硬质合金刀具材料的研究

由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，因此使用者只能根据具体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。为进一步改善硬质合金刀具材料的综合切削性能，对硬质合金刀具材料的研究研究热点主要包括以下几个方面：

(1)细化晶粒
通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面积、增强晶粒间结合力，可使硬质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时，材料的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高，达到完全致密化所需温度也可降低。普通硬质合金晶粒度为3～5μm，细晶粒硬质合金晶粒度为l～1.5μm(微米级)，超细晶粒硬质合金晶粒度可达0.5μm以下(亚微米、纳米级)。超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗弯强度可提高600～800MPa。

常用的晶粒细化工艺方法主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、等离子体沉积法、机械合金化法等。等径侧向挤压法(ECAE)是一种很有发展前途的晶粒细化工艺方法。该方法是将粉体置于模具中，并沿某一与挤压方向不同(也不相反)的方向挤出，且挤压时的横截面积不变。经过ECAE工艺加工的粉体晶粒可明显细化。

由于上述晶粒细化工艺方法仍不够成熟，因此在硬质合金烧结过程中纳米晶粒容易疯长成粗大晶粒，而晶粒普遍长大将导致材料强度下降，单个的粗大WC晶粒则常常是引起材料断裂的重要因素。另一方面，细晶粒硬质合金的价格较为昂贵，对其推广应用也起到一定制约作用。

(2)涂层硬质合金
在韧性较好的硬质合金基体上，通过CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。

涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性，特别适合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品种的柔性自动化加工时可有效减少换刀次数，提高加工效率；涂层硬质合金刀具抗月牙洼磨损能力强，刀具刃形和槽形稳定，断屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工过程的自动控制；涂层硬质合金刀具的基体经过钝化、精化处理后尺寸精度较高，可满足自动化加工对换刀定位精度的要求。

上述特点决定了涂层硬质合金刀具特别适用于FMS、CIMS(计算机集成制造系统)等自动化加工设备。但是，采用涂层方法仍未能根本解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。

(3)表面、整体热处理和循环热处理
对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理，可有效提高其表面耐磨性。对耐磨性较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处理，可改变材料中的粘结成分与结构，降低WC硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。利用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材料的综合性能。

(4)添加稀有金属
在硬质合金材料中添加TaC、NbC等稀有金属碳化物，可使添加物与原有硬质相WC、TiC结合形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结构，同时可起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等作用，对提高硬质合金的综合性能大有益处。在ISO标准的P、K、M类硬质合金牌号中，均有这种添加了Ta(Nb)C的硬质合金(尤以M类牌号中较多)。

(5)添加稀土元素
在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。这是因为稀土元素可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。添加稀土元素的硬质合金最适合粗加工牌号，亦可用于半精加工牌号。此外，该类硬质合金在矿山工具、顶锤、拉丝模等硬质合金工具中亦有广阔应用前景。我国稀土资源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研究也具有较高水平。


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