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硬质合金刀具材料基础知识

信息来源:株洲精钻硬质合金有限公司  发布时间:2016/11/14  浏览数量:2703

硬质合金是使用最广泛的一类高速加工(HSM)刀具材料‚此类材料是通过粉末冶金工艺生产的‚由硬质碳化物(通常为碳化钨WC)颗粒和质地较软的金属结合剂组成。目前‚有数百种不同成分的WC基硬质合金‚它们中大部分都采用钴(Co)作为结合剂‚镍(Ni)和铬(Cr)也是常用的结合剂元素‚另外还可以添加其他一些合金元素。为什么有如此之多的硬质合金牌号?刀具制造商如何为某种特定的切削加工选择正确的刀具材料?为了回答这些问题‚首先让我们了解一下使硬质合金成为一种理想刀具材料的各种特性。

 

硬度与韧性

 

 WC-Co硬质合金在兼具硬度和韧性方面具有独到优势。碳化钨(WC)本身具有很高的硬度(超过刚玉或氧化铝)‚而且在工作温度升高时其硬度也很少下降。但是‚它缺乏足够的韧****218;而这对于切削刀具是必不可少的性能。为了利用碳化钨的高硬度‚并改善其韧****218;人们利用金属结合剂将碳化钨结合在一起‚从而使这种材料既具有远远超过高速钢的硬度‚同时又能够承受在大多数切削加工中的切削力。此外‚它还能承受高速加工所产生的切削高温。

 

如今‚几乎所有的WC-Co刀具和刀片都采用了涂层‚因此‚基体材料的作用似乎显得不太重要了。但实际上‚正是WC-Co材料的高弹性系数(衡量刚度的指标‚WC-Co的室温弹性系数约为高速钢的三倍)为涂层提供了不变形的基底。WC-Co基体还能提供所需要的韧性。这些性能都是WC-Co材料的基本特****218;但也可以在生产硬质合金粉体时‚通过调整材料成分和微观结构而定制材料性能。因此‚刀具性能与特定加工的适配性在很大程度上取决于最初的制粉工艺。

 

工件制造

 

硬质合金工件可采用多种工艺方法成型。根据工件的尺寸、形状复杂水平和生产批量‚大部分切削刀片都是采用顶压和底压式刚性模具模压成型。在每一次压制时‚为了保持工件重量和尺寸的一致****218;必须保证流入模腔的粉料量(质量和体积)都完全相同。粉料的流动性主要通过团块的尺寸分布和有机结合剂的特性来控制。通过在装入模腔的粉料上施加1080ksi(千磅/平方英尺)的成型压力‚就可以形成模压工件(或称“坯件”)。

 

即便在极高的成型压力下‚坚硬的碳化钨颗粒也不会变形或破碎‚而有机结合剂却被压入碳化钨颗粒之间的缝隙之中‚从而起到固定颗粒位置的作用。压力越高‚碳化钨颗粒的结合就越紧密‚工件的压制密度就越大。牌号硬质合金粉料的模压特性可能各不相同‚取决于金属结合剂的含量、碳化钨颗粒的尺寸和形状、形成团块的程度‚以及有机结合剂的成分和添加量。为了提供有关牌号硬质合金粉料压制特性的量化信息‚通常由粉料生产商来设计构建模压密度与成型压力的对应关系。这种信息可确保提供的粉料与刀具制造商的模压工艺协调一致。

 

大尺寸硬质合金工件或具有高长宽比的硬质合金工件(如立铣刀和钻头的刀杆)通常采用在一个柔性料袋中均衡压制牌号硬质合金粉料来制造。虽然均衡压制法的生产周期比模压法要长一些‚但刀具的制造成本较低‚因此该方法更适合小批量生产。

 

这种工艺方法是将粉料装入料袋中‚并将袋口密封‚然后将装满粉料的料袋置于一个腔室中‚通过液压装置施加3060ksi的压力进行压制。压制成的工件通常要在烧结之前加工成特定的几何形状。料袋的尺寸被加大‚以适应压紧过程中的工件收缩‚并为磨削加工提供足够的余量。由于工件在压制成型后要进行加工‚因此对装料一致性的要求不像模压法那样严格‚但是‚仍然希望能保证每一次装入料袋的粉料量相同。如果粉料的装料密度过小‚就可能导致装入料袋的粉料不足‚从而造成工件尺寸偏小而不得不报废。如果粉料的装料密度过大‚装入料袋的粉料过多‚工件在压制成型后就需要加工去除更多的粉料。尽管去除的多余粉料和报废的工件都可以回收再用‚但这样做毕竟会降低生产效率。

 

硬质合金工件还可以利用挤出模或注射模进行成型加工。挤出成型工艺更适合轴对称形状工件的大批量生产‚而注射成型工艺通常用于复杂形状工件的大批量生产。在这两种成型工艺中‚牌号硬质合金粉末悬浮在有机结合剂中‚结合剂赋予硬质合金混合料像牙膏那样的均匀一致性。然后‚混合料或者通过一个孔被挤出成型‚或者被注入一个模腔中成型。牌号硬质合金粉料的特性决定了混合料中粉末与结合剂的最佳比例‚并对混合料通过挤出孔或注入模腔的流动性具有重要影响。

 

  当工件通过模压法、均衡压制法、挤出模或注射模成型法成型后‚在最终烧结阶段之前‚需要从工件中去除有机结合剂。烧结可以去除工件中的孔隙‚使其变得完全(或基本上)密实。在烧结时‚压制成型的工件中的金属结合剂变成液体‚但在毛细作用力和颗粒联系的共同作用下‚工件仍然能够保持其形状。

 

在烧结后‚工件的几何形状保持不变‚但尺寸会缩小。为了在烧结后得到所要求的工件尺寸‚在设计刀具时就需要考虑其收缩率。在设计用于制造每种刀具的牌号硬质合金粉料时‚都必须保证其在适当压力下压紧时具有正确的收缩率。

 

 几乎在所有情况下‚都需要对烧结后的工件进行烧结后处理。对切削刀具最基本的处理方式是刃磨切削刃。许多刀具在烧结后还需要对其几何形状和尺寸进行磨削加工。有些刀具需要磨削顶部和底部;另一些刀具则需要进行外周磨削(需要或无需刃磨切削刃)。磨削产生的所有硬质合金磨屑都可以回收再利用。

 

 

 

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