂的含量、碳化钨颗粒的标准和形状、构成团块的程度，以及有机连系剂的成分和添加量。为了供应有关商标硬质合金粉料约束特性的量化信息，一般由粉料出产商来描绘构建模压密度与成型压力的对应联络。这种信息可保证供应的粉料与刀具制造商的模压工艺和谐一同。
大标准硬质合金工件或具有高长宽比的硬质合金工件（如立铣刀和钻头的刀杆）一般选用在一个柔性料袋中均衡约束商标硬质合金粉料来制造。当然均衡约束法的出产周期比模压法要长一些，但刀具的制造本钱较低，因此该方法更适宜小批量出产。
这种工艺方法是将粉料装入料袋中，并将袋口密封，然后将装满粉料的料袋置于一个腔室中，颠末液压设备施加30－60ksi的压力进行约束。约束成的工件一般要在烧结之前加工成特定的几何形状。料袋的标准被加大，以习气压紧进程中的工件缩短，并为磨削加工供应满足的余量。由于工件在约束成型后要进行加工，因此对装料一同性的央求不像模压法那样严峻，可是，仍然希望能保证每一次装入料袋的粉料量相同。如果粉料的装料密度过小，就可以引起装入料袋的粉料缺少，然后构成工件标准偏小而不得不报废。如果粉料的装料密度过大，装入料袋的粉料过多，工件在约束成型后就需求加工去除更多的粉料。当然去除的剩下粉料和报废的工件都可以回收再用，但这样做究竟会下落出产功率。
硬质合金工件还可以运用挤出模或注射模进行成型加工。挤出成型工艺更适宜轴对称形状工件的大批量出产，而注射成型工艺一般用于凌乱形状工件的大批量出产。在这两种成型工艺中，商标硬质合金粉末悬浮在有机连系剂中，连系剂赋予硬质合金混合料像牙膏那样的均匀一同性。然后，混合料或许颠末一个孔被挤出成型，或许被注入一个模腔中成型。商标硬质合金粉料的特性抉择了混合猜中粉末与连系剂的最佳比例，并对混合料颠末挤出孔或注入模腔的活动性具有重要影响。
当工件颠末模压法、均衡约束法、挤出模或注射模成型法成型后，在结束烧结时间之前，需求从工件中去除有机连系剂。烧结可以去除工件中的孔隙，使其变得完全（或底子上）密实。在烧结时，约束成型的工件中的金属连系剂变成液体，但在毛细作用力和颗粒联络的一同作用下，工件仍然可以坚持其形状。
在烧结后，工件的几何形状坚持不变，但标准会削减。为了在烧结后得到所央求的工件标准，在描绘刀具时就需求思索其缩短率。在描绘用于制造每种刀具的商标硬质合金粉料时，都必须保证其在恰当压力下压紧时具有正确的缩短率。
几乎在悉数情况下，都需求对烧结后的工件进行烧结后处置。对切削刀具最底子的处置方法是刃磨切削刃。许多刀具在烧结后还需求对其几何形状和标准进行磨削加工。有些刀具需求磨削顶部和底部；另一些刀具则需求进行外周磨削（需求或无需刃磨切削刃）。磨削发作的悉数硬质合金磨屑都可以回收再运用。
工件涂层
在许多情况下，制品工件需求进行涂层。涂层可以供应光滑性和添加硬度，还能为基体供应涣散屏障，使其露出于高温下时可避免氧化。硬质合金基体关于涂层的功用至关重要。除了定制基体粉料的首要特性以外，还可以颠末化学选择和改动烧结方法定制基体的表面特性。颠末钴的搬家，可在刀片表面最外层20－30μm厚度内富集相关于工件其他部位更多的钴，然后赋予基体表层更好的强耐性，使其具有较强的抗变形才华。
刀具制造商根据自己的制造工艺（如脱蜡方法、加热速度、烧结时间、温度和渗碳电压），可以会对运用的商标硬质合金粉料提出一些稀奇央求。有些刀具制造商可所以在真空炉中烧结工件，而另一些刀具制造商则可以运用热等静压（hip）烧结炉（它是在工艺循环挨近结束时才对工件加压，以消除任何残留孔隙）。在真空炉中烧结的工件可以还需求颠末另外的工序进行热等静压处置，以前进工件密度。有些刀具制造商可以会选用较高的真空烧结温度，以前进具有较低钴含量混合料的烧结密度，但这种方法可以会使其显微规划变得粗大。为了坚持纤细的晶粒标准，可以选用碳化钨颗粒标准较小的粉料。为了与特定的出产设备相匹配，脱蜡条件和渗碳电压对硬质合金粉猜中碳含量的凹凸也有异常的央求。
悉数这些要素都会对烧结出的硬质合金刀具的显微规划和材料功用发作至关重要的影响，因此，在刀具制造商与粉料供应商之间需求进行接近的沟通，以保证根据刀具制造商的出产工艺定制商标硬质合金粉料。因此，有数百种异常的硬质合金粉料商标也就缺少为奇了。例如，ati alldyne公司出产的异常粉料商标就逾越600种，其间每一种商标都是对准政策用户和特定用途而专门描绘的。
商标分类
异常种类的碳化钨粉、混合料成分和金属连系剂含量、晶粒长大克制剂的类型和用量等的组合改动，构成了五花八门的硬质合金商标。这些参数将抉择硬质合金的显微规划及其特性。某些特定的功用组合已成为一些特定加工用途的首选，然后使对多种硬质合金商标进行分类具有了意义。
两种最常用的、面向加工用途的硬质合金分类体系分别为c商标体系和iso商标体系。当然这两种体系都不能完全反映影响硬质合金商标选择的材料特性，但它们供应了一个评论的起点。关于每种分类法，许多制造商都有它们自己的稀奇商标，由此发作了五花八门、五花八门的各种硬质合金商标
硬质合金商标还可以按照成分来分类。碳化钨（wc）商标可分为三种底子类型：单纯型、微晶型和合金型。单纯型商标首要由碳化钨和钴连系剂构成，但其间也可以富含少量晶粒长大克制剂。微晶型商标由碳化钨和添加了几千分之一碳化钒（vc）和（或）碳化铬（cr3c2）的钴连系剂构成，其晶粒标准可抵达1μm以下。合金型商标则是由碳化钨和富含百分之几碳化钛（tic）、碳化钽（tac）和碳化铌（nbc）的钴连系剂构成，这些添加物又称为立方碳化物，由于其烧结后的显微规划出现出不均匀的三相规划。
（1）单纯型硬质合金商标
用于金属切削加工的此类商标一般富含3％－12％的钴（重量比）。碳化钨晶粒的标准规划一般在1－8μm之间。与其他商标相同，减小碳化钨的粒度可以前进其硬度和横向断裂强度（trs），但会下落其耐性。单纯型商标的硬度一般在hra89－93.5之间；横向断裂强度一般在175－350ksi之间。此类商标的粉猜中可以富含许多回收再用的材料。
单纯型商标在c商标体系中可分为c1－c4，在iso商标体系中可按k、n、s和h商标系列进行分类。具有中间特性的单纯型商标可以归类为通用商标（如c2或k20），可用于车削、铣削、刨削和镗削加工；晶粒标准较小或钴含量较低、硬度较高的商标可以归类为精加工商标（如c4或k01）；晶粒标准较大或钴含量较高、耐性较好的商标可以归类为粗加工商标（如c1或k30）。
用单纯型商标制造的刀具可用于切削加工铸铁、200和300系列不锈钢、铝和其他有色金属、高温合金和淬硬钢。此类商标还能运用于非金属切削领域（如作为岩石和地质钻探东西），这些商标的晶粒标准规划在1.5－10μm（或更大），钴含量为6％－16％。单纯型硬质合金商标的另一种非金属切削类用途是制造模具和冲头，这些商标一般具有中等大小的晶粒标准，钴含量为16％－30％。
（2）微晶型硬质合金商标
此类商标一般富含6％－15％的钴。在液相烧结时，添加的碳化钒和（或）碳化铬可以控制晶粒长大，然后获得粒度小于1μm的细晶粒规划。这种微细晶粒商标具有非常高的硬度和500ksi以上的横向断裂强度。高强度与满足的耐性相连系，使此类商标的刀具可以选用更大的正前角，然后能颠末切削而不是推挤金属材料来减小切削力和发作较薄的切屑。
颠末在商标硬质合金粉料的出产中对各种原材料进行严峻的质量断定，以及对烧结工艺条件实施严峻的控制，避免在材料显微规划中构成非正常的大晶粒，就能获得恰当的材料功用。为了坚持晶粒标准纤细且均匀一同，只要在能对材料和回收工艺进行悉数控制，以及实施广泛质量检测的情况下，才华运用回收的再生粉料。
微晶型商标可在iso商标体系中可按m商标系列进行分类，除此以外，在c商标体系和iso商标体系中的其他分类方法与单纯型商标相同。微晶商标可用于制造切削较软工件材料的刀具，由于这种刀具的表面可以加工得非常光滑，并能坚持极点尖锐的切削刃。
微晶商标刀具还能用于加工镍基超级合金，由于这种刀具可以承受高达1200℃的切削温度。关于高温合金和其他稀奇材料的加工，选用微晶商标刀具和含钌的单纯商标刀具，可以还前进其耐磨性、抗变形才华和耐性。微晶商标还适宜制造会发作剪切应力的旋转刀具（如钻头）。有一种钻头选用复合商标的硬质合金制造，在同一支钻头的特定部位，资猜中的钴含量各不相同，然后根据加工需求优化了钻头的硬度和耐性。
（3）合金型硬质合金商标
此类商标首要用于切削加工钢件，其钴含量一般为5％－10％，晶粒标准规划为0.8－2μm。颠末添加4％－25％的碳化钛（tic），可以减小碳化钨（wc）涣散到钢屑表面的倾向。颠末添加不逾越25％的碳化钽（tac）和碳化铌（nbc），可以改善刀具的强度、抗月牙洼磨损才华和耐热冲击性。添加此类立方碳化物还能前进刀具的红硬性，在重载切削或切削刃会发作高温的其他加工中，有助于避免刀具发作热变形。此外，碳化钛在烧结进程中能供应成核方位，改善立方碳化物在工件中的分布均匀性。
一般来说，合金型硬质合金商标的硬度规划为hra91－94，横向断裂强度为150－300ksi。与单纯型商标比拟，合金型商标的耐磨料磨损功用较差，且强度较低，但其耐粘结磨损的功用更好。合金型商标在c商标体系中可分为c5－c8，在iso商标体系中可按p和m商标系列进行分类。具有中间特性的合金型商标可以归类为通用商标（如c6或p30），可用于车削、攻丝、刨削和铣削加工。硬度最高的商标可以归类为精加工商标（如c8和p01），用于精车和镗削加工。这些商标一般具有较小的晶粒标准和较低的钴含量，以获得所需求的硬度和耐磨性。不过，颠末添加较多的立方碳化物也能获得类似的材料特性。耐性最棒的商标可以归类为粗加工商标（如c5或p50）。这些商标一般具有中等大小的粒度和高钴含量，立方碳化物的添加量也较少，以颠末克制裂纹扩展而获得所需求的耐性。在断续车削加工中，颠末选用上述刀具表面具有较高钴含量的富钴商标，还可以进一步前进切削功用。
碳化钛含量较低的合金型商标用于切削加工不锈钢和可锻铸铁，但也可用于加工有色金属（如镍基超级合金）。这些商标的晶粒标准一般小于1μm，钴含量为8％－12％。硬度较高的商标（如m10）可用于车削加工可锻铸铁；而耐性较好的商标（如m40）可用于铣削和刨削钢件，或许用于车削不锈钢或超级合金。
合金型硬质合金商标还能用于非金属切削类用途，首要用于制造耐磨零件。这些商标的粒度一般为1.2－2μm，钴含量为7％－10％。在出产这些商标时，一般会参与很大比例的回收材料，然后在耐磨零件的运用中获得较高的本钱效益。耐磨零件需求具有很好的耐腐蚀性和较高的硬度，在出产此类商标时，可以颠末添加镍和碳化铬来获得这些功用。
为了满足刀具制造商在技术性和经济性上的两层央求，硬质合金粉料是要害要素。对准刀具制造商的加工设备和工艺参数而描绘的粉料可保证制品工件的功用，并引起出现了数百种硬质合金商标。硬质合金材料可循环运用的特征以及可直接与粉料供应商协作的才华，使刀具制造商可以有用控制其产质量量和材料本钱。