硬质合金刀具新技术研究进展

第25卷第1期2010年2月

Vol．25，No．1

Feb ．2010

China Tungsten Industry 收稿日期：2009－12－24基金项目：科技部支持项目（2009ZX04012-023）：高效可转位刀具系列及超硬工具的研究及产业化作者简介：李力（1984-）

，男，河南洛南人，硕士研究生，从事粉末冶金制备硬质合金刀具方面的研究。文章编号：1009－0622(2010)01－0045-05

硬质合金刀具新技术研究进展

李

力，栾道成，胡

涛，张崇才

（西华大学，四川成都610039）

摘要：随着硬质合金研究的进展，硬质合金刀具已在越来越多的领域代替常规刀具材料。笔者从硬质合金刀具的

性能和应用、

烧结技术、及表面加工等方面，综合评述了近年来国内外硬质合金刀具新技术的研究成果。关键词：硬质合金刀具；烧结技术；表面加工

中图分类号：TG135+.5

文献标识码：A

0引言

随着加工工业的发展，现代刀具材料向着高精度、高速切削、干式切削和降低成本等方向发展[1]。硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料。它是由难熔金属化合物和金属黏结剂经粉末冶金方法制成的工具材料。其硬度为HRA

89~94，

远高于高速钢，且具有化学稳定性好、耐热性高等优点。据文献[2]报道，发达国家90%以上的

车刀和55%以上的铣刀都采用硬质合金材料，而且比重仍在增加。另外，

硬质合金也用来制造钻头、端铣刀。作为加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具也日益增多。

1新型硬质合金刀具

现阶段国内外比较常用的硬质合金刀具采用的

是WC 基硬质合金，

近年来又出现了TiC （N ）基硬质合金、超细晶粒硬质合金、涂层硬质合金等刀具新品种[3]。

1.1

碳（氮）化钛基硬质合金刀具

这类硬质合金是以TiC （N ）为主要成分的TiC （N ）-Ni-Mo 合金（金属陶瓷）。它的硬度高（HRC 可达到94~95）、耐磨性好且高速切削钢料时磨损率低。此外，它的抗氧化性好、耐热性好（1000℃以上也可以加工）、化学性能稳定。可以用来制造高速精加工用的刀具材料，填补了WC 基硬质合金和陶瓷刀具材料的空白。钨资源在世界多数国家比较匮乏，

随着钨资源的短缺，研发少含或不含钨的刀具材料有重要的战略意义[4]。TiC （N ）基硬质合金已经有接近陶瓷材料的硬度和耐热性，而韧性又远远超过陶瓷材料。这种硬质合金用Ni 作为粘结剂，并加入Mo 或MoC 2。人们把TiC 基和TiCN 基硬质合金称为金属陶瓷[5]。

金属陶瓷刀具的不足之处主要是韧性不够高和切削刃抗塑性变形的能力不够强，因此不适用于粗加工，也不适于淬硬钢和冷硬铸铁等硬脆材料的加工。近年来，

为了增加金属陶瓷材料的韧性，很多学者进行了相关研究，并取得了一定的成效。以日本京瓷（Kyocera ）公司的产品为例，说明金属陶瓷刀具材料的新发展：发展和使用了TiCN-NbC 和TiC-TiN 基金属陶瓷，其性能进一步提高；发展了超细晶粒金属陶瓷，其平均晶粒为0.6μm ，抗弯强度达到2.5Gpa ；

发展了涂层金属陶瓷，采用PVD 涂层技术，

涂层用TiAlN 材料，性能高于无涂层者。1.2

超细晶粒硬质合金刀具

文献[6-7]的研究表明：当WC 晶粒度足够小

（≤0.5μm ），及达到超细晶粒尺度时，硬质合金的硬度和强度都可以得到较大的提升，达到高硬度和高强度的统一。超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度和高耐磨性兼备的硬质合金，它的WC 粒度一般为0.1~0.2μm 以下，大部分在0.5μm 以下，是普通硬质合金WC 粒度的几分之一到几十分之一。具有

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卷

硬质合金的高硬度和高速钢的强度。其硬度HRA 一般为90~93，抗弯强度为2000~3500MPa ，比含钴量相同的普通WC-Co 硬质合金要高[8]。不同晶粒度硬质合金的切削性能如表1[9]。

表1不同晶粒度WC 硬质合金刀具切削性能

超细晶粒硬质合金适合于在高速钢刀具耐磨性不够及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削

速度过低而不宜使用传统硬质合金的情况下使用。对于一些涂层刀片不能发挥其优越性的情况下，这种材料更能显示其独特的效果。

超细硬质合金刀具不仅可以加工有色金属、黑色金属，还可以加工淬硬的钢材、耐热耐蚀不锈钢、宇航用高温合金、木制品、玻璃纤维等，而且可以制成切削刀片和整体硬质合金刀具，进行高效精密加工。在先进刀具材料中，它已经占据主导地位[10-12]。在切削速度为300m/min 的高速切削状态下，可以长时间加工60HRC 以下的钢材材料。如在Gr 17Ni 2上镗孔时，刀具刃磨一次可加工的工件数为：YT15为4~5件，YT05为29~50件，而用YS2车刀可达到90~140件[13]。由于超细硬质合金刀具晶粒极细，可以磨得非常锋利、光洁，可以用于制造各种精密刀具和用于数控车床。

2硬质合金刀具材料的烧结新技术

烧结技术是决定硬质合金组织和性能的关键步

骤，也直接影响刀具材料的性能[14]。在烧结过程中需要着重注意两个问题，烧结温度的控制和晶粒粒度的控制。如何在尽量低的烧成温度下达到合金的完全致密和烧结过程中的晶粒长大的合理控制是烧结技术的发展方向。以下总结几种新式的烧结技术。2.1放电等离子烧结

放电等离子烧结（SPS ）是一种新型的烧结技术，它通过直接在颗粒之间通入脉冲电流进行加热烧结。在SPS 烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化，利用颗粒内部自身发热进行烧结[15-16]。这种放电直接加热法，热效率极高，放电点的弥散分布能够实现均匀

加热，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。

由于升温速率快，直接跳过了表面扩散过程，有效的控制晶粒尺寸。

余洋等[17]对比研究了放电等离子烧结和传统真空烧结超细WC-Co 硬质合金的组织和性能。结果显示：SPS 烧结时间只有真空烧结的1/26，晶粒更细，硬度提高1.5%，抗弯强度提高12.6%。另外放电等离子烧结和传统真空烧结合金的力学性能比较如表2。

表2

SPS 与真空烧结硬质合金力学性能

2.2微波烧结

微波烧结是近十几年来发展起来的一种新型烧

结技术，它与常规加热方法有显著的不同。微波烧结通过微波与烧结材料的相互作用使烧结材料内部的原子、分子或离子的动能增加，故材料的烧结活化能降低，扩散系数提高，可实现低温快速烧结，即细粉来不及长大就已被烧结，是制造细晶材料的有效手段[18-22]。E Breval et al [23]微波烧结制成了WC/Co 金属基复合材料，并发现增强体WC 颗粒细小、分布均匀，其力学性能明显优于传统烧结。

微波烧结有以下几个优点：显著降低了烧结温度，最高可达500℃；降低能耗；缩短烧结时间，提高致密度，细化晶粒。但是微波烧结过程中容易出现热失控效应，对烧结体加热不均匀，从而影响产品性能。另外适合工业生产的大功率微波炉在制造上有很大困难，微波烧结还不能大规模用于生产。2.3其他烧结方式

除了上述烧结技术以外，还有一些新的烧结技术不断被研发出来。如激光烧结、二阶段烧结[24]、热挤压烧结等烧结方式。锻造烧结则通过粉末的高温塑性可有效地消除空隙。这些烧结方法可以从一定程度上细化晶粒，得到致密的硬质合金材料。

3硬质合金刀具的表面加工新技术

采用新技术对硬质合金刀具的表面加工可以提

高刀具的耐用度和使用寿命，对机械工业的发展有

着重要的意义。3.1涂层技术

涂层硬质合金是在硬质合金基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜

WC 硬质合金刀具牌号WC 晶粒度/μm 硬度（HRA ）断裂韧性/

（MPa ·m 1/2）

H/Kc

M 1/2

密度/（g ·cm -3）YH6F 0.1396.19.5226314.7YU060.3093.89.1225314.7YF060.5091.58.8204614.9YL10

1.70

90.9

7.9

2000

14.9

烧结方式晶粒尺寸/nm

致密度/%硬度（HRA ）抗弯强度/MPa SPS1150℃23099.391.11704SPS 1200℃

33099.590.61604VAS

530

99.8

89.2

1424

46