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(diǎn)主要包括以下幾個(gè)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(shí)，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(shí)的橫截面積不變。經(jīng)過ECAE工藝加工的粉體晶粒可明顯細(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(gè)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(jià)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(dòng)化加工時(shí)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(dòng)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(dòng)化加工對換刀定位精度的要求。

上述特點(diǎn)決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動(dòng)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(shí)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?yàn)橄⊥猎�素可�?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。