本文第1部分论及：铜镍合金BFe30-1-1在海水、淡水和蒸气中具有高的耐蚀性的特性使其多应用在冷凝器和恒温器方面，但其较差的可切削性，使得研制新型的钢结硬质合金钻头成为必要。这部分内容讨论钻头合金材料的选择。

二、 钻头合金材料的选用

本文所谈及的新型钢结硬质合金钻头材料选用株洲硬质合金厂提供的D3牌号钢结硬质合金，只所以不选用单纯的硬质合金材料，是因为硬质合金的硬度虽然很大，但是抗扭转力的强度仍然不够，在钻削铜镍合金BFe30-1-1时同样容易产生积屑瘤，加速刀具老化和磨损，甚至折断。而钢结硬质合金材料很好地解决了这一难题。

钢结硬质合金本是受硬质合金的生产过程启发而发展出来的，也是用粉末冶金方法制备的高硬度材料。它由高速钢粉末和硬质合金粉末混合后压制、烧结而成。它与硬质合金的区别在于硬质相含量降低到50%以下，并且以钢为黏结剂，获得在钢的基体上均匀分布着大量细小合金碳化物颗粒的组织。钢结硬质合金可以锻造成形，便于制造不同形状的工具，而且锻造可以克服粉末冶金制品致密度不够高的缺点，改善了钢结硬质合金的力学性能。钢结硬质合金退火状态下的硬度约在35～45HRC之间，仍然可以被切削加工。淬火、回火使钢结硬质合金的基体强化，硬度和耐磨性进一步提高。由此可见钢结硬质合金是一种介于硬质合金和工具钢之间的工具材料，它有硬质合金所不具备的可加工性，可以用锻造、焊接和切削加工方法制成不同形状的工具，可以通过热处理改变其性能以分别适应加工性和使用性能的要求。

D3牌号的钢结硬质合金是一种相对新型的工具材料，的主要成分为W18Cr4V(70%)和WC(30%)。其使用性能介于硬质合金和高速钢之间，其硬度高于高速钢(热处理硬度68～71HRC ) ，而强度高于硬质合金，用其制作的麻花钻可在摇臂钻床上对铜镍合金管板孔进行钻削加工。钢结硬质合金钻头在结构及几何角度上作了某些改进，较为显著地提高了切削效率和刀具寿命，可以满足加工要求。在Vc=26～30m/min, f=0.36～0.50mm/r条件下，刀具每刃磨一次可加工150～300个孔。

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第一种通过严格控制碳量的方法，是发现无论是WC-Ni合金还是WC-Co合金，碳含量都是影响钨（W）在粘结相中固溶量的重要影响因素，其变化的范围约为10% - 31%之间。当W在Ni粘结相中固溶量超过17%，此时的硬质合金就呈现出无磁性。从本质上说，其就是通过降低碳含量的方法，使得W在粘结相的固溶量的到一定程度的提高，从而获得无磁硬质合金。在实际的工作操作过程中，通常所采用的WC粉末的碳含量一般是低于理论碳含量的，或者是通过在混合料中加入钨粉的方法来达到生产低碳合金的效果。然后，单靠利用控制碳量的方法来实现制取无磁合金是较为困难的。

第二种方法是通过添加铬（Cr）、钼（Mo）、钽（Ta）等元素来实现无磁硬质合金球的制造。高碳的WC-10% Ni (wt%重量百分比) 合金在常温下呈铁磁性，如果以金属的形式添加0.5%以上的Cr、Mo和1%以上的Ta，可使高碳合金由铁磁性转变为无磁性。添加Cr，合金磁性与碳含量无关，Cr在合金粘结相中与W一样大量固溶的结果。而添加Mo、Ta的合金只能在一定的碳含量下转变为无磁合金。由于Mo、Ta在粘结相中固溶量较少，大部分Mo、Ta只是夺取WC中的碳形成了相应的碳化物或碳化物固溶体，所以合金成分向低碳侧偏移，从而引起W在粘结相中的固溶量增加。也就是说，添加Mo、Ta的方法实际上还是通过降低碳含量来获得无磁合金，虽然不如添加Cr容易控制，但比纯WC-10%Ni合金在控制碳含量方面相对容易些，含碳量的范围由5.8% - 5.95%拓宽至5.8% - 6.05%。

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一、设计新型钢结硬质合金钻头的缘起：铜镍合金BFe30-1-1的机械加工特性

BFe30-1-1也叫铁白铜，为结构铜镍合金（其化学成分和力学性能分别见表1和表2），

具有良好的力学性能，在海水、淡水和蒸气中具有高的耐蚀性，常用于造船业中，在高温，高压，高速条件下工作的冷凝器和恒温器。比如，汽轮机冷凝器(热交换器)管板通常选用低碳钢或低合金钢材料制造，但对于一些要求具有耐腐蚀性和较高机械性能的管板，则需选用铜镍合金材料BFe30-1-1，

但由于BFe30-1-1材料成分含镍较高，因此机械加工性（特别是可切削性）较差。尤其对于在半封闭状态下进行的钻孔工序，加工更为困难。如采用W18Cr4V高速钢标准麻花钻加工，由于被加工材料韧性和粘性均较大，切削刃极易粘屑并产生积屑瘤，使刀具刃口迅速钝化，从而导致刀具校正刃与孔壁剧烈挤压和摩擦，产生刺耳噪声，加工几个或几十个孔后，刀具主切削刃和侧刃即严重磨损，如继续加工，则切屑会将管板孔壁拉出较深沟槽，严重时会造成钻头折断。为解决铜镍合金管板孔的加工难题，科研人员研制了新型钢结硬质合金钻头。

表1 BFe30-1-1化学成分 

表2 BFe30-1-1力学性能 

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无磁合金，这也是在日常生产中被不断提及的一个新名词，它是指没有磁性或者弱磁性的硬质合金材料。由于生产磁性材料的成型模具要求采用无磁性的材料，以往一直使用的是无磁钢，其模具性能较差，硬度偏低、使用寿命较短，且使用一段时间过后模具的内壁已产生严重的拉毛、变形等问题，从而影响了磁性材料的尺寸精度和表面质量。采用无磁硬质合金球可以利用其优良的各项物理化学性能全面代替原本钢球，可大幅度提高工作效率。

此外，无磁硬质合金材料的成功研发也是新型硬质合金发展的一个重要的里程碑，其可通过粉末冶金的方法进行。其中镍（Ni）的居里点较低为354℃，可利用一定的方法将其降低到室温以下，而将镍（Ni）作为粘结剂也是制取无磁硬质合金的必备条件之一。获得WC-Ni无磁硬质合金的方法有严格控制碳含量、添加铬（Cr）、钼（Mo）、钽（Ta）等元素以及添加NiB或AL等元素，下文将一一介绍几种方法的优缺点及适用条件。














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