硬质合金材料（第6章）.doc

1 第六章第六章 硬硬质质合金制品的加工技术和强化处理技术合金制品的加工技术和强化处理技术 6 1 概述概述 硬质合金材料具有硬度高 红硬性好 耐磨性能优异等一系列优点 这是硬质合 金之所以能在机械制造 工具制造 矿山凿岩 电子通讯等许多部门中得到广泛应用 而独具的特点 然而 硬质合金的可加工性差 在一定程度上又限制了它的应用范围 的 人们为了充分发挥硬质合金的性能优势 一直在不懈地开发和完善硬质合金的加 工技术 随着硬质合金加工技术的发展 硬质合金的应用范围越来越广 据欧洲某公 司八十年代统计 七十年代以前硬质合金制品基本上不进行深度加工 到八十年代深 度加工制品已占总产量的 36 以上 预计到九十年代深度加工制品产量将占总产量的 70 其中 10 的制品还要进行精密加工 现在看来 由于顶锤 硬质合金轧辊 各 类硬质合金刀具和模具等产量的迅猛增长 实际比例应超过此值 众所周知 硬质合金是采用粉末冶金的方法生产的 压坯在烧结过程中通常有 17 22 的线收缩率 由于压坯密度的不均匀 烧结气氛和温度的不均匀以及粘结相 含量高的影响 烧结品的形状和尺寸精度与实际使用所要求的形状和尺寸精度之间存 在着不同程度的差异是不可避免的 此外 模具和耐磨零件对工作面的表面质量都有 相当高的要求 烧结品是无法满足的 由此可见 在绝大多数情况下 硬质合金必须 经过深度加工 才能在形状准确性 尺寸精度 表面粗糙度方面达到使用要求 由于加工效率低 工具消耗大 硬质合金的加工成本非常昂贵 这些因素常常决 定着采用硬质合金作结构件是否经济 因此 熟悉和掌握硬质合金的加工技术对于扩大硬质合金的应用领域和发展硬质 合金事业有着非常重大的意义 人们在发展和完善硬质合金加工技术的同时 还在提高烧结品内在性能方面做了 大量的研究工作 并取得了可喜的成绩 有些技术改变了硬质合金的整体微观结构和 提高了整体性能 如热处理技术 被称之为整体强化处理技术 有些则改变了表面硬 度及其应力状态 如涂层技术 提高了制品的耐用度 被称之为表面强化处理技术 进入九十年代后 硬质合金的涂层技术无论是涂层的方法 种类还是应用的范围都获 得了突飞猛进的发展 2 硬质合金的加工技术和强化处理技术均属于烧结后处理技术 为此将它们归在同 一章中介绍 6 2 硬质合金的加工技术硬质合金的加工技术 由于硬质合金具有很高的硬度 因此可以用作烧结后加工的技术不多 按加工方 式硬质合金加工技术大致可分为冷加工和热加工两类 冷加工技术有磨削 研光 抛 光和电解磨等 热加工技术有电火花加工 激光加工 热整形等 6 2 1 磨削磨削 6 2 1 1 定义定义 就加工效率 表面质量和形状准确性而言 磨削是当前最重要的硬质合金加工技 术 磨削是一种采用旋转的 由形状不规则的硬质颗粒粘结在一起的多刃工具 砂 轮 的有削成型过程 通常磨削是在工件与切削颗粒之间的相对运动不固定 速度非 常高的条件下进行的 6 2 1 2 加工方法和基本原理加工方法和基本原理 磨削的主要加工方法有以下六种 平面磨削 轧辊磨削 外圆磨削 仿形磨削 螺旋磨削 成型磨削 根据工作面在砂轮上位置的不同 磨削加工又可分为端面磨削和圆周面磨削 如 图 6 2 1 所示 磨削技术中的一些重要概念将借助周面磨削的例子来介绍 各种工艺尺寸和切削 力的构成在图 6 2 2 中都有说明 砂轮的特性尺寸是砂轮的宽度 bS 和直径 dS 砂轮的切削速度 vC 由砂轮的直径和 转速 nS 按下式计算即可得到 vC dS nS m s 6 2 1 工件的运动用它的进给速度 vft 表示 砂轮与工件的接触宽度 ap 在大多数情况下 3 代表横向进给 而每个磨程的切削深度用 ae 来表示 工艺过程将采用以下指标进行描述 磨削率 Qw 指的是每单位时间内工件材料被去 除的体积 Qw ae ap vft mm3 s 6 2 2 加工过程中工件总的体积磨削量用 Vw表示 其值为 Vw Qw t mm3 6 2 3 总切削力 F 通常被分解为平行于和垂直于被加工面的分力 即垂直切削力 Fn和平 行切削力分 Ft 为了精确对比不同的加工过程 这些指标通常是针对砂轮接触宽度不超出 1mm 时 加工所得到的数值 除了磨削率 Qw之外 对于严密评估磨削工艺经济性来说 磨削比有着同等重要意 义 磨削比 G 是工件磨削量 Vw和砂轮磨损量 Vs之商 G Vw Vs mm3 mm3 6 2 4 6 2 1 3 磨削工具磨削工具 由于硬质合金的高硬度 金刚石工具几乎是毫无例外地被用来磨削此类材料 个 别情况下 偶然也会用一下碳化硅砂轮 但是 由于碳化硅的硬度低 与金刚石相比 即使是最高的磨削率也还是很低的 因此这种砂轮很少用于工业生产 一般说来金刚石砂轮由两部分组成 基体和磨削层 基体决定着砂轮的静态的 和动态的刚性以及减震性 钢基体或铝基体都具有很高的刚性和导热性 但减震性较 差 与以上材料不同 铝 合成树脂的复合材料可提供好的减震性和足够的刚性 因此这种材料已在许多场合被采用 图 6 2 3 是用来进行硬质合金各种磨削加工的金刚 石砂轮的照片 磨削层的特征通过以下术语进行描述 磨料材质 磨粒型号 磨粒粒度 磨粒浓 度和粘结剂型号及其硬度 图 6 2 4 以简图形式展示了金刚石砂轮的结构和特征 目 前 关于高硬度磨削材料尚无标准 因此在某些情况下会出现一些不同的表达方式 磨削层中的金刚石型号对磨削结果有着明显的影响 对于硬质合金的磨削来说 合成金刚石已经取代了天然金刚石 通过选择不同的工艺参数人们可以控制合成金刚 石的性能 以便满足加工的要求 一般金刚石磨粒还需另外涂一层镍或铜 从而改善 4 与粘结剂的粘结性能 借助不同粘结剂的不同性能 砂轮与应用之间的关系还可得到进一步的细化 人 们对金属 陶瓷和树脂粘结剂以及电镀金刚石工具进行了对比试验 粘结剂的硬度是 表示磨粒耐脱落的特性值 磨损稳定性指的是粘结材料对磨屑的耐磨性 粘结剂除了 粘结金刚石外 还有一个同等重要的作用 即产生必要的缝隙以便磨屑的排出 除了 陶瓷粘结剂之外 其它的粘结系统都无孔隙 这样 排屑所需的缝隙必须通过磨粒的 顶尖与粘结剂表面之间的高差而获得 就一个确定的磨削过程而言 砂轮修整完毕 后 磨粒和粘结剂的磨损必须是持续不断地均匀磨损 也就是说 针对相应的磨削任 务必须精确地确定磨粒和粘结剂的性能 实际上这并非一件易事 在粘结剂方面的新 的研究成果带来了陶瓷金刚石砂轮在硬质合金加工中应用的增加 除了可以在相当宽 的范围内选择孔隙度的优点之外 陶瓷砂轮还有修正任务较轻的优点 这是一个特殊 的 与众不同的优点 6 2 1 4 砂轮的修整砂轮的修整 砂轮的加工效果受修整的影响 用来修整砂轮的各种方法须分别对待 砂轮的仿 形修整被用来在砂轮的工作面上生成一个特殊的几何形状 锐化修整过程通过减少粘 结材料和磨屑 达到产生一个特殊的表面形貌和足够的排屑空间的目的 同时每个磨 粒的切削刃也被磨锋利了 清理修整工艺只是将老的磨屑从磨粒的缝隙中清除出去 不同的磨料 不同的粘结系统采用不同的修整工具 碳化硅砂轮会首先被用来仿形修 整金刚石砂轮 有时也用钢辊 金刚石辊以及电解技术 刚玉棒被用作锐化工艺的主 要工具 并起到了清理的作用 单纯的清理也可以采用高压清理系统 现在机械加工行业越来越多地采用金属陶瓷刀片 由于金属陶瓷刀片的表面极易 富集粘结相 因此在磨削过程中砂轮缝隙很容易堵上 从而影响磨削效率 三年前 瑞士一家公司与大学合作开发了一种在线电解修整工艺 即边加工边可以将磨屑从磨 粒的缝隙中清理出去 而对金刚石和工件无损伤 6 2 1 5 硬质合金的磨削技术硬质合金的磨削技术 实践证明 加工硬质合金时合成树脂粘结剂金刚石砂轮的磨削力最小 对工件材 料影响也最小 这一粘结系统的磨削率也是最高的 合成树脂的性能和状态决定了它 5 既可被用作硬质合金的湿磨 也可被用作硬质合金的干磨 借助加入陶瓷或金属填充 物 合成树脂能够满足两种加工方式的不同要求 因此 大多数的硬质合金加工都采 用这类粘结剂的砂轮 如果加工过程的主要目的是砂轮的磨损要很慢 仿形磨就属于这种情况 金属 粘结剂则表现出了非凡的特点 在此粘结系统中 通常采用 粗短 型的金刚石磨 粒 磨粒被牢牢地粘结在金属中 这就获得了较好的耐磨性和抗冲击性 单层电镀砂轮可以看做是金属粘结砂轮的一种特殊形式 这类砂轮对于磨削那些 用普通砂轮仿形磨削时精度无法达到的特殊外形工件尤其有效 这些工具的寿命取决 于金刚石镀层的磨损速度 对于砂轮的磨损和工件的表面质量有极大影响的 除了粘结剂的性能外还有金刚 石磨粒的粒度 用于硬质合金磨削的磨粒粒度范围一般在 D7 D252 之间 这一代码范 围表示金刚石磨粒的平均直径 单位是微米 因为排屑缝隙主要取决于超粗的磨粒 允许的最大超粗磨粒又取决于磨粒粒度 因此所能达到的磨削率受磨粒粒度的制约 在其它磨削条件相同的情况下 采用细粒度砂轮可获得较好的表面质量 与之相反 采用粗粒度砂轮可获得较高的磨削比 见图 6 2 5 砂轮的金刚石磨粒的浓度被认为是又一个砂轮实际应用中最重要的特性值 浓度 的表示方法是选择一个浓度 4 4 克拉 cm3 定为 100 作为起始点 砂轮的浓度越 高 砂轮的磨损就越小 见图 6 2 6 工件的光洁度就越高 浓度高的唯一缺点是磨 削力较大 与选择合适的砂轮一样 选择磨床的型号和规格对于加工过程的经济性和质量可 靠性具有同样重要的意义 一般说来较高的磨削速度可得到较好的表面质量和较小的砂轮磨损 但是 对于 硬而脆的工件材料来说 磨削速度超出约 35m s 往往不会有好的结果 相反 极高的 磨削速度反而会导致磨削比 G 的降低 这一结果与砂轮的热破损增多有直接的关系 在磨削硬质合金时 高的工件速度 工作平台速度 和较大的切入深度会导致砂轮磨 损增大和表面质量降低 图 6 2 7 是硬质合金以不同方式磨削 深磨与往复式磨 时 工件进给速度 工作平台速度 vft和切入深度 ae对磨削比 G 的影响 往复式磨削的特点是采用许多单向的或双向的 切入量很小的磨程和非常高的平 台速度 反之 深磨的台速极低 而切入深度非常大 并只用一个或几个磨程 要作 6 出到底是采用深磨还是往复磨的方式来加工工件的决定 还必须考虑诸如对工件刃口 和表面区域质量影响等因素 也还要考虑以上提到的技术方面的因素 采用热负荷相 当高的深磨 由于微观结构发生改变和内应力 裂纹的产生 会导致刃口和表面区域 的损伤 降低砂轮和工件材料热负荷的一种办法就是采用磨削冷却液 此法尤其适用于砂 轮磨损受冷却液牌号影响的磨削加工 一种含 2 3 油的乳化液基冷却液在磨削硬质合 金时表现出了满意的性能 除了砂轮磨损需要考虑外 还有一个问题要考虑 即钴从 硬质合金中被溶解出来也与冷却液种类有关 部分从工件表面溶解出来和部分从磨屑 中溶解出来的钴在乳化液中生成了复杂的化合物 合成类冷却液的溶解钴的亲和力明 显下降 由于须将冷却液中的重金属清除干净 钴溶解在乳化液中会导致附加成本的 增加 硬质合金中的钴粘结相严重地影响着磨削的难易程度 对不同钴含量的硬质合金 进行了磨削试验 图 6 2 8 是试验的结果 由图可见 磨削比随着钴含量的增加而降 低 这可能与工件材料的韧性增加有直接关系 6 2 1 6 硬质合金的磨削设备和可转位刀片的磨削硬质合金的磨削设备和可转位刀片的磨削 用于硬质合金加工的机床必须满足非常高的要求 这些要求特别适用于磨床 因 为极高的磨削力要求磨床具有高的静态的和动态的刚性 太低的刚性会产生精度较低 的形位公差和和较差表面的质量 因此 只有部分磨削过程是在普通磨床上进行的 为了加工独特的结构件 在零部件行业里进行了专门的研究开发工作 图 6 2 9 展示了 一台用于硬质合金磨削的平面 仿形和深磨磨床 该磨床的特色是极高的静态和动态 的刚性 主电机带有一个独立的转速控制器 电机功率为 79Kw 因此即使进行大面积 接触磨削也始终有足够的动力 冷却液系统具有高的流速和很高的清除压力 此压力 能有效地限制热负荷 现以铣刀片为例介绍可转位刀片有关部位的名称 见图 6 2 10 硬质合金可转位刀片的研磨加工一般要经过以下几个步骤 端面磨削 周边磨削 负倒棱磨削 7 过渡刃和修光刃磨削 周边 刀尖圆弧磨削 端面磨削 该磨削过程的目的在于将刀片加工到规定的厚度 平面度和光洁度 磨削有两种 方式 研削和磨削 研削 刀片放在行星盘内 多个行星盘放在两个铸铁研盘之间 两个研盘相对旋 转 刀片在载料盘内作行星运动 在研盘和刀片间注入研削介质 研削介质通常由碳 化硼或碳化硅和水或油组成 所用研削机床以 Peter Walter 公司的为多 磨削 刀片放在料夹内 料夹由送料器送入两个平行的金刚石砂轮之间作前后摆 动运动 两个砂轮作反向旋转 刀片在此过程中完成磨削 这种方式的效率高 尺寸 精度易控制 后续处理简便 用的越来越广泛 使用的机床多为万特公司的双端面磨 床 周边磨削 周边磨削的目的是为了获得合适的内切圆直径 IC 和装夹特性值 m 同时也必须获 得表面光洁度 直线度 垂直度 刀片装在刀夹中 连续给料 每次磨一边 负倒棱磨削 该磨削的目的是在切削刃上加工一个倒棱 以便增加其强度 加工后可以获得所 需的宽度 长度和角度 该加工既可以是手工的也可以是自动的 过渡刃和修光刃磨削 该磨削的作用在于获得准确的 m 值 后角和较高的表面光洁度 最普通的方法就 是将刀片手工或自动地夹固在旋转夹具上 磨一个刃转一个相应的角度 周边 刀尖圆弧磨削 该磨削的作用在于获得准确的内切圆直径 IC 值 m 值 对称性 刀尖圆弧 后角 和较高的光洁度 磨削在自动仿形磨床上进行 以上介绍的是八十年代以前可转位刀片的加工过程 即端面 周边 负倒棱 修 光刃和过渡刃 刀尖圆弧 后角等的磨削都是分别进行或部分结合进行的 且大部分 采用手工操作 进入九十年代后 该加工过程大大改进 除了端面磨削外 其它各部 位的加工均可在数控全自动周边磨床上一次装夹完成 图 6 2 11 是一台加工可转位刀片的专用周边磨床 为了以旋转的方式磨削刀片的 8 周边 首先将端面已磨好的可转位刀片夹固在两个液压顶杆上 第二步 砂轮以一个 固定的进给量 Vfa对刀片周边的平面部分进行加工 砂轮进给采用往复式多磨程的方 式 以便在砂轮表面产生均匀的磨损 这种方式也有助于被加工表面形状的稳定性 见图 6 2 12 最后一步是刀尖圆弧的形成 为了生成圆弧 砂轮在刀片轴线中点与 砂轮磨削面之间的一个固定距离上移动 以便与实际圆弧相符 因此刀尖圆弧是通过 刀片旋转 360 生成的 刀片周边的外形全部可以在磨床上进行编程 磨床内设的尺寸 控制系统能使批量生产的直径精度控制在 2 m 内 以上所述的磨床是一台符合批量 生产要求的专用的硬质合金可转位刀片的周边磨削设备 如果将适当的装料系统附加 到磨床上 该设备就可实现无人操作 但是绝大多数硬质合金的结构件和耐磨件采用普通磨床加工 为了使加工系统适 合硬质合金制品的加工 就有必要确定精确的机床技术标准和加工条件 图图 6 2 1 磨削工艺的模式磨削工艺的模式 9 10 11 12 13 6 2 2 刃口钝化处理 刃口钝化处理 ER 处理 处理 该处理的作用在于使切削刃圆化从而得到强化 刀片寿命与刀片刃口的形状有着 极为密切的关系 因此人们对刃口的形状 大小和均匀性的要求特别高 这就是为什 么刃口处理如此之重要的原因 人们规定刃口钝化处理后 W H 0 圆弧半径为 30 10 m 见图 6 2 13 ER 处理有以下几种方法 刀片 刚玉和水装在密封的圆桶内 圆桶同时作旋转和振动运动 碳化硅喷砂处理 用粘有碳化硅颗粒的尼龙刷子刷削 第一种方法应用最早 成本最低 但很难保证 W H 比 且刀片破损严重 现已极 少采用 第三种方法应用越来越广泛 W H 比值控制得最好 且刀片破损少 第二种 方法介于两者之间 仍有公司采用 14 图图 6 2 13 刃口钝化的相关尺寸刃口钝化的相关尺寸 6 2 3 研削研削 研削被定义为是一种采用表面涂有含磨粒的软膏或液体的研板进行的切削 正如 以上所述 研削也可分为平面 内圆和外圆及成型研削 见图 6 2 14 由加工过程中 磨粒的运动方式所定 工件研削面上的磨痕是无序的 研削被推荐为精加工工艺 特 别是对于那些除了对形位公差有要求外 还要求有无序的粗糙度和好的机械强度的零 件来说更是如此 影响研削率和被研削量的最重要的因素有 移动速度 研削压力 研削材料的粒 度以及研削介质的浓度和粘度 粒度 100 m 以下的碳化硅 碳化硼和金刚石等研料可 被用来研削硬质合金 研料既可以是水基的也可以是油基的悬浊液 根据不同的加工 过程 每升悬浊液通常含 100 200g 研削料 优化研削工艺的关键是研料粒度 研削压力 研削速度等因素的确定 与细颗粒 研料相比 采用粗颗粒研料可以获得较高的研削效率 同样 采用较高的研削压力和 研板转速可增加工件的被研削量 因此 研削率可以高达 0 2mm min 因为研料颗粒在 研削过程中破损严重 所以研削悬浊液可能每次只能使用一个工作周期 合成金刚石粉末的水 油或酒精的悬浊液常被用作研削介质 所要求的粒度在 30 m 0 5 m 之间 这意味着每一个特定的金刚石粉末粒度范围必须很窄 表 6 2 1a 和表 6 2 1b 列出了硬质合金的表面质量与研削介质的粒度的关系 并和钢 陶瓷作了 比较 有少量的应用场合要求硬质合金的工作面有很高的光洁度 这就必须采用抛光工 15 艺 精研 这种操作要求使用较软的研板 如铜板 锡板 塑料板或木板 有时也用 固定在平面上的抛光布 带有一个 几个平面或外曲面的扁平工件 见图 6 2 14a 可以采用形状相对应的 料盘研削 圆柱形的外表面或内表面可以采用适当的外圆或内圆研削工艺进行加工 图 6 2 14b 这种工艺加工出来的表面具有高的表面质量和优异的尺寸精度 硬质合金的球和拉伸模的内孔采用该技术生产 超声波 振动研削是一种非常特殊的研削工艺 图 6 2 14c 特别适合硬而脆的 材料即硬质合金的加工 在此研削过程中 研料通过振动波从振荡器传递到工件表面 的过程完成其切削作用 该工艺适合任何特殊形状工件的生产 该技术加工硬质合金 的难易程度随材料韧性的增加而降低 16 6 2 4 电解磨削电解磨削 6 2 4 1 电解磨削的定义和方式电解磨削的定义和方式 电解磨削加工是一种以导电砂轮作阴极 工件作阳极 在电解液中使两极靠近到 一定距离 借助于电解作用进行加工的一种方法 电解磨削加工的方式根据工件形 状 加工精度和加工批量大小不同而不同 根据磨轮的类型不同和电流供给方式不 同 大体上可分为三种 a 金属粘结剂金刚石砂轮作导电磨轮 使电解加工和机械加工同时进行的方式 这种电解磨削加工方式的基本原理如图 6 2 15 所示 其机械结构如图 6 2 16 所示 这 种电解磨削是以磨轮导电部分作阴极 被加工工件为阳极 接通直流电源并使电解液 在两者之间流过 此时电流便从工件通过电解液流到磨轮轴上 再经过磨轮轴汇流到 电源 这时在工件和磨轮的导电材料之间就发生电解加工 而难被电解掉的物质在工 件表面上生成的阳极膜则由磨轮的机械磨削作用除掉 电解加工量约占 90 机械磨 17 削量约占 10 磨料粒子的凸出量在 0 05mm 以下 这不仅有防止两极短路的作用 而且还起着电解液通路间隙的作用 这样就便于控制加工尺寸的精度 b 上述的粗加工 半精加工之后 切断电加工的电源 只用机械磨削方法进行精 加工的方式 这是一种提高加工精度的方式 这种方式利用电解磨削高效率的优点 在迅速去掉加工余量之后停止电解加工 在不更换磨轮的情况下 使用同一个磨轮即 可对剩下的加工余量进行精密磨削加工 因此 其加工精度与一般机械加工相同 c 利用石墨磨轮在其与工件处于完全非接触的状态下进行电解成型磨削的方式 这种磨削方式的原理与磨削步骤如图 6 2 17 所示 首先按加工要求制出与工件形状相 同的样板车刀 用来车削石墨磨轮的外圆 使其成形 然后用成形的石墨轮进行电解 磨削 但在电解磨削过程中不能均匀地控制好电解的间隙 使得工件不能精确地复制 石墨磨轮的形状 因而需要在电解磨削后根据工件形状误差测定结果修正样板车刀 并用它再次车削磨轮 然后用修正好的石墨磨轮再次进行电解磨削 6 2 4 2 影响加工过程的因素影响加工过程的因素 在分别采用金属粘结金刚石砂轮 导电磨轮和石墨磨轮电解磨削 WC 6 Co 硬质 合金时 其磨削效率对比如图 6 2 17b 所示 可以看出 在所有情况下 加工量均随着 电流密度的提高而增大 但是所用的磨轮类型不同 其加工效率有很大的差别 在分别用金属粘结金刚石砂轮和石墨磨轮电解加工硬质合金时 人们发现 工作 台进给速度与吃刀深度成反比关系 而且不同的磨轮差别很大 用石墨磨轮加工时 工作台的进给速度可按下式计算 6 2 5 2 vD V t 式中 V 工作台进给速度 mm min 系数 v 电解速度 mm min 加工硬质合金时 为 0 2 0 5mm min D 磨轮直径 mm t 吃刀深度 mm 用不同磨轮电解磨削硬质合金时 其加工精度也不同 用石墨磨轮进行成型磨削 时 其加工精度为 0 02 0 15mm 用金刚石砂轮磨削时 则为 0 01 0 05mm 表 18 面粗糙度 Rmax 1 2 m 6 2 4 3 电解磨削实例电解磨削实例 电解磨削可用于硬质合金的平面磨削 外圆磨削 内圆磨削 成形磨削等如图 6 2 18 所示 表表 6 2 2 硬质合金电解内圆磨削时孔径和孔深对磨削效率的影响硬质合金电解内圆磨削时孔径和孔深对磨削效率的影响 孔径 D mm 长度 L mm 长径比 L D 磨轮直径 D mm 30 10 0 3 20 10 20 20 7 7 30 4 2 3 加工时间 电解磨削 tc min 机械磨削 tm min 效率比 tm tc 1 0 3 3 3 3 1 0 7 3 7 3 3 0 18 0 6 0 硬质合金电解磨削内圆的主要优点是 一不受直径小及孔深的影响 二磨轮锋利 程度不变 而且由于磨削负荷小 可以重复进行成形磨削 以 G5 硬质合金内圆电解磨 削为例 在磨削余量为 0 2mm 直径 的条件下 改变孔径和孔深时电解磨削和机械磨 削工时的对比如表 6 2 2 所示 从表中可见 越是小径深孔电解磨削的效果越突出 硬质合金梯形孔的电解磨削实例如图 6 2 19 所示 最大磨削余量 单边 为 1 35mm 磨轮设计成带有与加工尺寸相同的台阶差 用电解磨削加工这种孔时加工时 间为 22min 加工后椭圆度为 2 m 锥度为 4 m 用电火花加工这种孔时 则需要 3 小时 可见 电解磨削加工效率比电火花加工高 9 倍 而且还不会产生裂纹 19 20 21 6 2 5 电火花加工电火花加工 由于加工设备的效率越来越高 形状复杂的硬质合金制品采用电火花和激光等方 法进行精加工或打孔的情况正在与日俱增 6 2 5 1 基本原理基本原理 电火花加工的定义是 运用间隙和时间进行伪静态的或动态的放电的有屑加工过 程 只有将导电材料 如硬质合金 放入不导电的介质中电火花的加工作用才会发 生 工件和成型工具是两个相反的电极 两极之间施加高频电压 当电压超过了击穿 电压时 即产生放电 这一过程受加工条件和绝缘介质的绝缘能力的制约 在加工过程的开始阶段 电场在两极最小狭缝的粗糙平面间建立起来 同时 电 场将液体中最细的颗粒吸引过来 图 6 2 20 中的时间点 t1 颗粒聚集在一起 建成电 桥 电流开始在电桥上流动 最后颗粒通过电流流动 开始变成放电通道 被蒸 发 时间点 t2 放电电流形成 然而电压因为物理状态改变而下降 开始放电通道非常小 必须通过液体的蒸发向绝缘液体中扩张 第三阶段 由于 扩大了的放电通道中的温度上升 等离子体在此生成 通过缩径管道的作用 电弧温 度达到了约 104K 借此 工件材料熔化在工件和成型工具的表面上 时间点 t3 借助 施加的脉冲电压 过热熔体最后猛力地向外喷射 时间点 t4时 气泡开始收缩 散落 的材料颗粒被流动的绝缘液体所带走 成功应用电火花加工技术的条件是被加工材料的最小电导率要 0 01 0 1S cm 所 有硬质合金都能满足这一要求 6 2 5 2 工艺技术工艺技术 与 切削 的精加工相类似 电火花加工也可以分成不同的工艺技术 例如 可 以将其分成 刻模 电火花加工和 切割 电火花加工 在刻模电火花加工中 加工 工具由一个工作面轮廓形状与所需形状正好相反的电极构成 最简单的情况下 进给 只有工具电极方向的进给 如可转位刀片压模冲头的加工 刻模电火花加工被用来修 复硬质合金的带孔的模具和拉伸模 就行星式电火花加工而言 进给扩大到了回转进 给 以便工件的被加工的狭缝获得较好的清理作用 通过采用跟踪控制电火花加工技 22 术就可以生产出形状复杂的模具和夹具 当刻模电火花技术用于硬质合金加工时 所 能达到的加工效率 材料的去除率 粗加工约为 200 500mm3 min 精加工约为 10mm3 min 刻模电火花必不可少的电极是由高导热率的材料 通常是铜或石墨制成 在一 些特殊情况下采用烧结钨铜合金 线切割是一种应用十分广泛的 用于已半精加工的硬质合金制品的加工工艺方 法 这种特殊的加工方法采用一根连续走动的线形电极 该电极沿着曲线轨迹迎着工 件材料移动 切口由电火花产生 而工作电极由一根绷紧的线材构成 因为线形电极非常细 一般尺寸范围在 0 05 mm0 3 之间 所以在板坯上可以切 出任何所需的形状 加工条件选择得当 就有可能达到精加工的粗糙 度 Ra 0 45 m 6 2 5 3 表面质量表面质量 电火花工艺对工件的表面质量有负面影响 这对于要承受高应力的结构件来说十 分重要 负面影响的原因在于工件与工具之间的狭缝中剧热和剧冷的极端恶劣的环 境 这种环境会导致裂纹 夹杂和表面层内部张应力的产生 然而正确选择加工参数 可以完全避免表面缺陷的出现 图 6 2 21 是普通参数和经过优化的参数加工出来的表 面质量的对比 人们可以十分清楚地发现 当采用优化参数加工的硬质合金时熔化区 变小了 表面缺陷可以通过降低进给速度避免 用电火花加工硬质合金时 只有粘结相中的低熔点组元被熔化才是最可取的 在 基体表面的碳化钨变松 直至变得可以从结构中剥离出来 硬质合金的不同成分导致电火花加工难易程度明显不同 硬质合金的钴含量明显 影响腐蚀速度和被加工表面的粗糙度 图 6 2 22 显示了钴含量对加工效率 Qw和最终粗 糙度的影响 随着钴含量的增加 加工效率降低 表面光洁度也降低 这是因为沉积 在加工表面上的金属数量增加的缘故 在图 6 2 23 中很容易发现钴含量与电火花加工难易程度的关系 在最大的切割功 率条件下 钴含量 6 的硬质合金显示出明显的微裂纹的趋势 而熔化区却较小 同样 的加工条件下钴含量较高的硬质合金发现了相反的结果 形成微裂纹的倾向减弱 而 熔化区的面积和深度大大增加 23 24 6 2 6 激光加工激光加工 6 2 6 1 基本原理基本原理 激光加工的实质是利用激光所产生的光束使金属或非金属瞬间熔融或蒸发的一种 加工方法 其基本原理与电子束加工极为相似 就激光发生器而言可分为固体的和气体的两种 固体激光用于加工 气体激光用 于测量 固体激光材料有红宝石 钕玻璃 钨酸钙 CaWO4和钇铝石榴石 YAG Y3Al5O12 现以红宝石为例 其发光机理如下 红宝石是在氧化铝中掺有适量 铬离子的晶体 将红宝石制成圆棒 两端面抛光成相互平行的光学平面 再蒸镀银膜 以形成光学谐振腔 在红宝石棒的周围缠绕螺旋状闪光灯泵 当红宝石中的铬离子从外部吸收光时 便由基态跃升到激发态 然后通过两个过 程再回到基态 如图 6 2 24 所示 第一个过程是从激发态降低到亚稳态 这时仅仅把相当于这两个能态的能量差提 供给晶格 并不发光 第二个过程是由亚稳态降到基态 这时就释放出与这两个能态 的能量之差相当的 6943 埃的光 由激发态向亚稳态的跃迁几乎是在瞬间发生的 而由亚稳态向基态的跃迁这需要 毫秒级的时间 而且没有固定周期 在一般情况下 为了产生激光 必须使这两个能 态中的能态高的原子数多于能态低的原子数 这种状态称为粒子数反转 在红宝石激 光器中 粒子数反转是由于闪光灯放出的光汇集到红宝石中并被它吸收而实现的 一 旦获得粒子数反转 最初就会有几个原子偶然跃迁到基态 随之便引起一种类似谐振 的现象 使其它处于亚稳态的原子纷纷向基态跃迁 并放出光子 这种现象称为受激 辐射发光现象 由于红宝石两端是镀银的 光到端头便会被反射回来 并沿棒的轴线反复反射 其相位也就一致了 因此 一旦光的强度超过在谐振腔中的损失 就会从红宝石棒的 端头放射出 6943 埃的红光 并返回到基态 因这一瞬间仅在 0 05 秒以内 所以能产 生非常强的红色闪光 激光与其它任何一种光源发出的光相比 在相干性 单色性 方向性等方面都遥 遥领先 从激光器发出的全部光通量 虽然一般都不大 但是进入激光谐振腔的光都 25 是以固定的波长 向固定的方向放射的 因此将这种光聚焦 就能得到与普通光源发 出的光无法比拟的大功率密度 例如 当把红宝石激光聚焦时 其焦点的功率密度可 达 109瓦 厘米 2 如果在焦点位置上放置一个工件 其表面温度将被加热到 10000 借此可对工件进行加工 6 2 6 2 影响加工过程的因素影响加工过程的因素 目前已根据上述原理设计并制造出各种激光加工机 其典型结构如图 6 2 25 所 示 在用激光加工机在硬质合金制品上打孔时 影响加工过程的主要因素有脉冲时 间 脉冲功率 聚焦面离加工表面的距离 聚光系统的焦距等 在激光打孔效率最大 时最佳加工条件的计算机分析结果如表 6 2 3 所示 从表中可见 如果在脉冲能量增大到 18 焦耳的同时 将脉冲时间减小到 0 9 毫 秒 并将焦距数值降到 42 毫米 则会出现打孔效率的提高 被加工表面到焦点的最佳 距离等于 15 毫米 并在能量变化的全部区间恒定不变 加工孔径随着脉冲能量的增大而增大 但当脉冲能量超过 6 焦耳时 增大脉冲能 量对孔径没影响 在脉冲时间较长 0 9 1 5 毫秒 的情况下可加工出最大孔径 1 5 毫米 此时 焦距为 90 毫米 而焦面对到加工材料的距离为 0 5 毫米 加工孔的深度随着脉冲能量增大而增大 但当脉冲能量超过 18 焦耳时 增大脉冲 能量对孔深无影响 表面损伤与表面状态主要取决于功率密度值 对于硬质合金而 言 在焦距区所产生的热量应当略超过该牌号硬质合金的蒸发热 表表 6 2 3 激光打孔效率最大时的最佳加工条件激光打孔效率最大时的最佳加工条件 条 件计 算 机 分 析 结 果 脉冲能量 J 最大打孔效率 10 4g pulse 脉冲时间 ms 焦面位置 mm 集光系统的焦距 mm 2 8 35 1 2 1 5 58 6 8 65 1 2 1 5 58 10 11 57 0 9 1 5 58 14 18 02 0 9 1 5 58 18 27 77 0 9 1 5 42 对于高精度孔的加工 可先用激光束打出 然后再用电火花加工或超声波加工进 行精加工 目前 激光加工法已成功地用于生产和修复拉丝模 26 6 2 6 3 激光加工的特点激光加工的特点 综上所述 激光加工是一种先进的加工技术 其主要特点如下 a 由于激光加工是将高平行度 高能量密度的激光聚集到工件表面上来进行加 工 因而激光光束的直径在理论上可达 1 微米以下 能进行非常精细的加工 在硬质 合金制品上可打出小于 1 5 毫米的孔 b 由于激光加工的功率密度非常高 可达 107瓦 厘米 2以上 因而对那些以往难 于加工的材料 如硬质合金 陶瓷等 都可用激光加工 c 由于能使工件离开加工机 以适当的距离进行非接触加工 因而不会污染材 料 同时加工变形和热变形也很小 d 通过选择适当的加工条件可在同一装置上进行打孔 切割和焊接 27 28 6 2 7 热整形热整形 众所周知 硬质合金是采用粉末冶金工艺技术生产的 由于压坯的密度差 烧结 时的气氛和温度等的影响 采用该工艺生产的产品的形位公差很难满足使用的要求 正如以上所述 要达到使用要求可采用机械加工 电火花加工或激光加工等技术将制 品进行加工 但是 有些形状复杂的制品要不无法加工出来 要不就是费用极其昂 贵 如螺旋铣刀片 瓦形制品以及变形了的棒材 片材 管材等即是如此 为了解决 这类问题 粉末冶金的通常做法是将烧结后的产品进行整形处理 如铁制品这一方法 应用相当广泛 然而 硬质合金是弹性模量非常高的脆性材料 采用普通的冷整形技 术让其发生塑性变形是不可能的 为此必须采用特殊的加工技术 即热整形技术 热整形是一种将硬质合金制品加热到一定温度后 在外力和模具的共同作用下使 其发生塑性变形 从而将其修整到所需形状的加工方法 该技术属于无屑加工技术 该技术的加工原理十分简单 就是将产品按要求放入相应的石墨模具中 然后与 模具一起升温 直到硬质合金在很低的压力下就能塑性变形的温度时 对模具或制品 施以足够的压力 制品即会按模具的形状发生变形 最后制品冷却到常温 由于硬质 合金在很低的压力下发生塑性变形的温度相当高 一般在 1200 以上 而且还要施加 一定的压力 因此 尽管原理十分简单 但实现这一原理的机械装置却十分复杂 热整形可分为间歇式的和连续型式的两种 间歇式热整形的工作原理如图 6 2 26 所示 实际上这套装置是由一台真空烧结炉 和一台油压机改装组合而成 首先将产品一件件装入石墨模具中 并送入真空或气氛 加热炉内 然后将产品和模具加热到塑性变形温度以上 最后将产品和模具整体推入 加压室 并施加相应的压力 以便让产品按模具的形状变形 整形后产品再退回加热 炉随炉冷却至室温 至此 热整形过程完成 影响间歇式整形效果的主要因素是温度 装炉量和压力 温度太低 或装炉量过 多 或压力过低 会造成产品变形不到位 温度太高 或装炉量过少 或压力过高 会造成产品变形过量 或产品与石墨粘结在一起 间歇式热整形适用于单重较大的产品的整形 如瓦形制品等 该技术还有一个更 广泛的用途是变了形的棒材 管材 片材等的修复 连续式热整形设备的工作原理如图 6 2 27 所示 这套装置是专门为螺旋铣刀片生 29 产而设计的 该装置由三部分组成 给料机构 成型机构和加热系统 给料机构由一 个气缸和一条轨道组成 成型机构实际上就是石墨模具 分成加热区 过渡区 成型 区和冷却区 加热系统是由带控温装置的气氛高频炉组成 用来生产螺旋铣刀片的原 料是硬质合金长条 长条由气缸送入石墨模具的加热区 当温度超过塑性变形温度 长条被依次挤入过渡区 成型区和冷却区 产品从模具中挤出 意味着热整形过程完 成 由于模具的一端为进料端 另一端为出料端 这样 生产就变成了连续式 影响连续式热整形工艺的主要因素有温度和模具与产品之间的间隙 温度太低 所需挤压力大 模具消耗大 严重时挤不动 温度太高 硬质合金中的液相数量增 多 制品与模壁间的粘滞力增大 模具消耗同样也增大 且后面的产品易变形 模具 与产品间的间隙太小 挤压力增大 模具消耗大 间歇太大 产品的形位公差变大 因此 不同牌号硬质合金的整形温度和模具间歇都需要通过试验才能确定 由于连续式热整形设备和工艺的研制成功 大大提高了螺旋铣刀片的产量和质 量 热整形工艺采用之前 工厂采用挤压工艺加烧结的技术生产螺旋铣刀片 年产量 不超过 10 万片 合格率在 50 以下 现在热整形的螺旋铣刀片的年产量为几十万片 合格率达 90 以上 6 3 硬质合金的整体强化处理技术硬质合金的整体强化处理技术 所谓硬质合金的强化处理技术是指硬质合金制品经过强化处理后整体或者表层发 生结构和性能的变化 从而提高其性能 硬质合金的强化处理技术可分为整体强化处 理技术和表面强化处理技术两大类 所谓硬质合金整体强化处理技术是指硬质合金制品经过强化处理后整个体积内部 发生结构和性能的变化 从而提高其整体性能 诸如凿岩工具 冲压工具 高压容器 等硬质合金镶嵌件除了表面高耐磨性之外 还要求具有整体的高强度 硬质合金整体 强化处理则为这些工具和零件的整体强化处理提供了一种有效的处理方法 目前用于 硬质合金整体强化处理的主要方法有硬质合金热处理和超声波振动处理 6 3 1 硬质合金的热处理硬质合金的热处理 硬质合金热处理的可能性早在 1946 年就有人提出 但是 关于硬质合金热处理 的合理性问题直到不久以前还是一个有争议的问题 直到八十年代人们才真正对这一 30 技术给予重视并取得成效 6 3 1 1 工艺概述工艺概述 热处理工艺可分为三类 一是在 600 1000 下退火 或回火 保温时间 1 100 小时 二是从烧结温度下在各种介质中淬火 三是烧结态制品再在 800 1400 下于各 种介质中淬火 第一类热处理的特点是改善各相的应力状态和时效粘结相 第二 三 类的特点是改变两相首先是粘结相的结构特征和整体特性 由于热处理是一种体积强化的方法 故对热处理工艺的基本要求是 加热时保证 能在粘结相中发生成分于结构的转变 并在冷却时能全部或大部分地保留下来 淬火 是能满足这一要求的最适宜的方法 为了消除应力的不良影响 淬火后再进行必要的 回火处理是有利的 因此 一般的热处理工艺都包括两部分 淬火处理和回火处理 影响淬火处理效果的主要因素有 加热温度 保温时间 加热介质 气氛 与淬 火介质 加热温度可在 600 1500 内选择 保温时间的选择范围为几分钟到 2 小时 实践证明 温度高的效果要好一些 选择的原则应保证 W 和 C 在中有最大限度的溶解 及尽可能地得到面心立方钴 加热介质有三种 盐浴 氮气和真空 氩气也可用作加 热介质 但成本太高 较少使用 盐浴的成分以 BaCl2为主 在添加适量的辅助剂 对加热介质的主要要求是不使合金表面氧化 脱碳和脏化 淬火介质直接影响冷却速 度和热处理的效果 一般采用油 水 氮气和氩气 油类中又有机油和特种真空热处 理油 实践证明真空油淬效果较其它介质的淬火效果要好 回火的主要作用是消除淬火后制品中的残余应力及控制过饱和粘结相的分解与弥 散析出 影响回火效果的因素是温度和时间 6 3 1 2 热处理对合金性能的影响和实际效果热处理对合金性能的影响和实际效果 热处理对 WC Co 硬质合金力学性能的影响十分明显 如表 6 3 1 所示 经热处理 后 合金的抗弯强度可提高 5 17 硬度提高 3 9 冲击韧性提高幅度最大 达 15 30 甚至更高 31 表表 6 3 1 热处理对硬质合金性能的影响热处理对硬质合金性能的影响 在 50 断裂几率下的 冲击次数合金成分 抗弯强度 kg mm2 冲击韧性 104J m3 维氏硬度 HV10 30 kg mm2 抗压强度 kg mm2冲击载荷 谐和负载 WC 6 CO WC 8 CO WC 15 CO WC 25 CO 175 186 183 196 201 235 210 220 2 35 2 65 2 55 3 05 3 83 4 90 4 71 5 40 1363 1432 1275 1306 1030 1128 873 912 540 550 404 410 347 364 166 902 219 480 470 1640 346 700 8 48 19 64 23 126 21 69 最大 120 kg mm2 最大130 kg mm2 分子为热处理前的数值 分母为处理后数值 热处理后硬质合金力学性能的提高导致工具耐磨性的提高 用各种磨料进行的耐 磨性试验结果见表 6 3 2 从表中可见经热处理的 WC 6 Co 和 WC 15 Co 合金与电炉 刚玉摩擦时的耐磨性分别提高 60 和 70 在与绿色碳化硅和碳化硼摩擦时其耐磨性 提高 7 18 在与研磨性能较低的材料 如铸铁 钢 木材等 摩擦时 合金耐磨性 提高幅度更大 为 20 100 热处理对硬质合金疲劳强度的影响最为明显 各种不同钴含量的 WC Co 合金在冲 击载荷下疲劳强度的试验结果如图 6 3 1 所示 一般都可提高 1 5 倍 表表 6 3 2 热处理对硬质合金耐磨性的影响 按热处理对硬质合金耐磨性的影响 按 Y8 钢标样和钨标样测定 钢标样和钨标样测定 WC 6 CoWC 15 Co i i i i 磨料 Y8WY8WY8WY8W 电炉刚玉 绿色碳化硅 碳化硼 7 20 11 5 1 27 1 50 0 54 0 62 5 10 8 10 0 90 1 06 0 50 0 57 60 18 15 61 18 14 2 10 3 60 0 84 0 90 0 57 0 62 1 50 2 60 0 60 0 64 0 53 0 58 71 7 9 78 7 9 分子为热处理后的磨损值 分母为热处理前的磨损值 热处理对硬质合金疲劳强度的影响最为明显 各种不同钴含量的 WC Co 合金在冲 击载荷下疲劳强度的试验结果如图 6 3 1 所示 一般都可提高 1 5 倍 热处理后 由于力学性能 耐磨性能和疲劳强度的明显改善 硬质合金工具的使 用寿命大幅度提高 在循环冲击载荷下合金的使用寿命提高 1 5 倍 在谐和载荷下使 用寿命这提高 3 12 倍 高压装置 冲压模具 凿岩工具 铣刀等的工业使用表面 经 热处理的硬质合金镶嵌件的使用寿命平均可提高 0 2 1 倍 我厂已成功地将该技术用于部分球齿和顶锤的生产 32 6 3 1 3 热处理的强化机理热处理的强化机理 热处理的强化机理大致有以下三点 a 固溶强化 粘结相是富钴的固溶体 其中有 W 和 C 在 1280 的共晶温度下 W C 在 Co 中的 固溶量达到最大值 此时进行淬火急冷 便可将高温下溶解了的 W 和 C 全部或大部分 地保留在其中 使粘结相得到强化 钴基合金的性能随 W C 含量而变化 当该含量达 到 10 左右时性能最佳 热处理正好可使粘结相中的 W C 达到或接近这一数值 b Co 强化 众所周知 Co 有两种同素异形体 即面心立方的 Co 和密排六方的 Co Co 有 12 个滑移系 Co 只有 3 个 由金属学原理可知 滑移系越多 材料的塑性越 好 因此 Co 具有更好的塑性 但在常温下钴具有的是密排六方的 Co 只在 417 以上的高温下才转变为面心立方的 Co 若要提高钴的塑性 在冷却过程中就 必须防止 Co 向 Co 的转变 众所周知钴在硬质合金中两个作用 一是顾名思义 的粘结作用 二是通过滑移 松弛和协调由变形引起的应力场及两相的应变状态 钴 的相变 对合金的形变过程 应力应变状态及使用寿命有着十分重要的影响 研究钴 的相变过程 有效地抑止 Co 向 Co 的转变 对改善钴在硬质合金中的作用 对 提高材料寿命 有着非常重要的现实意义 遗憾的是 Co 在室温下很不稳定 在很小的驱动力作用下就有自发向 Co 转 变的趋势 例如整个合金处于 1 的应变状态 就足以诱发其向 Co 的转变 这种 转变一经发生 即使只有 10 的转变量 由于总的滑移系减少 其松弛 协调应变 的能力也随之明显下降 硬质合金之所以具有高脆性 Co 不可避免地要发生向 Co 的转变是一个不可忽视的重要原因 根据金属学原理 多晶系转变取决于位错的扩展