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）

0 引言

随着加工工业的发展，现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多。

1 新型硬质合金刀具

现阶段国内外比较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可达到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（1 000℃以上也可以加工）、化学性能稳定。可以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较匮乏，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，并加入Mo或MoC2。人们把TiC基和TiCN基硬质合金称为金属陶瓷［5］。

金属陶瓷刀具的不足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，因此不适用于粗加工，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，并取得了一定的成效。以日本京瓷（Kyocera）公司的产品为例，说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，抗弯强度达到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），及达到超细晶粒尺度时，硬质合金的硬度和强度都可以得到较大的提升，达到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以下，大部分在0.5μm以下，是普通硬质合金WC粒度的几分之一到几十分之一。具有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2 000～3 500MPa，比含钴量相同的普通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

超细晶粒硬质合金适合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可以加工有色金属、黑色金属，还可以加工淬硬的钢材、耐热耐蚀不锈钢、宇航用高温合金、木制品、玻璃纤维等，而且可以制成切削刀片和整体硬质合金刀具，进行高效精密加工。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，可以长时间加工60HRC以下的钢材材料。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车刀可达到90～140件［13］。由于超细硬质合金刀具晶粒极细，可以磨得非常锋利、光洁，可以用于制造各种精密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］。在烧结过程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。如何在尽量低的烧成温度下达到合金的完全致密和烧结过程中的晶粒长大的合理控制是烧结技术的发展方向。以下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烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀地自身产生焦耳热并使颗粒表面活化，利用颗粒内部自身发热进行烧结［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，因而容易制备出均质、致密、高质量的烧结体。由于升温速率快，直接跳过了表面扩散过程，有效的控制晶粒尺寸。

余洋等［17］对比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烧结时间只有真空烧结的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较如表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相互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］。E Breval et al［23］微波烧结制成了WC/Co金属基复合材料，并发现增强体WC颗粒细小、分布均匀，其力学性能明显优于传统烧结。

微波烧结有以下几个优点：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。但是微波烧结过程中容易出现热失控效应，对烧结体加热不均匀，从而影响产品性能。另外适合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。这些烧结方法可以从一定程度上细化晶粒，得到致密的硬质合金材料。

3 硬质合金刀具的表面加工新技术

采用新技术对硬质合金刀具的表面加工可以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（如TiC、TiAlN、Al2O3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800～1 000℃）。如在常温时的硬度为HV 2 000，在1 000℃时仍能保持HV 1 000，而未涂层硬质合金却下降到HV 500。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。因此，能极大提高效率，改善工件表面质量，是近些年来硬质合金领域中取得的最大成就之一。

目前，涂层硬质合金刀具的发展方向主要有以下几点［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满足生产需求。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。在单元涂层中加入新元素（如加入Al、Cr和Y提高抗氧化性，加入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涂层可在涂覆过程中控制C和N的成分来提高涂层的性能，形成梯度结构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，也适合于加工铁合金、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 涂层结构的多层化

随着高速和干式切削加工技术的进步，单层涂层已不能满足苛刻的工作条件。采用多层涂层的方法既可以充分利用单层涂层优良的力学性能，又可以进一步提高其硬度、韧性和抗氧化性，还可以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结构变化［28］。

图1 涂层由单层到多层时界面结构的变化

目前研究和应用较多的是双层涂层和3～7层的多层复合涂层。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可以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、热反应扩散沉积、溶胶凝胶法等。气相沉积应用比较多，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）。特别是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，注入到固体材料的表面内，获得高硬度的硬化层［30］。近年来，研究人员开始使用离子注入作为改良刀具性能的手段，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结构发生变化，离子轰击的多种强化作用使材料内部产生晶格缺陷，从而提高表面的机械性能。同时克服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℃以下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］。

虽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过程中。深冷处理发展空间非常广阔，已经受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取得了突破性进展，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力量。

［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，2008，（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，2008，（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］.纳米技术与精密工程，2008，6（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.Preparation of ultrafine WC-Co cermets by combining pretreatment and Consolidation with spark plasma sintering［J］.稀有金属：英文版，2009，28（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，2009，（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，2008，30（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，2008，（6）：5-7

［19］Agawal D A，CHENG J，Seedopaul P，et al.Grain growth control inmicrowave sintering of ultrafine WC-Co Composite powder compacts［J］.Powder Metallurgy，2000，43（1）：15.

［20］Rodigerk，Dreyer K，Gerdes T，et al.Microwave sintering of hardmetals［J］.International Journey of Refractory Metals＆Hard Materials，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.Effectofmechanicalalloyingon selectivelaser sintering of WC-9Co powder［J］.Powder Metallurgy，1999，42（3）：203.

［23］Breval E，CHENG J P，Agrawal D K，et al.Comparison betweenmicrowave and conventional sin-tering of WC/Co composites［J］.Materials Science and Engineering A，2005，91：285-295.

［24］Chen W I，Wang X H.Sintering dense nacocrystalline ceramics without final-stage Grain growth［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，2009，（2）：52-59.

［26］陈 颢，羊建高，王宝健，等.硬质合金涂层技术现状及展望［J］.硬质合金，2009.3，26（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］Lengauer W，Dreyer K.Functionally graded hardmetals［J］.Journal of alloys and compounds，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，2008，42（6）：48-50

［31］Sanghera H K，Sullivan J L，Saied S O.Applied Surface［J］.Science，1999，141：57-76.

［32］顾永俶，丁晓纪，顾 畅.Ti+C双离子注入GCr15钢表面改性工艺研究［J］.中国材料科技与设备，2008，5（5）：41-43.

［33］张 平，吴恩熙.硬质合金深冷处理［J］.硬质合金，2006，24（2）：96-98.

［34］徐宏海，阎红娟，李新民.刀具材料深冷处理研究现状及发展趋势［J］.材料导报：纳米与新材料专辑，2008，22（2）：198-200.