改性對wc基硬質合金刀具材料及性能的影響研究

摘要： 本文采用真空燒結方法，制備WC基硬質合金刀具材料，用于研究不同改性方法對其組織和性能的影響。結果表明：在硬質合金刀具材料中，加入納米SiCp可以有效提高材料本身的硬度、密度、耐磨性及抗壓強度，還可以將組織均勻化；粘結劑鈷潤濕性好，可以有效提高硬質合金刀具材料的硬度；從一定意義上說，WC表面化學鍍包覆粘結金屬鈷改善了硬質合金刀具材料的整體性能。粘結劑鎳和鈦代替鎳不僅能降低后刀面的磨損，還能改善硬質合金刀具材料的抗彎強度和硬度；

關鍵詞：硬質合金刀具；納米改性；化學鍍；耐磨性

引言

高耐磨性，高韌性是WC硬質合金刀具材料的顯著特點，同時其切削效率也是高速鋼刀具的5～10倍，使其備受關注。納米粉可以全面提高其綜合性能，這將為硬質合金刀具材料的研究提供思路。目前，納米改性增韌還僅停留在金屬陶瓷組織和性能的研究上，關于該技術應用在合金刀具材料的研究卻不多見[1]。由此，本文分別從三種材料改性產生的影響入手，并以WC為基體，這將為該領域的研究提供更為可靠的參考依據。

1.試樣制備與試驗方法

1.1試樣制備

試驗中，所用原料參照表1配比，采用真空燒結法和冷壓成型的方法，用于制備硬質合金刀具材料。為將粉料混合，先采用的是鈷鍍液，需在PH值為8～9，溫度為90℃的條件下，對WC粉進行長達120分鐘的化學鍍包覆鈷。并按照表2進行配比，將實驗用粉按照比例稱取，而后進行長達24小時的機械球磨混粉。在整個過程中，應先將球磨機抽真空，同時將真空度設為10-3Pa，同時為了增加保護氣體，需要充入高純氬氣（純度不小于99.99%）；當在300MPa冷壓壓力中，在經過干燥、排膠后，壓坯進行了真空壓力燒結，這需要在溫度高達1420℃的SL63-78-SF1型真空電阻爐中完成，最后保溫1小時，得到表1所示的5中試樣。

表1 試驗原料采納標準

WC粉 鈷粉 鎳粉 鈦粉 呈近球狀SiCp粉

粒徑 3.5um 2.5um 2.6um 7.4um 30nm

表2 試樣的名義成分（體積分數）

試樣 WC Ni Ti Co SiCp （WC）Co

1 92 8

2 84 8 8

3 87 8 5

4 87 8 5

5 77 8 5 10

1.2試驗方法

該實驗中采用的是排水的方法，為了計算出試樣的相對密度，需先測量試樣的實際密度，而后在根據體積比，計算出理論密度，從而得出結果。

測試抗彎性能和抗壓性能需要借助WDW-200型微機控制式電子萬能試驗機，這里要保證壓縮速率為0.965mm·min-1，壓縮試樣的尺寸為8mm×8mm×10mm；用IIV-1000型硬度計測硬度，需保證加載時間為20秒，載荷為1.96N；測抗彎性能還可以用三點彎曲法，這要保證試樣的加載速率0.5mm·min，尺寸為3mm×4mm×35mm，跨距為35mm；而抗彎強度需要通過計算硬度得出。

被切削加工的工件以淬硬工具鋼為主，采用具有AN10000型X射線能譜儀（EDS）的JXA-840A型掃描電鏡（SEM），來觀察刀具材料的顯微組織和后刀面的切削磨損形貌；采用100倍坐標刻度顯微鏡測試樣后刀面磨損的VB值，將以上制備的5種改性硬質合金試樣作為刀具材料，采用C616普通車床。

2.試驗結果與討論

2.1顯微組織

由圖可見，5種試樣中硬質相為灰色，粘結相為黑色。“黑芯”主要存在于試樣4，5中，出現明顯的分布不均，這主要在于試樣并沒有將粗大的WC顆粒完全溶解。觀察發現，添加納米SiCp后（即試樣3），粘結相分布連續，組織很均勻，這表明納米SiCp有利于組織的均勻化。當鈷取代鎳后WC硬質相后，在液相金屬鈷中溶解的就越多，這源于鈷對硬質相的潤濕性相對更好，使得“黑芯”也越來越少，如圖1（b）所示；我們用一部分鈷粉包覆WC粉，這需要在在混粉之前完成，雖然在包覆粉中，通過燒結，鈷可以擴散均勻化，進而克服鈷對WC的包覆微觀的不均勻性，從圖案中觀察發現，灰黑色組織逐漸減少，明顯比上述組織更加均勻，在試樣3中，鈷相分布已有明顯變化。

（a）試樣1 （b）試樣2 （c）試樣3 （d）試樣4 （e）試樣5

圖1 不同試樣的SEM形象

2.2性能

表3說明，試樣2與試樣1均在一定程度上提高硬度和抗彎強度，這大大降低了后刀面磨損量，同時利于改善粘結劑與基體接觸界面的狀況，這一現象要歸功于將鎳和鈦二者作為粘結劑，取代原先的鎳單一的構成。納米SiCp起到了細化晶粒[2]和釘扎晶界的作用，不含納米SiCp試樣遠遠落后于添加納米SiCp后WC硬質合金，其在力學硬度、性能、和密度上都有落后。鈷與硬質相WC具有良好的潤濕性，這一功能可以幫助材料減少孔隙，同等條件下，鈷的硬度更高。

從表3分析得出，真空燒結法相比熱壓燒結工藝而言，存在一定的不足，比如致密性較差；但經過改良的硬質合金刀具材料出現了明顯的進步，不僅能夠降低后刀面的磨損程度，還可以改善其切削性。

表3 不同試樣的性能

試樣 硬度 抗彎強度 相對密度 后刀面磨損 抗壓強度

/HRV /Mpa /% /um /Mpa

1 78.53 793.37 86.02 583.0 2440

2 81.50 880.64 81.96 365.0 1660

3 81.71 850.89 85.30 337.0 2750

4 86.97 850.82 92.54 332.0 3290

5 86.27 899.19 92.84 296.0 3589

觀察圖2，各式樣磨損情況形態各異，試樣1后刀面磨粒磨損特征不明顯，但磨損區邊緣磨痕較明顯，并且出現了大崩刃和脫落的情況，試樣2中出現了小部分磨損狀況；而在改性后的刀具材料中，情況卻出現了明顯的不同，沒有崩刃，磨損也較少，犁溝的峰谷和間距比較均勻，盡管切削刃附近有較為明顯的破損，這在一定程度上表現出較為平穩的磨粒磨損特征，如圖2（c），（d），（e）所示。

圖2 不同試樣后刀面磨損表面的SEM形貌

3.結 論

3.1在硬質合金刀具材料中添加納米SiCp，可以使其組織更加均勻，這不僅能夠降低后刀面的磨損，還可以提高相對密度、硬度和抗壓強度。

3.2從粘結劑的角度出發，從原先的鎳單獨使用，到鎳和鈦二者的混合，這種方法能夠提高硬質合金刀具材料的硬度、抗彎強度，也可以降低后刀面的磨損。

3.3用表面化學鍍包覆粘結金屬鈷，這一方法能夠大大提高硬質合金刀具材料的整體性能。

3.4為提高WC基硬質合金刀具材料的相對密度、硬度、抗壓強度和抗彎強度，可以將鈷代替鎳作為納米SiCp改性的粘結劑，這也將會降低后刀面的磨損。

參考文獻：

[1]章曉波，劉寧，李勇，于超，陳焱.納米改性Ti（C，N）基金屬陶瓷的力學性能及抗熱震性能[J].硅酸鹽學報，2008，36（4）；503-509

[2]章小波，劉寧，陳炎，等.納米改性Tic，N基金屬陶瓷的組織和性能[J].中國有色金屬學報，2008，18（7）：1280-1285

[3]周玉.陶瓷材料學[M].北京：科學出版社，2004：1-4

[4]王零森.特種陶瓷[M].長沙：中南工業大學出版社，1994：1-13

[5]《國外硬質合金》編寫組.國外硬質合金[M].北京：冶金工業出版社，1976：168-519

作者簡介：王金新（1974.6-），男，漢族，籍貫：山東諸城，研究生，講師，研究方向：機械制造工藝、機械設計。