為什么碳化鎢是理想的工具材料？

碳化鎢是通過粉末冶金生產(chǎn)的最廣泛使用的高速加工（HSM）工具類型，由硬質(zhì)碳化物（通常為碳化鎢WC）顆粒和較軟的金屬結(jié)合劑組成。組成。當前，存在數(shù)百種具有不同組成的基于WC的碳化鎢，其中大多數(shù)使用鈷（Co）作為粘合劑。鎳（Ni）和鉻（Cr）也是常用的粘合劑元素，可以添加其他添加劑。一些合金元素。

為什么有這么多硬質(zhì)合金牌號？工具制造商如何為特定的切割過程選擇正確的工具材料？為了回答這些問題，讓我們首先了解使碳化鎢成為理想工具材料的各種特性。??

什么是碳化鎢-硬度和韌性的統(tǒng)一

?WC-Co碳化鎢在硬度和韌性方面均具有獨特的優(yōu)勢。碳化鎢（WC）本身具有很高的硬度（超過剛玉或氧化鋁），并且隨著工作溫度的升高其硬度很少降低。但是，它缺乏足夠的韌性，這是切削工具的基本特性。為了利用碳化鎢的高硬度并提高其韌性，金屬粘結(jié)劑用于粘結(jié)碳化鎢，以使該材料的硬度遠遠超過高速鋼，同時能夠承受大多數(shù)切削過程。切削力。此外，它可以承受高速加工產(chǎn)生的切削高溫。

????如今，幾乎所有WC-Co工具和刀片都經(jīng)過涂層處理，因此基體材料的作用似乎已不那么重要。但實際上，這是WC-Co材料的高彈性模量（硬度的量度，WC-Co的室溫模量約為高速鋼的三倍）提供了不可變形的基材。涂層。 WC-Co基體還提供了所需的韌性。這些性能是WC-Co材料的基本性能，但是在生產(chǎn)碳化鎢粉末時，也可以針對材料組成和微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。因此，刀具性能對特定過程的適合性在很大程度上取決于初始銑削過程。????

碳化鎢的銑削過程是什么？

????碳化鎢粉末是通過對鎢（W）粉末進行滲碳而獲得的。碳化鎢粉末的性能，特別是其粒徑，主要取決于粗鎢粉的粒徑以及滲碳的溫度和時間?；瘜W(xué)控制也很關(guān)鍵，碳含量必須保持恒定（接近理論重量比6.13%）。為了通過隨后的過程控制粒度，可以在滲碳處理之前添加少量的釩和/或鉻。不同的下游工藝條件和不同的最終加工應(yīng)用需要特定的碳化鎢粒度，碳含量，釩含量和鉻含量的組合，并且這些組合中的變化會產(chǎn)生多種不同的碳化鎢粉末。

????當將碳化鎢粉末混合并與金屬結(jié)合劑研磨以生產(chǎn)一定等級的碳化鎢粉末時，可以采用各種組合。最常用的鈷含量為3%至25%（按重量計），并且需要鎳和鉻來提高工具的耐腐蝕性。另外，可以通過添加其他合金成分來進一步改善金屬結(jié)合。例如，在WC-Co碳化鎢中添加鈮可以顯著提高韌性，而不會降低其硬度。增加粘合劑的量也可以增加碳化鎢的韌性，但是會降低其硬度。

????減小碳化鎢顆粒的尺寸可以提高材料的硬度，但是在燒結(jié)過程中，碳化鎢的顆粒尺寸必須保持不變。在燒結(jié)時，碳化鎢顆粒通過溶解和再沉淀的過程而結(jié)合并生長。在實際的燒結(jié)過程中，為了形成完全致密的材料，金屬鍵變成液態(tài)（稱為液相燒結(jié)）。碳化鎢顆粒的生長速率可以通過添加其他過渡金屬碳化物來控制，包括碳化釩（VC），碳化鉻（Cr3C2），碳化鈦（TiC），碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC）。這些金屬碳化物通常在碳化鎢粉末與金屬粘合劑一起混合和研磨期間添加，盡管碳化碳化鎢粉末時也可以形成碳化釩和碳化鉻。

????碳化鎢粉末的等級也可以由回收的整體碳化物材料生產(chǎn)。廢舊碳化鎢的回收再利用在碳化鎢行業(yè)有著悠久的歷史，是行業(yè)整個經(jīng)濟鏈的重要組成部分，有助于降低材料成本，節(jié)約自然資源，避免浪費。有害處置。廢碳化鎢一般可通過APT（仲鎢酸銨）工藝、鋅回收工藝或粉碎再利用。這些“回收”的碳化鎢粉末通常具有更好的、可預(yù)測的致密性，因為它們的表面積小于直接由碳化鎢工藝制成的碳化鎢粉末。

????碳化鎢粉末與金屬結(jié)合劑的混合工藝條件也是關(guān)鍵的工藝參數(shù)。兩種最常見的銑削技術(shù)是球磨和超細銑削。兩種方法均可以使研磨后的粉末均勻混合并減小粒徑。為了使被壓制的工件具有足夠的強度以保持工件的形狀并允許操作員或機器人拾取工件進行操作，通常需要在銑削過程中添加有機粘合劑。這種粘合劑的化學(xué)成分會影響壓制工件的密度和強度。為了便于操作，優(yōu)選添加高強度的粘合劑，但是這導(dǎo)致較低的壓制密度并且可能導(dǎo)致硬塊，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品的缺陷。

????研磨完成后，通常將粉末噴霧干燥以產(chǎn)生自由流動的團塊，該團塊被有機粘合劑團聚。通過調(diào)節(jié)有機粘合劑的組成，可以調(diào)整這些團聚體的流動性和電荷密度，以適應(yīng)需要。通過篩出較粗或更細的顆粒，可以進一步調(diào)整附聚物的粒度分布，以確保在裝入模具型腔時具有良好的流動性。

碳化鎢工件的制造方法是什么？

???硬質(zhì)合金工件可以通過多種工藝形成。根據(jù)工件的尺寸、形狀復(fù)雜程度和生產(chǎn)批量大小，大多數(shù)切削刀片都是使用頂部和底部壓力剛性模具成型的。為了保持每次壓制時工件重量和尺寸的一致性，必須保證流入型腔的粉末量（質(zhì)量和體積）完全相同。粉末的流動性主要受附聚物的粒度分布和有機粘合劑的特性控制。模制工件（或“坯料”）可以通過對裝入型腔的粉末施加 10-80 ksi（千磅/平方英尺）的模制壓力來形成。

????即使在極高的成型壓力下，硬質(zhì)碳化鎢顆粒也不會變形或破碎，有機粘合劑被壓入碳化鎢顆粒之間的間隙，從而起到固定顆粒位置的作用。壓力越高，碳化鎢顆粒的結(jié)合越緊密，工件的壓實密度越大。分級碳化鎢粉末的成型性能可能會有所不同，這取決于金屬粘合劑的量、碳化鎢顆粒的尺寸和形狀、形成團塊的程度以及有機粘合劑的組成和量。為了提供碳化鎢粉末牌號的壓制特性的定量信息，通常由粉末制造商設(shè)計，以建立成型密度和成型壓力之間的對應(yīng)關(guān)系。此信息可確保提供的粉末符合工具制造商的成型工藝。

????通常通過將碳化鎢粉末均勻地壓入柔性袋中來制造大型硬質(zhì)合金工件或高縱橫比的硬質(zhì)合金工件（例如立銑刀和鉆頭刀柄）。盡管均壓法的生產(chǎn)周期長于成型法，但工具的制造成本較低，因此該方法更適合于小批量生產(chǎn)。

????該過程包括將粉末裝入袋中并密封袋口，然后將裝有粉末的袋放入腔室內(nèi)，并通過液壓裝置施加30-60 ksi的壓力進行壓制。壓制的工件通常在燒結(jié)之前加工成特定的幾何形狀。袋子的尺寸增加，以適應(yīng)壓實過程中工件的收縮，并為磨削過程提供足夠的余量。由于工件是在壓制成形之后加工的，因此對裝料的一致性的要求不如成型方法那么嚴格，但是仍然希望確保每載荷的粉末量相同。如果粉末的裝載密度太小，則裝載到袋子中的粉末可能不足，導(dǎo)致工件尺寸小并且必須報廢。如果粉末的裝載密度太大，則裝載到袋子中的粉末太多，在壓制成形后需要加工工件以去除更多的粉末。盡管多余的粉末和報廢零件可以回收利用，但這會降低生產(chǎn)率。

????硬質(zhì)合金工件也可以通過擠壓或注塑成型形成。擠壓工藝更適合批量生產(chǎn)軸對稱形狀的工件，而注塑工藝通常用于批量生產(chǎn)復(fù)雜形狀的工件。在兩種成型工藝中，都將等級的碳化鎢粉末懸浮在有機粘合劑中，該粘合劑賦予牙膏等碳化鎢混合物均勻性。然后將混合物通過孔擠出或模制成型腔。碳化鎢粉末等級的特性決定了混合物中粉末與粘合劑的最佳比例，并對混合物通過擠出孔或進入模腔的流動產(chǎn)生重要影響。

????在通過模制，均壓，擠壓或注塑成型工件后，需要在最終燒結(jié)階段之前從工件上去除有機粘合劑。燒結(jié)去除了工件中的孔，使其完全（或基本上）致密。在燒結(jié)時，壓制成形工件中的金屬結(jié)合劑變成液體，但是在毛細管力和顆粒接觸的共同作用下，工件仍可以保持其形狀。

????燒結(jié)后，工件的幾何形狀保持不變，但尺寸縮小。為了在燒結(jié)后獲得所需的工件尺寸，在設(shè)計刀具時需要考慮收縮率。設(shè)計用于制造每種工具的碳化鎢粉的等級時，必須確保在適當?shù)膲毫ο聣褐茣r具有正確的收縮率。

????在幾乎所有情況下，燒結(jié)工件也稱為 硬質(zhì)合金毛坯 需要進行后期燒結(jié)。切削工具最基本的處理方法是銳化切削刃。許多工具在燒結(jié)后需要磨削和幾何形狀。有些工具需要打磨頂部和底部。另一些則需要進行周邊研磨（有或沒有銳化切削刃）。研磨產(chǎn)生的所有硬質(zhì)合金磨損碎片都可以回收。

如何準備碳化鎢工件涂層？

????在許多情況下，需要對成品零件進行涂層。該涂層提供潤滑性和增加的硬度，并向基材提供了擴散阻擋層，可以防止暴露于高溫下的氧化。碳化鎢基體對于涂層的性能至關(guān)重要。除了定制基質(zhì)粉末的主要特性外，還可通過化學(xué)選擇和修改燒結(jié)工藝來調(diào)整基材的表面性能。通過鈷的遷移，相對于工件的其余部分，更多的鈷可以以20-30μm的厚度富集在刀片表面的最外層，從而賦予基材表層更好的韌性，因此具有很強的抗變形能力。

????根據(jù)自己的制造工藝（例如脫蠟方法，加熱速率，燒結(jié)時間，溫度和滲碳電壓），工具制造商可能會對所用硬質(zhì)合金粉的等級提出特殊要求。一些工具制造商可能會在真空爐中燒結(jié)工件，而另一些工具制造商可能會使用熱等靜壓（HIP）燒結(jié)爐（在工藝周期結(jié)束時對工件加壓以消除任何殘留物）。毛孔）。在真空爐中燒結(jié)的工件可能還需要進行熱等靜壓工藝以增加工件密度。一些工具制造商可能會使用更高的真空燒結(jié)溫度來提高鈷含量較低的混合物的燒結(jié)密度，但是這種方法可能會使顯微組織變粗糙。為了保持細的晶粒尺寸，可以使用具有較小的碳化鎢粒度的粉末。為了匹配特定的生產(chǎn)設(shè)備，脫蠟條件和滲碳電壓對碳化鎢粉的碳含量也有不同的要求。

????所有這些因素都對燒結(jié)的碳化鎢工具的微觀結(jié)構(gòu)和材料性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響。因此，需要在工具制造商與粉末供應(yīng)商之間保持緊密聯(lián)系，以確保根據(jù)工具來制造粉末。定制生產(chǎn)工藝定制級碳化鎢粉。因此，毫不奇怪的是，有數(shù)百種不同的硬質(zhì)合金等級。例如，ATI Alldyne生產(chǎn)600多種不同的粉末等級，每種等級都是專門為目標用戶和特定用途而設(shè)計的。

碳化鎢牌號的分類方法是什么？

??不同類型的碳化鎢粉末，混合物成分和金屬粘合劑含量，晶粒長大抑制劑的類型和數(shù)量等的組合構(gòu)成了各種碳化物等級。這些參數(shù)將決定碳化鎢的微觀結(jié)構(gòu)和性能。某些特定的性能組合已成為特定加工應(yīng)用的首選，從而可以對多個硬質(zhì)合金等級進行分類。

????用于加工目的的兩種最常用的硬質(zhì)合金加工分類系統(tǒng)是C級系統(tǒng)和ISO級系統(tǒng)。盡管這些系統(tǒng)都不能完全反映影響硬質(zhì)合金牌號選擇的材料性能，但它們?yōu)橛懻撎峁┝似瘘c。對于每種分類法，許多制造商都有自己的特殊等級，因此產(chǎn)生了多種硬質(zhì)合金等級。

????硬質(zhì)合金等級也可以按成分分類。碳化鎢（WC）等級可分為三種基本類型：簡單，微晶和合金。簡單等級主要由碳化鎢和鈷粘合劑組成，但也可能包含少量的晶粒長大抑制劑。微晶級由碳化鎢和鈷粘合劑組成，并添加了千分之幾的碳化釩（VC）和/或碳化鉻（Cr3C2），其晶粒尺寸可以小于1μm。該合金牌號由碳化鎢和鈷粘結(jié)劑組成，鈷粘結(jié)劑包含百分之幾的碳化鈦（TiC），碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC）。這些添加劑由于其燒結(jié)也被稱為立方碳化物。所得的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不均勻的三相結(jié)構(gòu)。

????（1）硬質(zhì)合金牌號

????這種金屬切削等級通常包含3%-12%鈷（按重量計）。碳化鎢晶粒的尺寸通常在1-8μm的范圍內(nèi)。與其他牌號一樣，減小碳化鎢的粒度可提高其硬度和橫向斷裂強度（TRS），但會降低其韌性。簡單等級的硬度通常在HRA 89-93.5之間；橫向斷裂強度通常在175-350 ksi之間。這種等級的粉末可能包含大量的回收原料。

????簡單等級可以在C等級系統(tǒng)中分為C1-C4，并且可以根據(jù)ISO等級系統(tǒng)中的K，N，S和H等級系列進行分類。具有中間特性的簡單等級可以歸類為用于車削，銑削，刨削和鏜削的通用等級（例如C2或K20）?？梢允褂镁Я６容^小或鈷含量較低且硬度較高的鋼種分類為精加工鋼種（例如C4或K01）；具有較大晶粒尺寸或較高鈷含量和較好韌性的鋼種可歸類為粗鋼種（例如C1或K30）。

????簡單等級的工具可用于切割鑄鐵，200和300系列不銹鋼，鋁和其他有色金屬，超級合金和硬化鋼。這些等級還可用于粒度范圍為1.5至10μm（或更大）且鈷含量為6%至16%的非金屬切削應(yīng)用（例如巖石和地質(zhì)鉆探工具）中。簡單硬質(zhì)合金等級的另一種非金屬切削類型是模具和沖頭的制造。這些等級通常具有中等粒度的晶粒，鈷含量為16%-30%。

????（2）微晶碳化物等級

????此類等級通常包含6%-15%鈷。在液相燒結(jié)中，添加的碳化釩和/或碳化鉻可以控制晶粒生長，從而獲得具有小于1μm的粒徑的細晶粒結(jié)構(gòu)。這種細晶粒等級具有非常高的硬度和500 ksi或更高的橫向斷裂強度。高強度和足夠的韌性相結(jié)合，使這些等級的刀具具有更大的正前角，從而減小了切削力，并通過切削而不是推動金屬來產(chǎn)生更薄的切屑。

????通過在生產(chǎn)碳化鎢粉的等級中嚴格鑒定各種原材料并嚴格控制燒結(jié)工藝條件，可以防止在材料的微觀結(jié)構(gòu)中形成異常大晶粒。材料特性。為了使晶粒尺寸小而均勻，只有在原材料和回收過程得到充分控制并且進行了廣泛的質(zhì)量測試的情況下，才可以使用再生粉末。

????可以根據(jù)ISO等級系統(tǒng)中的M等級系列對微晶等級進行分類。另外，C等級系統(tǒng)和ISO等級系統(tǒng)中的其他分類方法與簡單等級相同。微晶等級可用于制造用于切削較軟工件材料的工具，因為該工具的表面可以非常平滑地加工，并保持非常鋒利的切削刃。

????微晶等級也可用于加工鎳基高溫合金，因為它們可以承受高達1200°C的切削溫度。對于高溫合金和其他特殊材料的加工，使用微晶級工具和帶搪瓷的簡單級工具可以同時提高其耐磨性，抗變形性和韌性。微晶等級也適用于制造產(chǎn)生剪切應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)工具（例如鉆頭）。一種類型的鉆頭由復(fù)合等級的碳化鎢制成。同一鉆頭特定部分中材料的特定鈷含量不同，因此可以根據(jù)加工需要優(yōu)化鉆頭的硬度和韌性。

????（3）合金型硬質(zhì)合金牌號

????這些等級主要用于切削鋼零件，這些零件的鈷含量通常為5%-10%，晶粒尺寸范圍為0.8-2μm。通過將4%添加到25%的碳化鈦（TiC）中，可以減少碳化鎢（WC）擴散到廢鋼表面的趨勢。通過添加不超過25%的碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC），可以提高工具強度，耐月牙洼磨損性和耐熱沖擊性。添加此類立方碳化物還會增加工具的發(fā)紅度，從而有助于避免在重負荷切削或其他切削刃會產(chǎn)生高溫的機加工過程中使工具發(fā)生熱變形。此外，碳化鈦可以在燒結(jié)過程中提供成核位置，從而提高了工件中立方碳化物分布的均勻性。

????通常，合金型硬質(zhì)合金牌號的硬度范圍為HRA91-94，橫向斷裂強度為150-300 ksi。與簡單型相比，合金型的耐磨性差，強度低，但結(jié)合耐磨性更好。合金等級在C級系統(tǒng)中可以分為C5-C8，并且可以根據(jù)ISO級系統(tǒng)中的P和M級系列進行分類。具有中間性能的合金牌號可以歸類為用于車削，攻絲，刨光和銑削的通用牌號（例如C6或P30）。最硬的等級可分為精加工和鏜孔的優(yōu)良等級（例如C8和P01）。這些等級通常具有較小的晶粒尺寸和較低的鈷含量，以實現(xiàn)所需的硬度和耐磨性。但是，通過添加更多的立方碳化物可以獲得相似的材料性能。最具彈性的等級可以歸類為粗糙等級（例如C5或P50）。這些牌號通常具有中等尺寸的粒度和高的鈷含量，并且所加入的立方碳化物的量也很小，可以通過抑制裂紋擴展來獲得所需的韌性。在中斷的車削過程中，通過在刀具表面使用鈷含量較高的富鈷鋼種，可以進一步提高切削性能。

????低碳化鈦含量的合金牌號用于加工不銹鋼和可鍛鑄鐵，但也可用于加工有色金屬（例如鎳基高溫合金）。這些等級的晶粒尺寸通常小于1μm，鈷含量為8%至12%。硬度較高的鋼種（例如M10）可用于車削可鍛鑄鐵。具有較高韌性的鋼種（例如M40）可用于銑削和刨光鋼或用于車削不銹鋼或高溫合金。

????合金型硬質(zhì)合金等級也可用于非金屬切削應(yīng)用，主要用于制造耐磨零件。這些牌號的粒徑通常為1.2-2μm，鈷含量為7%-10%。在這些等級產(chǎn)品的生產(chǎn)中，通常會添加大量的回收材料，從而在磨損部件的應(yīng)用中具有更高的成本效益。易損件需要良好的耐腐蝕性和高硬度。這些等級可通過在生產(chǎn)此類等級時添加鎳和碳化鉻來獲得。

????為了滿足刀具制造商的技術(shù)和經(jīng)濟要求，碳化鎢粉末是關(guān)鍵元素。為工具制造商的加工設(shè)備和工藝參數(shù)設(shè)計的粉末可確保成品零件的性能，并產(chǎn)生數(shù)百種硬質(zhì)合金牌號。硬質(zhì)合金材料的可回收性以及直接與粉末供應(yīng)商合作的能力使工具制造商能夠有效地控制其產(chǎn)品質(zhì)量和材料成本。

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