硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路

1.引言

切削加工是現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為80％～85％，而在國內(nèi)這一比例則高達(dá)90％。

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機(jī)床，還是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔l0年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀(jì)初的高速鋼、硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上，允許切削速度已超過1000m／min，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時間內(nèi)提高了100多倍。因此可以說，刀具材料的發(fā)展歷程實際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。

本文回顧了常規(guī)刀具材料的基本性能，綜合評述了硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀，提出采用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)制備高性能硬質(zhì)合金材料的研究發(fā)展思路。

2.常規(guī)刀具材料的基本性能

(1)高速鋼
1898年由美國機(jī)械工程師泰勒(F. W. Taylor)和冶金工程師懷特(M．White)發(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加人了較多w、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，其含碳量為0.7％～1.05％。高速鋼具有較高耐熱性，其切削溫度可達(dá)6000℃，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，其切削速度可成倍提高。高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求；此外，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計其儲量只夠再開采使用40～60年，因此高速鋼材料面臨嚴(yán)峻的發(fā)展危機(jī)。

(2)陶瓷
與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的l0～20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍，且化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點是脆性大、橫向斷裂強(qiáng)度低、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進(jìn)行改進(jìn)的重點。
陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加人TiC、WC、SiC、TaC、ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷刀具，其硬度可達(dá)93～95HRA，為提高韌性，常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為SiN+TiC+Co復(fù)合陶瓷，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當(dāng)。③氮化硅一氧化鋁復(fù)合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學(xué)成分為77％Si3N4+13％A12O3+10％Y2O3，硬度可達(dá)1800HV，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵。

(3)金屬陶瓷
金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni、Co、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強(qiáng)度大于陶瓷材料，小于硬質(zhì)合金；化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好，耐剝離磨損，耐氧化和擴(kuò)散，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強(qiáng)度。

金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩(wěn)定，在自動化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)象，零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較差，易碎裂，因此使用范圍有限。

3．硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀
由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強(qiáng)韌性不易兼顧，因此使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進(jìn)一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面：
(1)細(xì)化晶粒
通過細(xì)化硬質(zhì)相晶粒度、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性均得到提高。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、強(qiáng)度、耐磨性等均可提高，達(dá)到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5μm，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強(qiáng)度可提高600～800MPa。

常用的晶粒細(xì)化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體沉積法、機(jī)械合金化法等。等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細(xì)化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中，并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(jīng)過ECAE工藝加工的粉體晶?？擅黠@細(xì)化。

由于上述晶粒細(xì)化工藝方法仍不夠成熟，因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)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(dǎo)致材料強(qiáng)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價格較為昂貴，對其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用。

(2)涂層硬質(zhì)合金

在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。

涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強(qiáng)，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化、精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。

上述特點決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動化加工設(shè)備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題。

(3)表面、整體熱處理和循環(huán)熱處理
對強(qiáng)韌性較好的硬質(zhì)合金表面進(jìn)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(qiáng)韌性較差的硬質(zhì)合金進(jìn)行整體熱處理，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度，從而提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。

(4)添加稀有金屬
在硬質(zhì)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(zhì)相WC、TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大、增強(qiáng)組織均勻性等作用，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P、K、M類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號中較多)。

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