高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金材料低溫固相燒結(jié)技術(shù)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(jié)構(gòu)都需要特殊設(shè)計，例如刀具的刃口結(jié)構(gòu)，前角和導(dǎo)屑臺等槽型結(jié)構(gòu)，才能保證切削的穩(wěn)定性[1]。由于生產(chǎn)成本過高，刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，參數(shù)控制非常嚴(yán)格等問題，通常情況下，可以考慮通過改變硬質(zhì)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(zhì)合金用做金屬加工刀具材料的數(shù)量最大，可制作車刀、銑刀、螺紋刀、鉆頭等。其中鎢鈦鈷類硬質(zhì)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(zhì)合金對于不銹鋼等難加工材料的加工壽命較其他硬質(zhì)合金長得多。我國切削工具的硬質(zhì)合金用量約占整個硬質(zhì)合金產(chǎn)量的三分之一，其中用于焊接刀具的占78%左右；用于可轉(zhuǎn)位刀具的占22%左右；而數(shù)控刀具硬質(zhì)合金僅占可轉(zhuǎn)位刀具用硬質(zhì)合金的20%左右?？紤]到硬質(zhì)合金熱傳導(dǎo)性能較差，在加工過程中產(chǎn)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(jié)技術(shù)作為硬質(zhì)合金燒結(jié)加工方面的熱門技術(shù)，結(jié)合張鳳林博士對硬質(zhì)合金刀具在低溫固相燒結(jié)過程中對脫碳現(xiàn)象機理以及燒結(jié)動力學(xué)內(nèi)容的深入研究，作為科技開發(fā)計劃項目“精密加工機床的超精細硬質(zhì)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(fù)合材料及產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究”（項目號A12050751）的一部分，本文針對高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具材料的低溫固相燒結(jié)技術(shù)進行如下研究。

1 高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)技術(shù)研究

高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具主要以燒結(jié)碳化鎢的形式存在，是將碳化鎢顆粒粘接到鈷和或鎳粘結(jié)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(jīng)粉末冶金法而制得的合金。本文通過研究低溫固相燒結(jié)技術(shù)，致力于制備出高質(zhì)量的高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具。

1.1 硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)機理

可以將運用低溫固相燒結(jié)技術(shù)制備高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具的過程稱為粉末冶金，通過制取金屬粉米結(jié)合燒結(jié)工藝將硬質(zhì)合金粉末制成刀具[3]。硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)的機理可分為：首先，制取硬質(zhì)合金原料粉末；再通過將硬質(zhì)合金原料粉末壓制成具有一定槽型結(jié)構(gòu)的刀具毛坯；將具有刀具形狀的毛坯在低溫下進行燒結(jié)；最終，得到具有化學(xué)、物理以及力學(xué)性能的硬質(zhì)合金刀具。在硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)時，最佳燒結(jié)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(jié)體中開始出現(xiàn)共晶液相的溫度，對于WC-CO類合金在平衡燒結(jié)時的共晶溫度為1340℃，根據(jù)燒結(jié)中硬質(zhì)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(zhì)合金刀具能夠在更低的溫度條件下固相燒結(jié)直至致密化徹底完成。

1.2 硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)的脫碳現(xiàn)象

結(jié)合目前國內(nèi)對于硬質(zhì)合金脫碳現(xiàn)象的研究，由于高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具相區(qū)的碳含量范圍很窄，因此，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)過程中很容易出現(xiàn)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(zhì)合金刀具硬性的主要因素?？梢詫⒂操|(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)的過程看作是以一定的溶解度為基礎(chǔ)，WC在Co液相中的溶解-析出的過程[4]。在實際低溫固相燒結(jié)時，有部分WC溶解進入Co相中，并且溶解的WC以原子狀態(tài)W和C存在于Co相中，硬質(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)的脫碳現(xiàn)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(jié)壓力以及爐內(nèi)氣氛等因素。在溶解-析出過程中，一旦低溫固相燒結(jié)條件使高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具的Co相中有較多的碳，可以通過Co相使硬質(zhì)合金刀具中各部分碳達到均衡[5]。除此之外，當(dāng)硬質(zhì)合金刀具的本身少碳或者低溫固相燒結(jié)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(xiàn)象形成較多的脫碳相，從而影響硬質(zhì)合金刀具的硬度。

1.3 消除脫碳相

為了在低溫固相燒結(jié)后能夠獲得無脫碳相的高速車削鈦合金硬質(zhì)合金刀具，本文采用嘗試法在硬質(zhì)合金粉體中添加游離碳來消除脫碳相[6]?？紤]到硬質(zhì)合金粉體細化到一定程度，很容易發(fā)生團聚現(xiàn)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(zhì)合金粉體粒徑。這樣一來，很難準(zhǔn)確測出球磨后硬質(zhì)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(zhì)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(jīng)過低溫固相燒結(jié)后的硬質(zhì)合金刀具進行X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)在添加2.4wt%游離碳時，低溫固相燒結(jié)后的硬質(zhì)合金刀具中沒有脫碳相，能夠獲得最佳的綜合力學(xué)性能。因此，有理由相信在低溫固相燒結(jié)技術(shù)中使用2.4wt%游離碳，在硬質(zhì)合金低溫固相燒結(jié)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(zhǔn)備

本次實驗對象為SP21硬質(zhì)合金實驗條，尺寸規(guī)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(jié)，制成10組試驗條。硬質(zhì)合金刀具的硬度越高意味著其質(zhì)量越好，高硬度的硬質(zhì)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(zhì)合金刀具材料的硬度進行數(shù)據(jù)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(tǒng)燒結(jié)技術(shù)制備的硬質(zhì)合金刀具以及本文設(shè)計燒結(jié)技術(shù)制備的硬質(zhì)合金刀具進行對比實驗，設(shè)置傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)制備的硬質(zhì)合金刀具為實驗對照組，從而得到有效的硬度實驗結(jié)果。

2.2 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)上述設(shè)計的實驗步驟，采集10組實驗數(shù)據(jù)，將兩種燒結(jié)技術(shù)下的硬質(zhì)合金刀具硬度進行對比，硬質(zhì)合金刀具硬度對比結(jié)果，如下表1所示。

表1 硬質(zhì)合金刀具的硬度對比

通過表1可得出如下的結(jié)論：運用本文設(shè)計的燒結(jié)技術(shù)制備的硬質(zhì)合金刀具硬度最高可達1870HV3，實驗對照組為1654HV3，設(shè)計的燒結(jié)技術(shù)制備的硬質(zhì)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(zhì)合金刀具材料。通過實驗結(jié)果對比表明，本文所設(shè)計的燒結(jié)技術(shù)其各項功能均可以滿足制備高速切削鈦合金刀具的硬質(zhì)合金材料的總體要求，表現(xiàn)出很好的性能優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具材料制備方面。

3 結(jié)語

本文通過設(shè)計低溫固相燒結(jié)技術(shù)，消除脫碳相，提高硬質(zhì)合金刀具的硬度、耐磨性以及紅硬性，硬質(zhì)合金低溫固相燒結(jié)后硬度可達1870HV3，在900℃～1000℃能保持高硬度，并有優(yōu)良的耐磨性。與傳統(tǒng)燒結(jié)技術(shù)制備的硬質(zhì)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(jié)技術(shù)，可以滿足制備硬質(zhì)合金刀具的實際需求。雖然現(xiàn)階段高速切削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具仍處于不完全成熟的階段，但是硬質(zhì)合金刀具材料將隨著低溫固相燒結(jié)技術(shù)的不斷成熟而逐步優(yōu)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(zhì)合金刀具低溫固相燒結(jié)技術(shù)方面的研究提供一定的借鑒意義。