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    硬質合金刀具材料基礎知識

    信息來源:株洲精鉆硬質合金有限公司  發布時間:2016/11/14  瀏覽數量:3947

    硬質合金是使用最廣泛的一類高速加工(HSM)刀具材料‚此類材料是通過粉末冶金工藝生產的‚由硬質碳化物(通常為碳化鎢WC)顆粒和質地較軟的金屬結合劑組成。目前‚有數百種不同成分的WC基硬質合金‚它們中大部分都采用鈷(Co)作為結合劑‚鎳(Ni)和鉻(Cr)也是常用的結合劑元素‚另外還可以添加其他一些合金元素。為什么有如此之多的硬質合金牌號?刀具制造商如何為某種特定的切削加工選擇正確的刀具材料?為了回答這些問題‚首先讓我們了解一下使硬質合金成為一種理想刀具材料的各種特性。

     

    硬度與韌性

     

     WC-Co硬質合金在兼具硬度和韌性方面具有獨到優勢。碳化鎢(WC)本身具有很高的硬度(超過剛玉或氧化鋁)‚而且在工作溫度升高時其硬度也很少下降。但是‚它缺乏足夠的韌性‚而這對于切削刀具是必不可少的性能。為了利用碳化鎢的高硬度‚并改善其韌性‚人們利用金屬結合劑將碳化鎢結合在一起‚從而使這種材料既具有遠遠超過高速鋼的硬度‚同時又能夠承受在大多數切削加工中的切削力。此外‚它還能承受高速加工所產生的切削高溫。

     

    如今‚幾乎所有的WC-Co刀具和刀片都采用了涂層‚因此‚基體材料的作用似乎顯得不太重要了。但實際上‚正是WC-Co材料的高彈性系數(衡量剛度的指標‚WC-Co的室溫彈性系數約為高速鋼的三倍)為涂層提供了不變形的基底。WC-Co基體還能提供所需要的韌性。這些性能都是WC-Co材料的基本特性‚但也可以在生產硬質合金粉體時‚通過調整材料成分和微觀結構而定制材料性能。因此‚刀具性能與特定加工的適配性在很大程度上取決于最初的制粉工藝。

     

    工件制造

     

    硬質合金工件可采用多種工藝方法成型。根據工件的尺寸、形狀復雜水平和生產批量‚大部分切削刀片都是采用頂壓和底壓式剛性模具模壓成型。在每一次壓制時‚為了保持工件重量和尺寸的一致性‚必須保證流入模腔的粉料量(質量和體積)都完全相同。粉料的流動性主要通過團塊的尺寸分布和有機結合劑的特性來控制。通過在裝入模腔的粉料上施加1080ksi(千磅/平方英尺)的成型壓力‚就可以形成模壓工件(或稱“坯件”)。

     

    即便在極高的成型壓力下‚堅硬的碳化鎢顆粒也不會變形或破碎‚而有機結合劑卻被壓入碳化鎢顆粒之間的縫隙之中‚從而起到固定顆粒位置的作用。壓力越高‚碳化鎢顆粒的結合就越緊密‚工件的壓制密度就越大。牌號硬質合金粉料的模壓特性可能各不相同‚取決于金屬結合劑的含量、碳化鎢顆粒的尺寸和形狀、形成團塊的程度‚以及有機結合劑的成分和添加量。為了提供有關牌號硬質合金粉料壓制特性的量化信息‚通常由粉料生產商來設計構建模壓密度與成型壓力的對應關系。這種信息可確保提供的粉料與刀具制造商的模壓工藝協調一致。

     

    大尺寸硬質合金工件或具有高長寬比的硬質合金工件(如立銑刀和鉆頭的刀桿)通常采用在一個柔性料袋中均衡壓制牌號硬質合金粉料來制造。雖然均衡壓制法的生產周期比模壓法要長一些‚但刀具的制造成本較低‚因此該方法更適合小批量生產。

     

    這種工藝方法是將粉料裝入料袋中‚并將袋口密封‚然后將裝滿粉料的料袋置于一個腔室中‚通過液壓裝置施加3060ksi的壓力進行壓制。壓制成的工件通常要在燒結之前加工成特定的幾何形狀。料袋的尺寸被加大‚以適應壓緊過程中的工件收縮‚并為磨削加工提供足夠的余量。由于工件在壓制成型后要進行加工‚因此對裝料一致性的要求不像模壓法那樣嚴格‚但是‚仍然希望能保證每一次裝入料袋的粉料量相同。如果粉料的裝料密度過小‚就可能導致裝入料袋的粉料不足‚從而造成工件尺寸偏小而不得不報廢。如果粉料的裝料密度過大‚裝入料袋的粉料過多‚工件在壓制成型后就需要加工去除更多的粉料。盡管去除的多余粉料和報廢的工件都可以回收再用‚但這樣做畢竟會降低生產效率。

     

    硬質合金工件還可以利用擠出;蜃⑸淠_M行成型加工。擠出成型工藝更適合軸對稱形狀工件的大批量生產‚而注射成型工藝通常用于復雜形狀工件的大批量生產。在這兩種成型工藝中‚牌號硬質合金粉末懸浮在有機結合劑中‚結合劑賦予硬質合金混合料像牙膏那樣的均勻一致性。然后‚混合料或者通過一個孔被擠出成型‚或者被注入一個模腔中成型。牌號硬質合金粉料的特性決定了混合料中粉末與結合劑的最佳比例‚并對混合料通過擠出孔或注入模腔的流動性具有重要影響。

     

      當工件通過模壓法、均衡壓制法、擠出;蜃⑸淠3尚头ǔ尚秃‚在最終燒結階段之前‚需要從工件中去除有機結合劑。燒結可以去除工件中的孔隙‚使其變得完全(或基本上)密實。在燒結時‚壓制成型的工件中的金屬結合劑變成液體‚但在毛細作用力和顆粒聯系的共同作用下‚工件仍然能夠保持其形狀。

     

    在燒結后‚工件的幾何形狀保持不變‚但尺寸會縮小。為了在燒結后得到所要求的工件尺寸‚在設計刀具時就需要考慮其收縮率。在設計用于制造每種刀具的牌號硬質合金粉料時‚都必須保證其在適當壓力下壓緊時具有正確的收縮率。

     

     幾乎在所有情況下‚都需要對燒結后的工件進行燒結后處理。對切削刀具最基本的處理方式是刃磨切削刃。許多刀具在燒結后還需要對其幾何形狀和尺寸進行磨削加工。有些刀具需要磨削頂部和底部;另一些刀具則需要進行外周磨削(需要或無需刃磨切削刃)。磨削產生的所有硬質合金磨屑都可以回收再利用。

     

     

     

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