硬质合金刀具材料的发展思路

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应用晶须增韧补强、纳米粉复合强化技术全面提高硬质合金刀具材料的硬度、韧性等综合性能，是硬质合金刀具材料研究今后发展的重要方向。

1.晶须增韧补强技术

a. 增韧机理

由于硬质合金刀具材料的断裂韧性欠佳，因此很难应用于一些对刀具韧性要求较高的加工场合(如微型深孔钻削等)。解决这一问题的一种有效方法是使用晶须增韧补强技术。

加入硬质合金材料中的晶须能吸收裂纹扩展的能量，吸收能量的大小则由晶须与基体的结合状态决定。晶须增韧机制主要表现为：①晶须拔出增韧：晶须在外界负载作用下从基质中拔出时，因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载能量，从而达到增韧目的，其增韧效果受晶须与界面滑动阻力的影响。晶须与基体界面之间必须有足够的结合力，以使外界负载能有效传递给晶须，但该结合力又不能太大，以便保持足够的拔出长度。②裂纹偏转增韧：当裂纹尖端遇到弹性模量大于基质的第二相时，裂纹将偏离原来的前进方向，沿两相界面或在基质内扩展。由于裂纹的非平面断裂比平面断裂具有更大的断裂表面，因此可吸收更多外界能量，从而起到增韧作用。在基质内加入高弹性模量的晶须或颗粒均可引起裂纹偏转增韧机制。③晶须桥接增韧：当基质断裂时，晶须可承受外界载荷并在断开的裂纹面之间起到桥梁连接作用。桥接的晶须可对基质产生使裂纹闭合的力，消耗外界载荷做功，从而提高材料韧性。

b. 晶须的选用及添加方式

目前常用的晶须材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化硼、莫来石等。但研究重点应放在单晶SiC晶须材料上，这是由于SiC本身具有良好的抗热震性以及纤维状(针状)SiC粉末体较易获得。

SiC晶须的添加方式主要有两种：①外加晶须方式：将一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮化物等为基体的粉末材料中，通过制造加工获得晶须增韧制品。这种方式目前使用较广泛。②合成晶须方式：将粉末基体与SiO2、碳黑、烧结助剂等混合后，在一定温度和压力下合成SiCw晶须，然后通过制造加工获得晶须增韧制品。这种方法目前尚在进一步研究开发之中。一般选用SiCw晶须的直径范围为0.01——3μm，长度范围为0.1——300μm，晶须的长径比取值为10，SiCw晶须添加量为5%——40%。我国目前使用的SiCw晶须特性见表1。

c.晶须的取向与含量

晶须增韧硬质合金材料热压成形后，晶须的分布呈现出明显的方向性，在不同方向上因晶须取向不同而表现出不同的增韧效果。因此，在制造硬质合金刀片时应考虑晶须取向对刀具切削性能的影响。此外，WC-Co-SiCw材料中的晶须含量不同，其增韧效果也有较大差异。如晶须含量过多，会因烧结困难而难以获得致密度高的材料组织，从而影响硬质合金材料强度；如晶须含量过少，则晶须增韧效果不明显，材料断裂韧性提高有限，晶须可能非但起不到增韧作用，反而成为多余夹杂物甚至缺陷源。因此，存在一个最佳晶须配比，按此配比添加晶须，不仅可获得致密度高的材料，而且外载能通过界面传给晶须，有效实现晶须的增韧作用。为达此目的，应根据刀具损坏方式的不同，分别优选出具有不同晶须含量和不同晶须取向的WC-Co-SiCw刀具进行切削加工，以充分实现这种刀具材料的增韧补强作用。

2.纳米复合强化技术

a.强化机理

纳米技术是近年来发展迅速的一门新兴技术。当材料的晶粒尺寸达到纳米级，就会产生许多特异性能。由于纳米材料具有较大界面，界面上的原子排列相当混乱，在外力变形条件下极易迁移，因此使材料表现出良好的韧性与延展性。纳米刀具材料的显微结构物相具有纳米级尺度，由于尺寸效应的作用，晶界面积增大，抗裂纹扩张阻力提高，从而可获得优异的力学性能(如断裂韧性、抗弯强度、硬度等)，表现出良好的切削性能。

由于生产工艺不成熟、价格昂贵以及烧结过程中纳米晶粒容易发生疯长等原因，迄今世界上还没有一家公司实现100nm粒度硬质合金材料的工业化规模生产。因此，纳米硬质合金材料的工业化应用还有待时日。但是人们发现，在细晶粒硬质合金基体中加入纳米颗粒，也可使硬质合金基体材料的硬度、韧性等综合性能有较大提高。因此，采用纳米复合强化是改善细晶粒硬质合金材料性能的有效途径。

纳米复合强化机理主要是因为弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒具有弥散增韧作用。当在基质材料中加入高弹性模量的第二相粒子(纳米颗粒)后，这些粒子在基质材料受到拉伸作用时将阻止横向截面收缩，而要达到与基体相同的横向收缩，就则增大纵向拉应力，这样就可使材料消耗更多能量，起到增韧效果。同时，高弹性模量颗粒对裂纹可起到“钉扎”作用，使裂纹发生偏转、绕道，从而耗散裂纹前进的动力，起到增韧作用。此外，弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒可抑制硬质合金晶粒在烧结过程中的长大，综合提高硬质合金材料的机械性能。

b. 抑制剂的选择

制备纳米复合细晶粒硬质合金时，一个重要问题是在烧结过程中如何抑制晶粒的长大。细晶粒硬质合金在烧结时极易快速长大，晶粒长大会导致材料强度下降，单个的粗大WC晶粒常常是硬质合金发生断裂的重要诱因。通过添加抑制剂能有效阻止烧结过程中WC晶粒的长大，而消除WC晶粒局部长大的关键在于抑制剂的均匀分布。晶粒长大现象主要发生在WC的溶解沉淀过程中，即WC溶解在液相中并沉淀在较大WC晶体上而导致晶粒长大。抑制剂可抑制晶粒长大的一个重要机理在于加入抑制剂可降低WC在粘结相中的溶解度，使WC晶粒的溶解—析出机制受到阻碍，从而破坏晶粒长大的条件；同时，加入的抑制剂可沉积在WC晶粒的活化长大晶粒上，从而阻止晶粒进一步长大。

通常用于控制WC晶粒长大的抑制剂有VC、Cr3C2等，此外，添加的难溶碳化物还有TiC、ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC等。图1所示为制备WC-X-20%Co(X为添加的碳化物)硬质合金时(1400℃下烧结1小时)WC的平均晶粒度与各种碳化物单独添加量之间的关系。由图可见，各种碳化物抑制剂控制WC晶粒长大的效果顺序为：VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC>ZrC>HfC，其中VC的抑制效果最明显，而添加微量Mo2C和Cr3C2则几乎没有抑制WC晶粒长大的作用。

c. 抑制剂添加方式

抑制剂的添加方式对超细硬质合金性能影响极大。在添加量相同的条件下，以单质形式加入抑制剂通常可使硬质合金材料的孔隙度更高、晶粒更细；而以固溶体形式加入抑制剂时，硬质合金材料的孔隙相对较少、晶粒较粗。按不同方式添加抑制剂的WC-8%Co硬质合金的性能指标见表2。可知，以固溶体形式添加抑制剂的硬质合金各项性能指标较好，材料抗弯强度有较大提高。以VC为例，如以单质形式添加，VC更容易溶解于Co相中，从而减少了W的溶解量；VC排列在WC/Co界面上，可阻止晶粒长大，并使晶粒生长不完整；在冷却过程中，#0 向!0 晶粒扩散，形成(W，V)C固溶体，由于形成固溶体时间短，在晶粒内造成较大微观应变，从而影响硬质合金的机械物理性能。如以固溶体形式添加VC抑制剂，WC、VC同时向Co相内扩散，V的溶解量有所减少，而W的溶解量增加，孔隙充填更为容易，但同时也使VC的抑制作用下降；在冷却过程中，由于部分VC已经以(W，V)C的形式存在，使晶粒内部的应变减小，晶粒生长更趋完整，从而提高了硬质合金的机械物理性能。

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