硬質合金刀具材料的研究

由於硬質合金刀具材料的耐磨性和強韌性不易兼顧，因此使用者只能根據具體加工物件和加工條件在眾多硬質合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質合金刀具材料的綜合切削性能，對硬質合金刀具材料的研究研究熱點主要包括以下幾個方面：

(1)細化晶粒
通過細化硬質相晶粒度、增大硬質相晶間表面積、增強晶粒間結合力，可使硬質合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、強度、耐磨性等均可提高，達到完全緻密化所需溫度也可降低。普通硬質合金晶粒度為3～5μm，細晶粒硬質合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)，超細晶粒硬質合金晶粒度可達0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質合金與成分相同的普通硬質合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強度可提高600～800MPa。

常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子體沉積法、機械合金化法等。等徑側向擠壓法(ECAE)是一種很有發展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置於模具中，並沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出，且擠壓時的橫截面積不變。經過ECAE工藝加工的粉體晶粒可明顯細化。

由於上述晶粒細化工藝方法仍不夠成熟，因此在硬質合金燒結過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒，而晶粒普遍長大將導致材料強度下降，單個的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面，細晶粒硬質合金的價格較為昂貴，對其推廣應用也起到一定制約作用。

(2)塗層硬質合金
在韌性較好的硬質合金基體上，通過CVD(化學氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法塗覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強韌性與塗層的耐磨性相結合而提高硬質合金刀具的綜合性能。

塗層硬質合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由於其耐用度高、通用性好，用於小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數，提高加工效率；塗層硬質合金刀具抗月牙窪磨損能力強，刀具刃形和槽形穩定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利於加工過程的自動控制；塗層硬質合金刀具的基體經過鈍化、精化處理後尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。

上述特點決定了塗層硬質合金刀具特別適用於FMS、CIMS(電腦集成製造系統)等自動化加工設備。但是，採用塗層方法仍未能根本解決硬質合金基體材料韌性和抗衝擊性較差的問題。

(3)表面、整體熱處理和迴圈熱處理
對強韌性較好的硬質合金表面進行滲氮、滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質合金進行整體熱處理，可改變材料中的粘結成分與結構，降低WC硬質相的鄰接度，從而提高硬質合金的強度和韌性。利用迴圈熱處理工藝緩解或消除晶界間的應力，可全面提高硬質合金材料的綜合性能。

(4)添加稀有金屬
在硬質合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物，可使添加物與原有硬質相WC、TiC結合形成複雜固溶體結構，從而進一步強化硬質相結構，同時可起到抑制硬質相晶粒長大、增強組織均勻性等作用，對提高硬質合金的綜合性能大有益處。在ISO標準的P、K、M類硬質合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質合金(尤以M類牌號中較多)。

(5)添加稀土元素
在硬質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度，耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強化硬質相和粘結相，淨化晶界，並改善碳化物固溶體對粘結相的潤濕性。添加稀土元素的硬質合金最適合粗加工牌號，亦可用於半精加工牌號。此外，該類硬質合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質合金工具中亦有廣闊應用前景。我國稀土資源豐富，在硬質合金中添加稀土元素的研究也具有較高水準。


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