高速切削鈦合金的硬質合金材料低溫固相燒結技術研究

陳勝男，劉安虎

（株洲華銳精密工具股份有限公司，湖南 株洲 412000）

由于鈦合金材料自身切削加工性能的影響，一般刀具參與切削部位的結構都需要特殊設計，例如刀具的刃口結構，前角和導屑臺等槽型結構，才能保證切削的穩定性[1]。由于生產成本過高，刀具結構設計復雜，參數控制非常嚴格等問題，通常情況下，可以考慮通過改變硬質合金刀具自身材料性能來提高切削鈦合刀具的切削加工性能。硬質合金用做金屬加工刀具材料的數量最大，可制作車刀、銑刀、螺紋刀、鉆頭等。其中鎢鈦鈷類硬質合金適于鋼，鑄鐵等黑色金屬的長切削加工。在同類合金中，鈷含量較多的適于粗加工，鈷含量少的適于精加工。通用類硬質合金對于不銹鋼等難加工材料的加工壽命較其他硬質合金長得多。我國切削工具的硬質合金用量約占整個硬質合金產量的三分之一，其中用于焊接刀具的占78%左右；用于可轉位刀具的占22%左右；而數控刀具硬質合金僅占可轉位刀具用硬質合金的20%左右。考慮到硬質合金熱傳導性能較差，在加工過程中產生的熱量會被刀具完全吸收，因此要求刀具具有很好的散熱性能[2]。低溫固相燒結技術作為硬質合金燒結加工方面的熱門技術，結合張鳳林博士對硬質合金刀具在低溫固相燒結過程中對脫碳現象機理以及燒結動力學內容的深入研究，作為科技開發計劃項目“精密加工機床的超精細硬質合金刀具”（項目號0124578）和“十五”科技計劃重大項目“機械合金化合成納米復合材料及產品開發的關鍵技術研究”（項目號A12050751）的一部分，本文針對高速切削鈦合金的硬質合金刀具材料的低溫固相燒結技術進行如下研究。

1 高速切削鈦合金的硬質合金刀具低溫固相燒結技術研究

高速切削鈦合金的硬質合金刀具主要以燒結碳化鎢的形式存在，是將碳化鎢顆粒粘接到鈷和或鎳粘結劑基體上，以一種或幾種難熔碳化物，如：碳化鎢、碳化鈦等的粉末為主要成分，加入作為粘接劑的金屬粉末，經粉末冶金法而制得的合金。本文通過研究低溫固相燒結技術，致力于制備出高質量的高速切削鈦合金的硬質合金刀具。

1.1 硬質合金刀具低溫固相燒結機理

可以將運用低溫固相燒結技術制備高速切削鈦合金的硬質合金刀具的過程稱為粉末冶金，通過制取金屬粉米結合燒結工藝將硬質合金粉末制成刀具[3]。硬質合金刀具低溫固相燒結的機理可分為：首先，制取硬質合金原料粉末；再通過將硬質合金原料粉末壓制成具有一定槽型結構的刀具毛坯；將具有刀具形狀的毛坯在低溫下進行燒結；最終，得到具有化學、物理以及力學性能的硬質合金刀具。在硬質合金刀具低溫固相燒結時，最佳燒結溫度保持在1250℃～1280℃，最高不能超過1340度，并且在1200℃以上高溫保持3min～5min以上，然后進行冷卻，所謂共晶溫度是指緩慢升溫時，燒結體中開始出現共晶液相的溫度，對于WC-CO類合金在平衡燒結時的共晶溫度為1340℃，根據燒結中硬質合金的粉末固化程度，保證其致密化開始溫度總是低于共晶溫度，使硬質合金刀具能夠在更低的溫度條件下固相燒結直至致密化徹底完成。

1.2 硬質合金刀具低溫固相燒結的脫碳現象

結合目前國內對于硬質合金脫碳現象的研究，由于高速切削鈦合金的硬質合金刀具相區的碳含量范圍很窄，因此，導致硬質合金刀具低溫固相燒結過程中很容易出現脆性的脫碳相，而脫碳相就是能夠直接危害高速切削鈦合金的硬質合金刀具硬性的主要因素。可以將硬質合金刀具低溫固相燒結的過程看作是以一定的溶解度為基礎，WC在Co液相中的溶解-析出的過程[4]。在實際低溫固相燒結時，有部分WC溶解進入Co相中，并且溶解的WC以原子狀態W和C存在于Co相中，硬質合金刀具低溫固相燒結的脫碳現象可以用公式進行具體表示，如公式（1）所示。

通過公式（1）可知，在Co相中的W和C的溶解量取決于混合料中總的碳含量以及低溫固相燒結壓力以及爐內氣氛等因素。在溶解-析出過程中，一旦低溫固相燒結條件使高速切削鈦合金的硬質合金刀具的Co相中有較多的碳，可以通過Co相使硬質合金刀具中各部分碳達到均衡[5]。除此之外，當硬質合金刀具的本身少碳或者低溫固相燒結氣氛是脫碳氣氛，就必須通過WC在Co液相中的溶解-析出的過程最大限度上避免由于脫碳現象形成較多的脫碳相，從而影響硬質合金刀具的硬度。

1.3 消除脫碳相

為了在低溫固相燒結后能夠獲得無脫碳相的高速車削鈦合金硬質合金刀具，本文采用嘗試法在硬質合金粉體中添加游離碳來消除脫碳相[6]。考慮到硬質合金粉體細化到一定程度，很容易發生團聚現象。因此，球磨到一定程度就無法再通過球磨的方式來降低硬質合金粉體粒徑。這樣一來，很難準確測出球磨后硬質合金刀具的含氧量[7]。由于脫碳相的組織較為疏松，且WC顆粒比較細小，通過增加游離碳的添加量，脫碳相組織逐漸緊密起來，同時硬質合金刀具中的脫碳相所占的比例也逐漸減少。通過添加10組不同游離碳的嘗試實驗，并對添加10組不同游離碳經過低溫固相燒結后的硬質合金刀具進行X射線衍射分析，發現在添加2.4wt%游離碳時，低溫固相燒結后的硬質合金刀具中沒有脫碳相，能夠獲得最佳的綜合力學性能。因此，有理由相信在低溫固相燒結技術中使用2.4wt%游離碳，在硬質合金低溫固相燒結溫度下，碳的活性比較大，容易遷移，所以碳濃度比較一致，能夠消除脫碳相。

2 實驗

2.1 實驗準備

本次實驗對象為SP21硬質合金實驗條，尺寸規格為5.25mm*6.5mm*20mm的長方體，采用小型液壓機壓制后低溫固相燒結，制成10組試驗條。硬質合金刀具的硬度越高意味著其質量越好，高硬度的硬質合金刀具顆粒度小，且刀具密度較高，傳熱性能更佳。為此，本次實驗針對硬質合金刀具材料的硬度進行數據采集，采用維氏硬度檢測方法，對10組PS21實驗條進行維氏硬度測量。分別使用傳統燒結技術制備的硬質合金刀具以及本文設計燒結技術制備的硬質合金刀具進行對比實驗，設置傳統燒結技術制備的硬質合金刀具為實驗對照組，從而得到有效的硬度實驗結果。

2.2 實驗結果分析與結論

根據上述設計的實驗步驟，采集10組實驗數據，將兩種燒結技術下的硬質合金刀具硬度進行對比，硬質合金刀具硬度對比結果，如下表1所示。

表1 硬質合金刀具的硬度對比

通過表1可得出如下的結論：運用本文設計的燒結技術制備的硬質合金刀具硬度最高可達1870HV3，實驗對照組為1654HV3，設計的燒結技術制備的硬質合金刀具硬度更高，可以制備出高硬度的高速切削鈦合金的硬質合金刀具材料。通過實驗結果對比表明，本文所設計的燒結技術其各項功能均可以滿足制備高速切削鈦合金刀具的硬質合金材料的總體要求，表現出很好的性能優勢，可以廣泛應用于高速切削鈦合金的硬質合金刀具材料制備方面。

3 結語

本文通過設計低溫固相燒結技術，消除脫碳相，提高硬質合金刀具的硬度、耐磨性以及紅硬性，硬質合金低溫固相燒結后硬度可達1870HV3，在900℃～1000℃能保持高硬度，并有優良的耐磨性。與傳統燒結技術制備的硬質合金刀具相比，切削速度可高4倍～7倍，壽命長5倍～80倍。因此，通過本文提出的低溫固相燒結技術，可以滿足制備硬質合金刀具的實際需求。雖然現階段高速切削鈦合金的硬質合金刀具仍處于不完全成熟的階段，但是硬質合金刀具材料將隨著低溫固相燒結技術的不斷成熟而逐步優化，是指日可待的。希望通過本文研究，能夠為高速切削鈦合金的硬質合金刀具低溫固相燒結技術方面的研究提供一定的借鑒意義。