硬质合金刀具新技术研究进展

硬质合金刀具新技术研究进展硬质合金刀具新技术研究进展

硬质合金刀具新技术研究进展

第25卷第1期2020年2月

Vol．25，No．1

Feb．2020

ChinaTungstenIndustry收稿日期：2020－12－24基金项目：科技部支持项目〔2020ZX04012-023〕：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(2020)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、及外表加工等方面，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；外表加工

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，当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加。

1新型硬质合金刀具

现阶段国内外比拟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可到达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℃以上可以以加工〕、化学性能稳定。能够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拟匮乏，

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，并参加Mo或MoC2。人们把TiC基和TiCN基硬质合金称为金属陶瓷[5]。

金属陶瓷刀具的缺乏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，因而不适用于粗加工，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，并获得了一定的成效。以日本京瓷〔Kyocera〕公司的产品为例，讲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，抗弯强度到达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〕，及到达超细晶粒尺度时，硬质合金的硬度和强度都能够得到较大的提升，到达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下面，大部分在0.5μm下面，是普通硬质合金WC粒度的几分之一到几特别之一。具有

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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，比含钴量一样的普通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

超细晶粒硬质合金合适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能够加工有色金属、黑色金属，还能够加工淬硬的钢材、耐热耐蚀不锈钢、宇航用高温合金、木制品、玻璃纤维等，而且能够制成切削刀片和整体硬质合金刀具，进行高效精细加工。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，能够长时间加工60HRC下面的钢材材料。如在Gr17Ni2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车刀可到达90~140件[13]。由于超细硬质合金刀具晶粒极细，能够磨得非常锋利、光洁，能够用于制造各种精细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]。在烧结经过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。怎样在尽量低的烧成温度下到达合金的完全致密和烧结经过中的晶粒长大的合理控制是烧结技术的发展方向。下面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烧结经过中，电极通入直流脉冲电流时霎时产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地本身产生焦耳热并使颗粒外表活化，利用颗粒内部本身发热进行烧结[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，因此容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。

由于升温速率快，直接跳过了外表扩散经过，有效的控制晶粒尺寸。

余洋等[17]比照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烧结时间只要真空烧结的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拟如表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互相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]。EBrevaletal[23]微波烧结制成了WC/Co金属基复合材料，并发现加强体WC颗粒细小、分布均匀，其力学性能明显优于传统烧结。

微波烧结有下面几个优点：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。但是微波烧结经过中容易出现热失控效应，对烧结体加热不均匀，进而影响产品性能。另外合适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。这些烧结方法能够从一定程度上细化晶粒，得到致密的硬质合金材料。

3硬质合金刀具的外表加工新技术

采用新技术对硬质合金刀具的外表加工能够提

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·m1/2〕

H/Kc

M1/2

密度/〔g·cm-3〕YH6F0.1396.19.5226314.7YU060.3093.89.1225314.7YF060.5091.58.8204614.9YL10

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/MPaSPS1150℃23099.391.11704SPS1200℃

33099.590.61604VAS

530

99.8

89.2

1424

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第1期李力，等：硬质合金刀具新技术研究进展

〔如TiC、TiAlN、Al

2

O3等〕。结合了基体的高强度、高韧性和涂层的高硬度、高耐磨性的优点。既降低了刀具的磨损又保证了基体韧性，延长了刀具的使用寿命，是刀具发展的又一次革命[25]。

涂层硬质合金刀具有比基体更高的硬度及耐磨性，有高的耐热性(可800~1000℃)。如在常温时的硬度为HV2000，在1000℃时仍能保持HV1000，而未涂层硬质合金却下降到HV500。涂层硬质合金刀具比未涂层硬质合金耐用度高(一般可提高1～3倍，高的可达5～10倍)，切削速度高,进给量及切削深度大。在用涂层刀片车削中,进给量高达0.51～0.76mm/r，同时切削深度达6.35～7.6mm也是不罕见的。因而,能极大提高效率,改善工件外表质量,是近些年来硬质合金领域中获得的最大成就之一。

目前，涂层硬质合金刀具的发展方向主要有下面几点[26]：

3.1.1涂层成分多元化

随着加工工业的发展，单一成分涂层已经无法知足生产需求。而且由于涂层和基体之间膨胀系数和晶体类型不同，很容易产生残余应力，结合力不强。在单元涂层中参加新元素〔如参加Al、Cr和Y提高抗氧化性，参加Zr、V、B和Hf提高抗磨损性，加Si提高硬度和抗化学扩散〕制备多元的涂层，大大提高刀具的综合性能。

目前应用最广泛的多元涂层是TiCN和〔Ti、Al〕N涂层。TiCN涂层可在涂覆经过中控制C和N的成分来提高涂层的性能，构成梯度构造来降低内应力和阻止裂纹扩展，提高韧性。〔Ti、Al〕N涂层有很高的硬度和抗氧化能力，比TiN涂层刀具更能有效地用于连续高速车削，也合适于加工铁合金、镍合金不锈钢等工件。

成都工具研究所研制出Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B两个系列共三种高性能多元复合涂层，具有优异的复合机械性能和优良的切削性能。主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上[27]。

3.1.2涂层构造的多层化

随着高速和干式切削加工技术的进步，单层涂层已不能知足苛刻的工作条件。采用多层涂层的方法既能够充分利用单层涂层优良的力学性能，又能够进一步提高其硬度、韧性和抗氧化性，还能够改善涂层和基体的结合方式。是目前提高刀具性能的重要研究方向。图1显示了涂层从单层到多层的构造变化[28]。

目前研究和应用较多的是双层涂层和3~7层

〔b〕〔c〕

〔a〕

〔a〕单层涂层〔b〕三层涂层〔c〕多层涂层

图1涂层由单层到多层时界面构造的变化

的多层复合涂层。涂层的成分更具有针对性和成分的复杂化，另外涂层的厚度也趋向纳米化，每一层的成分和厚度都能够根据实际情况来控制。如TiC/TiN涂层同时具有TiC涂层的高硬度和TiN涂层良好的化学稳定性和高抗月牙洼磨损性能。由于TiC在膨胀系数上更接近基体，内应力小且结合牢固，所以常用作多层涂层的底层。三层涂层的组合方式有TiC/TiCN/TiN、TaC/TiC/TiN、TiN/TiC/TiN和TiCN/TiC/TiCN等，都是利用各个单涂层的优点根据不同的切削条件组合而成的[29]。

3.1.3涂层工艺的多样化

硬质合金刀具涂层方法很多，包括气相沉积、热喷涂、化学热处理、热反响扩散沉积、溶胶凝胶法等。气相沉积应用比拟多，制备涂层质量好，已经逐步成为刀具涂层的主要技术。气相沉积分为化学气相沉积〔CVD〕和物理气相沉积〔PVD〕。十分是20世纪80年代以来，PVD技术成功用于切削刀具的硬质涂层，已普遍应用于铣刀、钻头、铰刀、丝锥、异形刀具等的涂层处理，并扩展到模具和摩擦零件及装饰等防腐耐磨镀层，在先进制造技术中占有重要地位，引起材料和机械领域的广泛重视。

3.2离子注入技术

离子注入是指在离子注入机中将离子加速成高能高速的离子束，注入到固体材料的外表内，获得高

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硬度的硬化层[30]。近年来，研究人员开场使用离子注

入作为改进刀具性能的手段，并发现经过离子注入后刀具的耐磨性和使用寿命都得到提高，而且大幅度提高耐用度〔50%到4倍〕。

离子注入技术相对于涂层技术有独特的优越性，它使材料表层区域的化学组成和微观构造发生变化，离子轰击的多种强化作用使材料内部产生晶格缺陷，进而提高外表的机械性能。同时克制了涂层和基体的结合问题。

硬质合金刀具的离子注入以N、C最具有代表性，目前，已经有研究人员在开发双离子注入技术[31]。3.3深冷加工

深冷处理是指将材料放置在-130℃下面的可控环境中进行保温以提高或改善其性能的一种工艺。深冷处理不仅能显著提高材料的机械性能和稳定性，而且操作简单、成本低廉、无污染，具有可观的经济效益和市场前景[32-34]。

固然深冷处理在提高刀具耐磨性和使用寿命上的作用已经得到广泛认可，但在硬质合金刀具界还没有推广使用，主要原因是深冷处理的机理还在研究经过中。深冷处理发展空间非常广阔，已经遭到越来越多研究人员的重视。

4结语

迄今为止，国内外在硬质合金刀具的研发方面已经获得了突破性进展，新型硬质合金刀具不断涌现，硬质合金刀具已经在更为广阔的领域里发挥作用。相信随着材料制备加工技术的发展和新型材料的不断出现，硬质合金刀具将成为刀具行业里的重要气力。参考文献：

[1]于启勋，张京英.刀具涂层技术的进展和应用[J].航空制造技术，2007，〔7〕：1-4.

[2]张文毓.硬质合金涂层刀具研究进展[J].稀有金属与硬质合金，2020，〔3〕：59-63.

[3]刘长付，柳文进.硬质合金刀具材料的发展与应用[J].山东农机，2001，〔2〕：12-13.

[4]马丽林，刘滨，于启勋，等.金属陶瓷刀具材料的发展应用[J].航空制造技术，2020，〔7〕：100-101.[5]陈兆盈，陈蔚.碳化钛硬质合金[J].硬质合金，2003，20

〔4〕：197-199.

[6]Fukatsu.高强度的微晶硬质合金[J].国外难熔金属与硬质材料，1992，8〔2〕：6-10.

[7]

邬荫芳.双高超细合金的研制[J].硬质合金，2000，17〔4〕：214-219.

[8]何天禄.硬质合金刀具在加工合金钢中应用[J].模具工程，2006，〔10〕：53.

[9]任莹晖，张璧，周志雄.不同晶粒度硬质合金的磨削力预测[J].纳米技术与精细工程，2020，6〔6〕:415-423.

[10]

郭庚辰.液相烧结粉末冶金材料[M].北京：化学工业出版社，2003：23.

[11]张武装，

高海燕，黄伯云.纳米WC-Co复合粉的研究[J].硬质合金，2002，19〔2〕：91-95.

[12]张庆.刀具材料的应用和发展[J].热处理，2006，21〔4〕：8-11.[13]宁夏，

李华昌.硬质合金刀具切削不锈钢材料初探[J].宁夏电力，2006，〔增刊〕：184-186.

[14]果世驹.粉末烧结理论[M].北京：冶金工业出版社，1998：11-14.[15]

ZHAOShixian，SONGXiaoyan，WANGMingsheng，etal.PreparationofultrafineWC-Cocermetsbycombiningpretreatmentand

Consolidationwithsparkplasmasintering[J].稀有金属：

英文版，2020，28〔4〕：391-395.[16]

李志林，朱丽慧，刘一雄，等.压力对放电等离子烧结硬质合金性能影响[J].粉末冶金工业，2020，〔1〕:1-4.

[17]余洋.放电等离子烧结和真空烧结超细WC-12Co硬质合金[J].

上海金属，2020，30〔5〕：16-19.

[18]孙强金，

朱和国.微波烧结技术的研究进展[J].中国材料科技与设备，2020，〔6〕：5-7[19]

AgawalDA，CHENGJ，SeedopaulP，etal.GraingrowthcontrolinmicrowavesinteringofultrafineWC-CoCompositepowdercompacts[J].PowderMetallurgy，2000，43〔1〕：15.

[20]Rodigerk，DreyerK，GerdesT，

etal.Microwavesinteringofhardmetals[J].InternationalJourneyofRefractoryMetals&HardMaterials，1998，16：409[21]王茂青.气压烧结硬质合金性能的研究[J].硬质合金，1998，15〔4〕：217.

[22]

LaouiT，FroyenL，KruthJP，etal.EffectofmechanicalalloyingonselectivelasersinteringofWC-9Copowder[J].PowderMetallurgy，1999，42〔3〕：203.

[23]BrevalE，CHENGJP，AgrawalDK，et://doczj/doc/0ebdb5136c175f0e7cd13737.htmlparisonbetween

microwaveandconventionalsin-teringofWC/Cocomposites[J].MaterialsScienceandEngineeringA，2005，91:285-295.[24]ChenWI，WangXH.Sinteringdensenacocrystallineceramics

withoutfinal-stageGraingrowth[J].Nature，2000，404：168.[25]刘海浪，

羊建高，黄如愿.硬质合金涂层刀具研究进展[J].凿岩机械气动工具，2020，〔2〕：52-59.

[26]陈颢，

羊建高，王宝健，等.硬质合金涂层技术现状及瞻望[J].硬质合金，2020.3，26〔1〕:54-58.

[27]周彤.刀具涂层技术的应用[J].机械工人，

2002，9〔2〕：22-25.[28]LengauerW，DreyerK.Functionallygradedhardmetals[J].Journalof

alloysandcompounds，2002，338〔1/2〕：194-211.

[29]肖诗纲.刀具材料及其合理选择〔第二版〕[M].北京：

机械工业出版社，1990.

[30]余米香，

范洪远，熊计.离子注入在硬质合金刀具中的应用[J].工具技术，2020，42〔6〕：48-50

[31]SangheraHK，SullivanJL，SaiedSO.AppliedSurface[J].Science，

1999，141：57-76.[32]

顾永俶，丁晓纪，顾

畅.Ti+C双离子注入GCr15钢外表改性

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第1期

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〔上接第16页〕

Diagenesis-MineralizationProcessandMineralizationModelsofXihuashanGranite

ZHOUYu-zhen,GAOCheng-shu,HONGYing-long,HANZhi-xinWENLong-hui

(JiangxiXihuashanTungstenIndustryCo.,Ltd.,Dayu341500,Jiangxi,China)

Abstract:XihuashancompositegraniticplutonscanbedividedintoEarlyYanshanandlaterYanshangeoglogicperiod,threestagesandfiveintrusionsbasedonthelatestproductionpracticebytunneldrillingandrocki