改性对wc基硬质合金刀具材料及性能的影响研究

摘要： 本文采用真空烧结方法，制备WC基硬质合金刀具材料，用于研究不同改性方法对其组织和性能的影响。结果表明：在硬质合金刀具材料中，加入纳米SiCp可以有效提高材料本身的硬度、密度、耐磨性及抗压强度，还可以将组织均匀化；粘结剂钴润湿性好，可以有效提高硬质合金刀具材料的硬度；从一定意义上说，WC表面化学镀包覆粘结金属钴改善了硬质合金刀具材料的整体性能。粘结剂镍和钛代替镍不仅能降低后刀面的磨损，还能改善硬质合金刀具材料的抗弯强度和硬度；

关键词：硬质合金刀具；纳米改性；化学镀；耐磨性

引言

高耐磨性，高韧性是WC硬质合金刀具材料的显著特点，同时其切削效率也是高速钢刀具的5～10倍，使其备受关注。纳米粉可以全面提高其综合性能，这将为硬质合金刀具材料的研究提供思路。目前，纳米改性增韧还仅停留在金属陶瓷组织和性能的研究上，关于该技术应用在合金刀具材料的研究却不多见[1]。由此，本文分别从三种材料改性产生的影响入手，并以WC为基体，这将为该领域的研究提供更为可靠的参考依据。

1.试样制备与试验方法

1.1试样制备

试验中，所用原料参照表1配比，采用真空烧结法和冷压成型的方法，用于制备硬质合金刀具材料。为将粉料混合，先采用的是钴镀液，需在PH值为8～9，温度为90℃的条件下，对WC粉进行长达120分钟的化学镀包覆钴。并按照表2进行配比，将实验用粉按照比例称取，而后进行长达24小时的机械球磨混粉。在整个过程中，应先将球磨机抽真空，同时将真空度设为10-3Pa，同时为了增加保护气体，需要充入高纯氩气（纯度不小于99.99%）；当在300MPa冷压压力中，在经过干燥、排胶后，压坯进行了真空压力烧结，这需要在温度高达1420℃的SL63-78-SF1型真空电阻炉中完成，最后保温1小时，得到表1所示的5中试样。

表1 试验原料采纳标准

WC粉 钴粉 镍粉 钛粉 呈近球状SiCp粉

粒径 3.5um 2.5um 2.6um 7.4um 30nm

表2 试样的名义成分（体积分数）

试样 WC Ni Ti Co SiCp （WC）Co

1 92 8

2 84 8 8

3 87 8 5

4 87 8 5

5 77 8 5 10

1.2试验方法

该实验中采用的是排水的方法，为了计算出试样的相对密度，需先测量试样的实际密度，而后在根据体积比，计算出理论密度，从而得出结果。

测试抗弯性能和抗压性能需要借助WDW-200型微机控制式电子万能试验机，这里要保证压缩速率为0.965mm·min-1，压缩试样的尺寸为8mm×8mm×10mm；用IIV-1000型硬度计测硬度，需保证加载时间为20秒，载荷为1.96N；测抗弯性能还可以用三点弯曲法，这要保证试样的加载速率0.5mm·min，尺寸为3mm×4mm×35mm，跨距为35mm；而抗弯强度需要通过计算硬度得出。

被切削加工的工件以淬硬工具钢为主，采用具有AN10000型X射线能谱仪（EDS）的JXA-840A型扫描电镜（SEM），来观察刀具材料的显微组织和后刀面的切削磨损形貌；采用100倍坐标刻度显微镜测试样后刀面磨损的VB值，将以上制备的5种改性硬质合金试样作为刀具材料，采用C616普通车床。

2.试验结果与讨论

2.1显微组织

由图可见，5种试样中硬质相为灰色，粘结相为黑色。“黑芯”主要存在于试样4，5中，出现明显的分布不均，这主要在于试样并没有将粗大的WC颗粒完全溶解。观察发现，添加纳米SiCp后（即试样3），粘结相分布连续，组织很均匀，这表明纳米SiCp有利于组织的均匀化。当钴取代镍后WC硬质相后，在液相金属钴中溶解的就越多，这源于钴对硬质相的润湿性相对更好，使得“黑芯”也越来越少，如图1（b）所示；我们用一部分钴粉包覆WC粉，这需要在在混粉之前完成，虽然在包覆粉中，通过烧结，钴可以扩散均匀化，进而克服钴对WC的包覆微观的不均匀性，从图案中观察发现，灰黑色组织逐渐减少，明显比上述组织更加均匀，在试样3中，钴相分布已有明显变化。

（a）试样1 （b）试样2 （c）试样3 （d）试样4 （e）试样5

图1 不同试样的SEM形象

2.2性能

表3说明，试样2与试样1均在一定程度上提高硬度和抗弯强度，这大大降低了后刀面磨损量，同时利于改善粘结剂与基体接触界面的状况，这一现象要归功于将镍和钛二者作为粘结剂，取代原先的镍单一的构成。纳米SiCp起到了细化晶粒[2]和钉扎晶界的作用，不含纳米SiCp试样远远落后于添加纳米SiCp后WC硬质合金，其在力学硬度、性能、和密度上都有落后。钴与硬质相WC具有良好的润湿性，这一功能可以帮助材料减少孔隙，同等条件下，钴的硬度更高。

从表3分析得出，真空烧结法相比热压烧结工艺而言，存在一定的不足，比如致密性较差；但经过改良的硬质合金刀具材料出现了明显的进步，不仅能够降低后刀面的磨损程度，还可以改善其切削性。

表3 不同试样的性能

试样 硬度 抗弯强度 相对密度 后刀面磨损 抗压强度

/HRV /Mpa /% /um /Mpa

1 78.53 793.37 86.02 583.0 2440

2 81.50 880.64 81.96 365.0 1660

3 81.71 850.89 85.30 337.0 2750

4 86.97 850.82 92.54 332.0 3290

5 86.27 899.19 92.84 296.0 3589

观察图2，各式样磨损情况形态各异，试样1后刀面磨粒磨损特征不明显，但磨损区边缘磨痕较明显，并且出现了大崩刃和脱落的情况，试样2中出现了小部分磨损状况；而在改性后的刀具材料中，情况却出现了明显的不同，没有崩刃，磨损也较少，犁溝的峰谷和间距比较均匀，尽管切削刃附近有较为明显的破损，这在一定程度上表现出较为平稳的磨粒磨损特征，如图2（c），（d），（e）所示。

图2 不同试样后刀面磨损表面的SEM形貌

3.结 论

3.1在硬质合金刀具材料中添加纳米SiCp，可以使其组织更加均匀，这不仅能够降低后刀面的磨损，还可以提高相对密度、硬度和抗压强度。

3.2从粘结剂的角度出发，从原先的镍单独使用，到镍和钛二者的混合，这种方法能够提高硬质合金刀具材料的硬度、抗弯强度，也可以降低后刀面的磨损。

3.3用表面化学镀包覆粘结金属钴，这一方法能够大大提高硬质合金刀具材料的整体性能。

3.4为提高WC基硬质合金刀具材料的相对密度、硬度、抗压强度和抗弯强度，可以将钴代替镍作为纳米SiCp改性的粘结剂，这也将会降低后刀面的磨损。

参考文献：

[1]章晓波，刘宁，李勇，于超，陈焱.纳米改性Ti（C，N）基金属陶瓷的力学性能及抗热震性能[J].硅酸盐学报，2008，36（4）；503-509

[2]章小波，刘宁，陈炎，等.纳米改性Tic，N基金属陶瓷的组织和性能[J].中国有色金属学报，2008，18（7）：1280-1285

[3]周玉.陶瓷材料学[M].北京：科学出版社，2004：1-4

[4]王零森.特种陶瓷[M].长沙：中南工业大学出版社，1994：1-13

[5]《国外硬质合金》编写组.国外硬质合金[M].北京：冶金工业出版社，1976：168-519

作者简介：王金新（1974.6-），男，汉族，籍贯：山东诸城，研究生，讲师，研究方向：机械制造工艺、机械设计。