廖国健
株洲钻石切削刀具股份有限公司，湖南省株洲市 412000
摘要：基于Gurland的WC-Co合金强度-钴相平均自由程关系模型，开发了超细晶硬质合金。本文详细探讨了超细晶粒硬质合金刀具材料的研究进展。
关键词：超细晶粒硬质合金；刀具材料；研究进展
超细晶粒硬质合金能满足现代加工工业和特殊应用领域对新材料性能的更高要求，极大地促进了硬质合金及其应用领域的技术进步与产业发展水平。因此，开发高性能超细晶粒硬质合金仍是硬质合金刀具材料研究的热点。
一、超细晶粒硬质合金概述
超细晶粒硬质合金是相对细晶粒及亚微细晶粒硬质合金而言，其晶粒尺寸在0.5微米以下。超细晶粒硬质合金与普通硬质合金在硬度相同的条件下，强度较高；强度相同情况下，硬度较高。其机理是因粒子变小、WC与WC间的钴会变薄，从而抵抗塑性变形的抗弯强度增加。
二、超细晶粒硬质合金的制备工艺现状
1、棒料的成型工艺。整体硬质合金立铣刀的制造需用超细晶粒硬质合金棒料作为原料,因此超细晶粒硬质合金棒料综合力学性能的提高对立铣刀刀具材料的切削性能具有重要作用。随着科技的发展,硬质合金棒材的需求量越来越大,成型技术由冷等静压、模压等传统工艺发展到更为现代、经济的挤压成型工艺,质量越来越好,品种越来越多，性能越来越高。
2、超细晶粒硬质合金的烧结工艺
1)烧结工艺方法。烧结是粉料生产致密材料的一个重要过程,经烧结能使材料具有确定的结构和既定的性能。超细晶粒WC-Co基硬质合金烧结的一个问题是控制晶粒长大并达到完全致密化,因此应尽量降低烧结温度和缩短烧结时间。可通过添加晶粒长大抑制剂、改变WC-Co内外受热方式和缩短烧结时间、保温时间等因素,降低WC晶粒长大的时间和速度,从而生产出超细晶粒的硬质合金。目前,用于超细晶粒WC-Co基硬质合金规模化生产的成熟烧结方法有:真空烧结法、低压烧结、真空烧结+热等静压热处理等。烧结过程的优化控制,对超细晶粒硬质合金材料的显微结构和综合力学性能的优劣起决定性作用。
低压烧结,即烧结-热等静压(Sinter-HIP),也称气压烧结,是20世纪80年代初发展起来的一种烧结工艺。其是将脱成型剂、预烧、真空烧结、低压热等静压等工艺合为一道工艺在一个设备内完成的方法。低压烧结是在低于常规热等静压的压力(大约6MPa),一般低于10MPa下对工件进行热等静压和烧结的工艺。近年来,低压烧结硬质合金技术得到了迅速发展与应用。其具有成本低,能耗少的优点,且合金组织结构均匀,机械性能优于热等静压合金。
当前，低压热等静压烧结工艺是硬质合金生产中最先进的致密化技术,克服了常规热等静压造成的粗晶、钴池和表面成分改变的缺陷,能最大限度地消除内部残余孔隙,提高合金性能,并能通过调节炉内气氛,修正合金碳含量、消除合金组织中的G相。与真空烧结工艺相比,可减少合金内部孔隙,对其强度、硬度等性能指标有不同程度的提高。尽管超细WC-Co粉含有晶粒抑制剂,但在固相和液相下WC晶粒长大速度快。为降低WC长大的趋势,研制出超细WC晶粒的硬质合金,国内外对超细WC-Co粉料的烧结特性进行了大量的研究,目前较前沿的烧结方式有微波烧结、辅助场烧结、激光烧结等方法研究超细晶粒硬质合金的烧结特性。微波烧结是利用材料吸收微波能转化为内部分子的动、热能,使材料整体均为加热至一定温度而实现致密化烧结。另外，在微波电磁能作用下,材料内部分子或离子的动能增加,使烧结活化能降低,扩散系数提高,可进行低温快速烧结,细化晶粒,获得的WC晶粒比热等静压所获得的组织更加均匀和细小。
2)烧结工艺特点。超细晶粒硬质合金的烧结特性与配方中的钴含量、WC粉料碳含量与晶粒度有关,而且跟烧结设备、烧结气氛、烧结温度、保温时间、烧结压力、晶粒抑制剂量及种类等有关。
为研制高性能的超细晶粒WC-Co合金,要先弄清其内在关系。随着Co含量增大,硬质合金的硬度降低,抗弯强度和断裂韧性升高；随着WC晶粒越细,硬度和抗弯强度升高,而断裂韧性降低。
超细晶粒WC-Co合金的烧结性能与WC-Co合金有很大区别。普通WC-Co粉末表面活性不是很强,在800℃开始固相收缩,其液相出现在温度1340℃左右,在1450℃烧结温度下,合金收缩完毕。而超细硬质合金粉料比表面大,具有较大活性。就超细晶粒硬质合金而言,球磨时间、碳含量、抑制剂及烧结方式对合金的性能影响较大。球磨时间不宜太长或太短,碳含量不能太高。在选择恰当的球磨时间和碳含量后,摸索抑制剂的添加方式和添加量至关重要。以固溶体的方式加入抑制剂比以单质形式加入要好。低压烧结对超细硬质合金性能提高大,因其消除了超细硬质合金的常规孔隙和Co聚积现象。
三、超细硬质合金刀具材料的发展趋势
1、发展方向
当前，超细晶粒硬质合金刀具材料牌号正向着两个相反的方向发展。一方面,通用型牌号的适用面越来越广,通用性越来越强。另一方面,专用型牌号越来越具有针对性,更适应被加工材料和切削条件,从而达到提高切削效率的目的。近年来，“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项对超细晶粒整体硬质合金涂层刀具进行了系统研究,这为国内高档数控机床提供系列超细晶粒整体硬质合金涂层刀具基体材料及适用于超细晶粒硬质合金高速高效刀具的涂层新品种,进一步推进我国高档数控刀具国产化进程。目前株洲钻石、厦门金鹭等企业已研制出加工航空铝合金零部件和发动机用镍基合金的超细晶粒硬质合金专用立铣刀，其中加工镍基合金专用立铣刀采用独特的刀型设计保证整体刚性及排屑流畅,具有良好的抗粘刀性能,加工工件光洁度好。
2、性能提升途径
1)改进刀具材料基体性能,进一步完善刀具材料设计理论。目前，国产超细晶粒硬质合金刀具基体材质质量性能和稳定性差。因此,开发更高性能的超细晶粒硬质合金刀具基体材料将成为近年来甚至较长时间内最重要的工作之一。通过刀具材料组分和配比的优化设计，能改善其强度和断裂韧性等力学性能,在保证刀具材料必要硬度前提下,将提高抗弯强度和断裂韧性为首要设计目标。这种基于高切削性能的刀具材料设计理论已为刀具材料切削加工性能的提升提供了强有力的理论依据。因此，继续研究基于加工中的热、物理、力学和化学多强场耦合及基于高可靠性和长寿命的刀具材料设计理论，已成为当今高速切削甚至超高速切削加工技术发展的必然要求。
2)深入研究硬质合金晶粒生长抑制机理,寻求新的抑制剂。目前,国内外学者对硬质合金晶粒生长抑制剂的抑晶机理研究尚未形成统一系统的理论体系,实际的抑晶机理可能并不是单纯的现如今某种理论机理的一种,而可能是多种机理的共同作用,只是在特定环境下某一种机理起决定作用。
长期以来,对控制硬质合金晶粒生长抑制剂的研究局限于对过渡族碳化物的优化工艺研究,且较少见到有关新型晶粒生长抑制剂的研究报道,这或许就是目前超细晶粒硬质合金研究未获得重大突破的主要原因之一。
3)大力发展刀具涂层工艺,提高涂层性能。随着超细晶粒硬质合金刀具基体材料性能的改进和提高,刀具涂层技术取得了更为迅猛的发展,大量新型涂层呈现多样化和系列化的趋势,使超细晶粒硬质合金材料新牌号层出不穷,提高了硬质合金刀具技术的切削加工性能。纳米结构涂层技术是近年来迅速发展的涂层新技术,其涂层材料的晶粒度一般在100nm以下,具有良好的切削性能。
目前我国的刀具涂层技术与国外差距较大。长期以来刀具涂层依赖进口,涂层工艺开发能力相对较弱,金刚石膜涂层技术尚处于研发阶段,商品化比例极小，TiCN涂层产品,TiAlN、MoS2涂层、纳米涂层等新技术尚待进一步研究。因此,发展先进涂层工艺对提高超细晶粒硬质合金刀具材料的综合性能具有重要意义。
参考文献：
[1]程涛.WC-10Co硬质合金低压烧结工艺的探索[D].武汉:武汉理工大学硕士学位论文,2015.
[2]尚自河.超细晶粒硬质合金刀具材料的研究进展[J].稀有金属材料与工程,2015(02).