硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀
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由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強(qiáng)韌性不易兼顧,因此使用者只能根據(jù)具體加工對(duì)象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號(hào)中選擇適用的刀具材料,這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來(lái)諸多不便。為進(jìn)一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能,目前的研究熱點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面:
1.細(xì)化晶粒
通過(guò)細(xì)化硬質(zhì)相晶粒度、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力,可使硬質(zhì)合金刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性均得到提高。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時(shí),材料的硬度、韌性、強(qiáng)度、耐磨性等均可提高,達(dá)到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3——5μm,細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為1——1.5μm(微米級(jí)),超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5μm以下(亞微米、納米級(jí))。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比,硬度可提高2HRA以上,抗彎強(qiáng)度可提高600——800MPa。
常用的晶粒細(xì)化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體沉積法、機(jī)械合金化法等。等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細(xì)化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中,并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出,且擠壓時(shí)的橫截面積不變。經(jīng)過(guò)ECAE工藝加工的粉體晶�?擅黠@細(xì)化。
由于上述晶粒細(xì)化工藝方法仍不夠成熟,因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程中納米晶粒容易瘋長(zhǎng)成粗大晶粒,而晶粒普遍長(zhǎng)大將導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降,單個(gè)的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面,細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價(jià)格較為昂貴,對(duì)其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用。
2.涂層硬質(zhì)合金
在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上,通過(guò)CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(HighVelocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物,可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性,特別適合高速切削;由于其耐用度高、通用性好,用于小批量、多品種的柔性自動(dòng)化加工時(shí)可有效減少換刀次數(shù),提高加工效率;涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強(qiáng),刀具刃形和槽形穩(wěn)定,斷屑效果及其它切削性能可靠,有利于加工過(guò)程的自動(dòng)控制;涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過(guò)鈍化、精化處理后尺寸精度較高,可滿足自動(dòng)化加工對(duì)換刀定位精度的要求。上述特點(diǎn)決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動(dòng)化加工設(shè)備。
但是,采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問(wèn)題。
3.表面、整體熱處理和循環(huán)熱處理
對(duì)強(qiáng)韌性較好的硬質(zhì)合金表面進(jìn)行滲氮、滲硼等處理,可有效提高其表面耐磨性。對(duì)耐磨性較好但強(qiáng)韌性較差的硬質(zhì)合金進(jìn)行整體熱處理,可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu),降低WC硬質(zhì)相的鄰接度,從而提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力,可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。
4.添加稀有金屬
在硬質(zhì)合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物,可使添加物與原有硬質(zhì)相WC、TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu),從而進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu),同時(shí)可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長(zhǎng)大、增強(qiáng)組織均勻性等作用,對(duì)提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P、K、M類硬質(zhì)合金牌號(hào)中,均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號(hào)中較多)。
5.添加稀土元素
在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素,可有效提高材料的韌性和抗彎強(qiáng)度,耐磨性亦有所改善。這是因?yàn)橄⊥猎乜蓮?qiáng)化硬質(zhì)相和粘結(jié)相,凈化晶界,并改善碳化物固溶體對(duì)粘結(jié)相的潤(rùn)濕性。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適合粗加工牌號(hào),亦可用于半精加工牌號(hào)。此外,該類硬質(zhì)合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景。我國(guó)稀土資源豐富,在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。
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