硬質合金刀具材料的發展思路

【中鎢在線新聞網-鎢新聞】

應用晶須增韌補強、納米粉復合強化技術全面提高硬質合金刀具材料的硬度、韌性等綜合性能，是硬質合金刀具材料研究今后發展的重要方向。

1.晶須增韌補強技術

a. 增韌機理

由于硬質合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此很難應用于一些對刀具韌性要求較高的加工場合(如微型深孔鉆削等)。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補強技術。

加入硬質合金材料中的晶須能吸收裂紋擴展的能量，吸收能量的大小則由晶須與基體的結合狀態決定。晶須增韌機制主要表現為：①晶須拔出增韌：晶須在外界負載作用下從基質中拔出時，因界面摩擦而消耗掉一部分外界負載能量，從而達到增韌目的，其增韌效果受晶須與界面滑動阻力的影響。晶須與基體界面之間必須有足夠的結合力，以使外界負載能有效傳遞給晶須，但該結合力又不能太大，以便保持足夠的拔出長度。②裂紋偏轉增韌：當裂紋尖端遇到彈性模量大于基質的第二相時，裂紋將偏離原來的前進方向，沿兩相界面或在基質內擴展。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有更大的斷裂表面，因此可吸收更多外界能量，從而起到增韌作用。在基質內加入高彈性模量的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉增韌機制。③晶須橋接增韌：當基質斷裂時，晶須可承受外界載荷并在斷開的裂紋面之間起到橋梁連接作用。橋接的晶須可對基質產生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。

b. 晶須的選用及添加方式

目前常用的晶須材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化硼、莫來石等。但研究重點應放在單晶SiC晶須材料上，這是由于SiC本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀(針狀)SiC粉末體較易獲得。

SiC晶須的添加方式主要有兩種：①外加晶須方式：將一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮化物等為基體的粉末材料中，通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方式目前使用較廣泛。②合成晶須方式：將粉末基體與SiO2、碳黑、燒結助劑等混合后，在一定溫度和壓力下合成SiCw晶須，然后通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方法目前尚在進一步研究開發之中。一般選用SiCw晶須的直徑范圍為0.01——3μm，長度范圍為0.1——300μm，晶須的長徑比取值為10，SiCw晶須添加量為5%——40%。我國目前使用的SiCw晶須特性見表1。

c.晶須的取向與含量

晶須增韌硬質合金材料熱壓成形后，晶須的分布呈現出明顯的方向性，在不同方向上因晶須取向不同而表現出不同的增韌效果。因此，在制造硬質合金刀片時應考慮晶須取向對刀具切削性能的影響。此外，WC-Co-SiCw材料中的晶須含量不同，其增韌效果也有較大差異。如晶須含量過多，會因燒結困難而難以獲得致密度高的材料組織，從而影響硬質合金材料強度；如晶須含量過少，則晶須增韌效果不明顯，材料斷裂韌性提高有限，晶須可能非但起不到增韌作用，反而成為多余夾雜物甚至缺陷源。因此，存在一個最佳晶須配比，按此配比添加晶須，不僅可獲得致密度高的材料，而且外載能通過界面傳給晶須，有效實現晶須的增韌作用。為達此目的，應根據刀具損壞方式的不同，分別優選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的WC-Co-SiCw刀具進行切削加工，以充分實現這種刀具材料的增韌補強作用。

2.納米復合強化技術

a.強化機理

納米技術是近年來發展迅速的一門新興技術。當材料的晶粒尺寸達到納米級，就會產生許多特異性能。由于納米材料具有較大界面，界面上的原子排列相當混亂，在外力變形條件下極易遷移，因此使材料表現出良好的韌性與延展性。納米刀具材料的顯微結構物相具有納米級尺度，由于尺寸效應的作用，晶界面積增大，抗裂紋擴張阻力提高，從而可獲得優異的力學性能(如斷裂韌性、抗彎強度、硬度等)，表現出良好的切削性能。

由于生產工藝不成熟、價格昂貴以及燒結過程中納米晶粒容易發生瘋長等原因，迄今世界上還沒有一家公司實現100nm粒度硬質合金材料的工業化規模生產。因此，納米硬質合金材料的工業化應用還有待時日。但是人們發現，在細晶粒硬質合金基體中加入納米顆粒，也可使硬質合金基體材料的硬度、韌性等綜合性能有較大提高。因此，采用納米復合強化是改善細晶粒硬質合金材料性能的有效途徑。

納米復合強化機理主要是因為彌散在硬質合金基體材料中的納米顆粒具有彌散增韌作用。當在基質材料中加入高彈性模量的第二相粒子(納米顆粒)后，這些粒子在基質材料受到拉伸作用時將阻止橫向截面收縮，而要達到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應力，這樣就可使材料消耗更多能量，起到增韌效果。同時，高彈性模量顆粒對裂紋可起到“釘扎”作用，使裂紋發生偏轉、繞道，從而耗散裂紋前進的動力，起到增韌作用。此外，彌散在硬質合金基體材料中的納米顆粒可抑制硬質合金晶粒在燒結過程中的長大，綜合提高硬質合金材料的機械性能。

b. 抑制劑的選擇

制備納米復合細晶粒硬質合金時，一個重要問題是在燒結過程中如何抑制晶粒的長大。細晶粒硬質合金在燒結時極易快速長大，晶粒長大會導致材料強度下降，單個的粗大WC晶粒常常是硬質合金發生斷裂的重要誘因。通過添加抑制劑能有效阻止燒結過程中WC晶粒的長大，而消除WC晶粒局部長大的關鍵在于抑制劑的均勻分布。晶粒長大現象主要發生在WC的溶解沉淀過程中，即WC溶解在液相中并沉淀在較大WC晶體上而導致晶粒長大。抑制劑可抑制晶粒長大的一個重要機理在于加入抑制劑可降低WC在粘結相中的溶解度，使WC晶粒的溶解—析出機制受到阻礙，從而破壞晶粒長大的條件；同時，加入的抑制劑可沉積在WC晶粒的活化長大晶粒上，從而阻止晶粒進一步長大。

通常用于控制WC晶粒長大的抑制劑有VC、Cr3C2等，此外，添加的難溶碳化物還有TiC、ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC等。圖1所示為制備WC-X-20%Co(X為添加的碳化物)硬質合金時(1400℃下燒結1小時)WC的平均晶粒度與各種碳化物單獨添加量之間的關系。由圖可見，各種碳化物抑制劑控制WC晶粒長大的效果順序為：VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC>ZrC>HfC，其中VC的抑制效果最明顯，而添加微量Mo2C和Cr3C2則幾乎沒有抑制WC晶粒長大的作用。

c. 抑制劑添加方式

抑制劑的添加方式對超細硬質合金性能影響極大。在添加量相同的條件下，以單質形式加入抑制劑通常可使硬質合金材料的孔隙度更高、晶粒更細；而以固溶體形式加入抑制劑時，硬質合金材料的孔隙相對較少、晶粒較粗。按不同方式添加抑制劑的WC-8%Co硬質合金的性能指標見表2。可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質合金各項性能指標較好，材料抗彎強度有較大提高。以VC為例，如以單質形式添加，VC更容易溶解于Co相中，從而減少了W的溶解量；VC排列在WC/Co界面上，可阻止晶粒長大，并使晶粒生長不完整；在冷卻過程中，#0 向!0 晶粒擴散，形成(W，V)C固溶體，由于形成固溶體時間短，在晶粒內造成較大微觀應變，從而影響硬質合金的機械物理性能。如以固溶體形式添加VC抑制劑，WC、VC同時向Co相內擴散，V的溶解量有所減少，而W的溶解量增加，孔隙充填更為容易，但同時也使VC的抑制作用下降；在冷卻過程中，由于部分VC已經以(W，V)C的形式存在，使晶粒內部的應變減小，晶粒生長更趨完整，從而提高了硬質合金的機械物理性能。

鎢鉬制品生產商、供應商：中鎢在線科技有限公司

詳情查閱：http://www.chinatungsten.com

訂購電話：0592-5129696短信咨詢：15880262591

電子郵件：sales@chinatungsten.com

鎢圖片網站：http://image.chinatungsten.com

鎢視頻網站：http://v.chinatungsten.com

鎢新聞、價格手機網站，3G版：http://3g.chinatungsten.com

關注微信公眾號“中鎢在線”，了解每日鎢鉬最新價格