为什么碳化钨是理想的刀具材料？

为什么碳化钨是理想的刀具材料？

碳化钨是由粉末冶金生产的最广泛使用的高速加工（HSM）工具材料，由硬质碳化物（通常为碳化钨WC）颗粒和较软的金属粘合剂组成。组成。目前，有数百种具有不同组成的WC基碳化钨，其中大多数使用钴（Co）作为粘合剂。镍（Ni）和铬（Cr）也是常用的粘合剂元素，可以添加其他添加剂。一些合金元素。

为什么有那么多硬质合金牌号？工具制造商如何为特定切削工艺选择合适的刀具材料？为了回答这些问题，让我们首先了解使碳化钨成为理想工具材料的各种性能。  

什么是碳化钨？ - 硬度和韧性的统一

 WC-Co碳化钨在硬度和韧性方面具有独特的优势。碳化钨（WC）本身具有非常高的硬度（超过刚玉或氧化铝），并且随着工作温度的升高，其硬度很少降低。然而，它缺乏足够的韧性，这是切削工具的基本特性。为了利用高硬度的碳化钨并提高其韧性，金属粘合剂用于粘合碳化钨，使得材料的硬度远远超过高速钢，同时能够承受大多数切削加工。切削力。此外，它还能承受高速加工产生的高温切削。

    今天，几乎所有的WC-Co工具和刀片都是涂层的，因此基质材料的作用似乎不太重要。但事实上，WC-Co材料的高弹性模量（刚度的测量，WC-Co的室温模数约为高速钢的三倍）为其提供了不可变形的基板。涂层。 WC-Co基质还提供所需的韧性。这些特性是WC-Co材料的基本特性，但在生产碳化钨粉末时也可根据材料成分和微观结构进行调整。因此，工具性能对特定工艺的适用性在很大程度上取决于初始铣削工艺。    

什么是碳化钨的铣削工艺？

    通过渗碳钨（W）粉末获得碳化钨粉末。碳化钨粉末的性质，特别是其粒径，主要取决于原料钨粉末的粒度和渗碳的温度和时间。化学控制也很关键，碳含量必须保持恒定（接近理论比例为6.13％（重量））。为了通过后续工艺控制粒度，可以在渗碳处理之前加入少量的钒和/或铬。不同的下游工艺条件和不同的最终加工应用需要特定碳化钨颗粒尺寸，碳含量，钒含量和铬含量的组合，并且这些组合的变化可以产生各种不同的碳化钨粉末。

    当碳化钨粉末与金属粘合剂混合并研磨以产生一定等级的碳化钨粉末时，可以采用各种组合。最常用的钴含量为3％至25％（重量），需要镍和铬来提高工具的耐腐蚀性。此外，通过添加其他合金成分可以进一步改善金属键。例如，向WC-Co碳化钨中添加铌可以显着提高韧性而不降低其硬度。增加粘合剂的量也可以增加碳化钨的韧性，但会降低其硬度。

    减小碳化钨颗粒的尺寸可以增加材料的硬度，但是在烧结过程中，碳化钨的颗粒尺寸必须保持不变。在烧结时，碳化钨颗粒通过溶解和再沉淀的过程结合并生长。在实际的烧结过程中，为了形成完全致密的材料，金属键变为液态（称为液相烧结）。通过添加其他过渡金属碳化物，包括碳化钒（VC），碳化铬（Cr3C2），碳化钛（TiC），碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC），可以控制碳化钨颗粒的生长速率。这些金属碳化物通常在碳化钨粉末与金属粘合剂的混合和研磨过程中加入，但是当碳化钨粉末渗碳时也可以形成碳化钒和碳化铬。

    碳化钨粉末的等级也可以由回收的整体硬质合金材料制成。废旧碳化钨的回收和再利用在碳化钨行业具有悠久的历史，是整个行业整个经济链的重要组成部分，有助于降低材料成本，保护自然资源和避免浪费材料。有害的处置。废碳化钨通常可以通过APT（仲钨酸铵）工艺，锌回收工艺或通过粉碎来重复使用。这些“再循环”碳化钨粉末通常具有更好的，可预测的致密化，因为它们的表面积小于直接由钨渗碳工艺制成的碳化钨粉末。

    将碳化钨粉末与金属粘合剂混合的加工条件也是关键的工艺参数。两种最常见的铣削技术是球磨和超细铣削。两种方法均可使研磨的粉末均匀混合并减小粒度。为了使工件被压制成具有足够的强度以保持工件的形状并允许操作者或机器人拾取工件以进行操作，通常需要在铣削期间添加有机粘合剂。这种粘合剂的化学组成可以影响压制工件的密度和强度。为了便于操作，优选添加高强度粘合剂，但这导致较低的压制密度并且可能导致硬块，导致最终产品中的缺陷。

    在研磨完成后，通常将粉末喷雾干燥以产生自由流动的物质，其通过有机粘合剂附聚。通过调节有机粘合剂的组成，可以调整这些附聚物的流动性和电荷密度以适应需要。通过筛选出较粗或较细的颗粒，可以进一步调整附聚物的粒度分布，以确保在装入模腔时具有良好的流动性。

什么是碳化钨工件的制造方法？

   硬质合金工件可以通过各种工艺形成。根据工件的尺寸，形状复杂程度和生产批量，大多数切削刀片使用顶部和底部压力刚性模具进行模制。为了在每次压制时保持工件重量和尺寸的一致性，必须确保流入空腔的粉末量（质量和体积）完全相同。粉末的流动性主要受附聚物的粒度分布和有机粘合剂的特性控制。通过向装载到腔体中的粉末施加10-80ksi（千磅/平方英尺）的模制压力，可以形成模制工件（或“坯料”）。

    即使在极高的模塑压力下，硬质碳化钨颗粒也不会变形或破裂，并且有机粘合剂被压入碳化钨颗粒之间的间隙中，从而起到固定颗粒位置的作用。压力越高，碳化钨颗粒的粘合越紧密，工件的压实密度越大。梯度碳化钨粉末的模塑性能可以根据金属粘合剂的量，碳化钨颗粒的尺寸和形状，形成附聚物的程度，以及有机粘合剂的组成和量而变化。为了提供关于碳化钨粉末等级的压制特性的定量信息，通常由粉末制造商设计以建立成型密度和成型压力之间的对应关系。该信息可确保提供的粉末与模具制造过程一致。

    通常通过将碳化钨粉末均匀地压在柔性袋中来制造具有高纵横比的大尺寸硬质合金工件或碳化物工件（例如立铣刀和钻头刀柄）。虽然均压法的生产周期比成型方法长，但是该工具的制造成本较低，因此该方法更适合于小批量生产。

    该方法包括将粉末装入袋中并密封袋的口，然后将装有粉末的袋放入室中，并通过液压装置施加30-60ksi的压力进行压制。压制工件通常在烧结之前加工成特定的几何形状。增加袋的尺寸以适应压实过程中工件的收缩并为研磨过程提供足够的余量。由于在压制成形后加工工件，因此对装料的一致性要求不如模塑方法那么严格，但仍希望确保每个负荷的粉末量相同。如果粉末的装载密度太小，装入袋中的粉末可能不足，导致工件尺寸小并且必须报废。如果粉末的装载密度太大，装入袋中的粉末太多，需要加工工件以在压制成型后除去更多的粉末。虽然多余的粉末和报废部件可以回收利用，但这会降低生产率。

    硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型来形成。挤出工艺更适合于轴对称成形工件的大规模生产，而注塑工艺通常用于复杂形状工件的大规模生产。在两种模塑方法中，碳化钨粉末的等级悬浮在有机粘合剂中，这赋予碳化钨混合物如牙膏的均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模塑成模腔。碳化钨粉末等级的特征决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例，并且对混合物通过挤出孔口或进入模腔的流动具有重要影响。

    在通过模塑，均压，挤压或注塑成型工件之后，需要在最终烧结阶段之前从工件上除去有机粘合剂。烧结去除工件中的孔隙，使其完全（或基本上）致密。在烧结时，压制成形工件中的金属结合变成液体，但是在毛细力和颗粒接触的共同作用下工件仍然可以保持其形状。

    烧结后，工件的几何形状保持不变，但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸，在设计工具时需要考虑收缩率。在设计用于制造每个工具的碳化钨粉末等级时，必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

    在几乎所有情况下，烧结工件也称为 硬质合金毛坯 需要进行后烧结。切削刀具最基本的处理方法是削尖切削刃。许多工具在烧结后需要研磨和几何形状的几何形状。有些工具需要磨削顶部和底部;其他需要外围磨削（有或没有锐化切削刃）。磨削的所有碳化物磨损碎屑都可以回收利用。

如何制备碳化钨工件涂层？

    在许多情况下，成品部件需要涂层。该涂层提供润滑性和增加的硬度，并为基材提供扩散阻挡层，以防止暴露于高温时的氧化。碳化钨基质对涂层的性能至关重要。除了定制基质粉末的主要特征之外，还可以通过化学选择和烧结过程的改进来定制基材的表面性质。通过钴的迁移，相对于工件的其余部分，在叶片表面的最外层中可以富集更多的钴，厚度为20-30μm，从而赋予基板的表面层更好的韧性，从而使具有很强的抗变形能力。

    基于其自身制造工艺（例如脱蜡方法，加热速率，烧结时间，温度和渗碳电压）的工具制造商可对所用的碳化物粉末等级提出特殊要求。一些工具制造商可能在真空炉中烧结工件，而其他工具制造商可能使用热等静压（HIP）烧结炉（其在工艺循环结束时对工件加压以消除任何残留物）。孔）。在真空炉中烧结的工件也可能需要经受热等静压工艺以增加工件密度。一些工具制造商可以使用较高的真空烧结温度来增加具有较低钴含量的混合物的烧结密度，但是这种方法可能使微观结构变粗糙。为了保持细晶粒尺寸，可以使用具有较小碳化钨粒径的粉末。为了匹配特定的生产设备，脱蜡条件和渗碳电压对碳化钨粉末的碳含量也有不同的要求。

    所有这些因素对烧结的碳化钨工具的微观结构和材料特性具有关键影响。因此，需要工具制造商和粉末供应商之间的紧密通信以确保其根据工具制造。定制生产工艺定制级碳化钨粉。因此，有数百种不同的硬质合金牌号就不足为奇了。例如，ATI Alldyne生产600多种不同的粉末等级，每种等级都是专门为用户和特定用途而设计的。

什么是碳化钨等级的分类方法？

  不同类型的碳化钨粉末，混合物组成和金属粘合剂含量，晶粒生长抑制剂的类型和数量等的组合构成各种碳化物等级。这些参数将决定碳化钨的微观结构和性质。某些特定的性能组合已成为特定加工应用的首选，从而可以对多种硬质合金牌号进行分类。

    用于加工目的的两种最常用的硬质合金加工分类系统是C级系统和ISO级系统。虽然这些系统都没有充分反映影响硬质合金牌号选择的材料特性，但它们提供了一个讨论的起点。对于每种分类法，许多制造商都有自己的特殊等级，从而产生各种各样的硬质合金牌号。

    硬质合金牌号也可按组合分类。碳化钨（WC）牌号可分为三种基本类型：简单，微晶和合金。简单等级主要由碳化钨和钴粘合剂组成，但也可含有少量的晶粒生长抑制剂。微晶级由碳化钨和钴粘合剂组成，添加千分之几的碳化钒（VC）和/或碳化铬（Cr3C2），并且其晶粒尺寸可小于1μm。合金牌号由碳化钨和含有百分之几的碳化钛（TiC），碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC）的钴粘合剂组成。这些添加剂因其烧结而被称为立方碳化物。所得微结构表现出不均匀的三相结构。

    （1）简单的硬质合金牌号

    这种金属切削等级通常含有3％-12％的钴（按重量计）。碳化钨颗粒的尺寸通常在1-8μm的范围内。与其他牌号一样，减小碳化钨的粒径会增加其硬度和横向断裂强度（TRS），但会降低其韧性。简单等级的硬度通常在HRA 89-93.5之间;横向断裂强度通常在175-350ksi之间。这种等级的粉末可能含有大量的再循环原料。

    简易等级可分为C级系统中的C1-C4，可根据ISO等级系统中的K，N，S和H等级系列进行分类。具有中间特性的简单牌号可归类为一般牌号（例如C2或K20），用于车削，铣削，刨削和镗孔;可以使用具有较小晶粒尺寸或较低钴含量和较高硬度的等级作为精加工等级（例如C4或K01）;具有较大晶粒尺寸或较高钴含量和较好韧性的等级可归类为粗糙等级（例如C1或K30）。

    由简单牌号制成的工具可用于切割铸铁，200和300系列不锈钢，铝和其他有色金属，高温合金和硬化钢。这些牌号还可用于非金属切削应用（如岩石和地质钻孔工具），晶粒尺寸范围为1.5至10μm（或更大），钴含量范围为6％至16％。另一种非金属切削类型的简单硬质合金牌号是模具和冲头的制造。这些等级通常具有中等粒度，钴含量为16％-30％。

    （2）微晶碳化物等级

    这些等级通常含有6％-15％的钴。在液相烧结中，添加的碳化钒和/或碳化铬可以控制晶粒生长，从而获得粒径小于1μm的细晶粒结构。该细粒级具有非常高的硬度和500ksi或更高的横向断裂强度。高强度和足够的韧性相结合，使这些等级的刀具具有更大的正前角，从而减少切削力并通过切削而不是推动金属来生产更薄的切屑。

    通过在生产等级的碳化钨粉末中严格的各种原材料的质量鉴定和严格控制烧结工艺条件，可以防止在材料的微观结构中形成异常大的晶粒。材料特性。为了保持晶粒小而均匀，只有在完全控制原料和回收过程并进行广泛的质量测试时才能使用再生粉末。

    微晶等级可根据ISO等级系统中的M级系列进行分类。此外，C级系统和ISO等级系统中的其他分类方法与简单等级相同。微晶等级可用于制造用于切割较软工件材料的工具，因为工具表面可以非常平滑地加工并保持极其锋利的切削刃。

    微晶等级也可用于加工镍基高温合金，因为它们可以承受高达1200°C的切削温度。对于高温合金和其他特殊材料的加工，使用微晶等级工具和简单的搪瓷等级工具可以同时提高其耐磨性，抗变形性和韧性。微晶等级也适用于制造产生剪切应力的旋转工具（例如钻头）。一种类型的钻头由复合等级的碳化钨制成。在相同钻头的特定部分中材料的特定钴含量是不同的，因此钻头的硬度和韧性根据加工需要而优化。

    （3）合金型硬质合金牌号

    这些牌号主要用于切割钢件，其通常具有5％-10％的钴含量和0.8-2μm的粒度范围。通过添加4％至25％的碳化钛（TiC），可以减少碳化钨（WC）扩散到废钢表面的趋势。通过添加不超过25％的碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC），可以提高刀具强度，抗月牙洼磨损性和抗热冲击性。添加这种立方碳化物还会增加工具的红色，有助于避免在重切削或其他加工过程中刀具的热变形，其中切削刃会产生高温。此外，碳化钛可在烧结过程中提供成核位置，改善工件中立方碳化物分布的均匀性。

    通常，合金型硬质合金牌号的硬度范围为HRA91-94，横向断裂强度为150-300ksi。与简单型相比，合金型的耐磨性差，耐磨性差，强度低，但其粘接耐磨性更好。合金牌号可分为C级系统中的C5-C8，可根据ISO等级系统中的P级和M级系列进行分类。具有中间性能的合金牌号可归类为一般牌号（例如C6或P30），用于车削，攻丝，刨削和铣削。最硬的等级可归类为精加工和镗孔的精细等级（例如C8和P01）。这些等级通常具有较小的晶粒尺寸和较低的钴含量，以实现所需的硬度和耐磨性。然而，通过添加更多的立方碳化物可以获得类似的材料特性。最具弹性的牌号可归类为粗糙牌号（例如C5或P50）。这些等级通常具有中等尺寸的粒度和高钴含量，并且加入的立方碳化物的量也很小，以通过抑制裂纹扩展来获得所需的韧性。在中断车削过程中，通过在切削器表面上使用具有较高钴含量的富钴等级，可以进一步提高切削性能。

    具有低碳化钛含量的合金牌号用于加工不锈钢和可锻铸铁，但也可用于加工有色金属（例如镍基超合金）。这些等级通常具有小于1μm的粒度和8％至12％的钴含量。具有较高硬度的等级（例如M10）可用于车削可锻铸铁;具有更好韧性的牌号（例如M40）可用于铣削和刨削钢或用于车削不锈钢或超级合金。

    合金型硬质合金牌号也可用于非金属切削应用，主要用于制造耐磨零件。这些等级通常具有1.2-2μm的粒度和7％-10％的钴含量。在这些等级的生产中，通常添加大部分回收材料，从而在磨损部件的应用中具有更高的成本效益。耐磨部件需要良好的耐腐蚀性和高硬度。这些等级可以通过在生产这种等级时添加镍和碳化铬来获得。

    为了满足工具制造商的技术和经济要求，碳化钨粉是一个关键要素。为工具制造商的加工设备和工艺参数设计的粉末确保了成品零件的性能，并产生数百种硬质合金牌号。硬质合金材料的可回收性和直接与粉末供应商合作的能力使工具制造商能够有效地控制其产品质量和材料成本。

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