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?；瘜W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。