如何提高硬質(zhì)合金刀具的韌性？

來源：發(fā)布時(shí)間：2024-09-20

以下是一些提高硬質(zhì)合金刀具韌性的方法：

### 一、優(yōu)化成分設(shè)計(jì)

1. **粘結(jié)劑調(diào)整**

- **選擇合適的粘結(jié)劑種類**：

- 鈷（Co）是硬質(zhì)合金中常用的粘結(jié)劑，適當(dāng)增加鈷含量可以提高刀具的韌性。例如，將鈷含量從6%提高到10%左右，能夠使刀具在受到?jīng)_擊時(shí)，粘結(jié)相更好地緩沖應(yīng)力，減少裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

- **粘結(jié)劑合金化**：

- 在粘結(jié)劑中添加其他元素進(jìn)行合金化。例如添加少量的鎳（Ni）、鉻（Cr）等元素，這些元素可以改變粘結(jié)劑的晶體結(jié)構(gòu)和性能。鎳可以提高粘結(jié)劑的韌性，鉻可以增強(qiáng)粘結(jié)劑的抗氧化性和耐腐蝕性，從而間接提高硬質(zhì)合金刀具的韌性。

2. **硬質(zhì)相調(diào)控**

- **控制硬質(zhì)相粒度**：

- 減小硬質(zhì)相碳化鎢（WC）的粒度可以提高硬質(zhì)合金的韌性。當(dāng)WC粒度從微米級減小到亞微米級時(shí)，硬質(zhì)相和粘結(jié)相之間的界面面積增大，在受到外力時(shí)，應(yīng)力能夠更均勻地分散，提高刀具抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。

- **優(yōu)化硬質(zhì)相晶型**：

- 采用特殊晶型的硬質(zhì)相。例如，在一些高性能硬質(zhì)合金刀具中，采用六方晶型的WC可以改善硬質(zhì)合金的韌性。六方晶型的WC在與粘結(jié)劑的結(jié)合和應(yīng)力傳遞方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

### 二、改進(jìn)制備工藝

1. **燒結(jié)工藝優(yōu)化**

- **控制燒結(jié)溫度和時(shí)間**：

- 精確控制燒結(jié)溫度和時(shí)間對于提高刀具韌性至關(guān)重要。較低的燒結(jié)溫度和適當(dāng)延長的燒結(jié)時(shí)間可以減少硬質(zhì)合金內(nèi)部的缺陷，如孔隙等。例如，在燒結(jié)溫度為1350 - 1400°C，燒結(jié)時(shí)間為1 - 2小時(shí)的條件下，能夠使硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)更加致密均勻，提高刀具的韌性。

- **采用熱等靜壓（HIP）技術(shù)**：

- HIP技術(shù)可以在高溫高壓下對燒結(jié)后的硬質(zhì)合金進(jìn)行處理，能夠有效消除內(nèi)部孔隙，提高材料的致密度。經(jīng)過HIP處理后的硬質(zhì)合金刀具，其韌性會(huì)得到顯著提高，特別是對于大尺寸或形狀復(fù)雜的刀具，HIP技術(shù)的效果更為明顯。

2. **涂層工藝改進(jìn)**

- **選擇合適的涂層材料和方法**：

- 選擇韌性較好的涂層材料，如氮化鈦（TiN）涂層，它不僅可以提高刀具的硬度和耐磨性，還能在一定程度上提高刀具的韌性。采用物相沉積（PVD）方法制備涂層時(shí)，PVD涂層具有較低的內(nèi)應(yīng)力，與刀具基體的結(jié)合較好，能夠在提高刀具耐磨性的同時(shí)，減少涂層對刀具韌性的負(fù)面影響。

- **梯度涂層設(shè)計(jì)**：

- 采用梯度涂層結(jié)構(gòu)，即涂層的成分或結(jié)構(gòu)從刀具表面到基體逐漸變化。例如，從表面的高硬度耐磨層到靠近基體的韌性過渡層。這種梯度涂層可以有效地緩解涂層與基體之間因性能差異而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高刀具的整體韌性。

### 三、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1. **刀具幾何形狀設(shè)計(jì)**

- **調(diào)整前角、后角和刃傾角**：

- 適當(dāng)增大前角可以減小切削力，從而減少刀具在切削過程中所受的應(yīng)力，提高刀具的韌性。但是前角過大也會(huì)削弱切削刃的強(qiáng)度，需要根據(jù)具體的加工材料和工況進(jìn)行合理調(diào)整。一般來說，在加工韌性材料時(shí)，可以將前角增大到10 - 15°。同時(shí)，合理選擇后角和刃傾角也能夠優(yōu)化刀具的受力狀態(tài)，提高刀具的韌性。

- **優(yōu)化刀尖半徑和刃口形狀**：

- 增大刀尖半徑可以增加刀具的強(qiáng)度和韌性，在粗加工時(shí)，較大的刀尖半徑能夠承受更大的切削力。例如，將刀尖半徑從0.2mm增大到0.4mm。對于刃口形狀，可以采用圓弧刃口或負(fù)倒棱刃口等設(shè)計(jì)，這些刃口形狀能夠提高刀具的抗沖擊能力，增強(qiáng)刀具的韌性。

2. **刀具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)**

- **采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)**：

- 設(shè)計(jì)刀具的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如，采用硬質(zhì)合金芯部和韌性較好的外層材料相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。外層材料可以在刀具受到?jīng)_擊時(shí)起到緩沖作用，保護(hù)內(nèi)部的硬質(zhì)合金芯部，提高刀具的整體韌性。

- **增加刀具的結(jié)構(gòu)支撐**：

- 在刀具的設(shè)計(jì)中增加結(jié)構(gòu)支撐部分，如在刀具的柄部或刀體上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以提高刀具的剛性，減少在切削過程中刀具的振動(dòng)和變形，從而間接提高刀具的韌性。

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