真空熱處理在硬質(zhì)合金切削工具和沖模中的應(yīng)用

1 前言
 
 硬質(zhì)合金作為機(jī)械、礦山、電子、標(biāo)準(zhǔn)件等行業(yè)的工模具材料，雖然具有高硬度、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)良性能，但在礦山鉆采和金屬切削刀具的使用中，普遍存在的因韌性差導(dǎo)致嚴(yán)重崩刃脆斷和早期磨損失效兩大難題，限制了它的使用范圍，特別在受沖擊載荷的場(chǎng)合，如礦山鑿巖、地質(zhì)鉆探、冷沖冷鍛、粗銑等工模具材料中，不僅要求高硬度、耐磨，重要的還需要整體強(qiáng)韌性好。近十幾年來，我們對(duì)硬質(zhì)合金熱處理作了比較系統(tǒng)的研究。80年代末，研制出新一代礦山用硬質(zhì)合金，已得到了廣泛應(yīng)用［1］，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。為了進(jìn)一步拓寬與開發(fā)熱處理硬質(zhì)合金的使用領(lǐng)域，形成熱處理硬質(zhì)合金系列化，是今后研究的方向。這里重點(diǎn)對(duì)銑削和沖模用硬質(zhì)合金的真空熱處理進(jìn)行了研究，并獲得明顯的效果。
 
 2　試驗(yàn)方法
 
 2.1　熱處理方式
 
 以前，硬質(zhì)合金熱處理方式是仿效鋼材的熱處理，即在硬質(zhì)合金制品燒結(jié)后，再進(jìn)行二次升溫淬火，然后回火。而今我們用一種新的熱處理方式來取代它，這種方式就是燒結(jié)淬火，即產(chǎn)品燒結(jié)后，不隨爐冷卻至室溫，而是在燒結(jié)溫度或冷卻到一定的溫度直接淬火，免去二次升溫過程，從而達(dá)到省時(shí)、省力、降低能耗及提高效率的目的。
 
 2.2　原料及合金牌號(hào)
 
 本試驗(yàn)配制兩種系列硬質(zhì)合金：
 
 ①模具系列：YG15C、YG20C；
 ②銑削系列：YG6、YG8、YS30、YT14、YT5、YW2。
 
 還配制了作某些條件對(duì)比試驗(yàn)用YG6C、YG8C、YG15合金。
 
 配制以上合金所用WC、（TiW）C及Co粉均取自株洲硬質(zhì)合金廠。
 
 2.3　試驗(yàn)設(shè)備
 
 硬質(zhì)合金配料混合及壓制直至脫蠟均采用常規(guī)生產(chǎn)設(shè)備，燒結(jié)淬火在WZS-20型和WZS-45型真空燒結(jié)淬火兩用爐中進(jìn)行。
 
 在WZS-20爐做工藝試驗(yàn)，在WZS-45爐進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。兩臺(tái)真空爐均可完成真空燒結(jié)、真空淬火、氣冷淬火等多種工藝。淬火工藝的全過程可按預(yù)先給定的程序自動(dòng)進(jìn)行，還可手動(dòng)操作。
 
 3　試驗(yàn)內(nèi)容
 
 常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目采用的標(biāo)準(zhǔn)試樣是5mm×5mm×30mm抗彎強(qiáng)度試樣，用A116刀片測(cè)試合金密度、硬度和矯頑力。壓制好的試樣，經(jīng)脫蠟后，做以下試驗(yàn)。
 
 3.1　兩種熱處理方式的對(duì)比
 
 分別對(duì)YG15C和YT14合金進(jìn)行了燒結(jié)后二次升溫淬油和燒結(jié)后直接淬油，兩種熱處理方式對(duì)比試驗(yàn)。
 
 在兩種熱處理方式中，各取一個(gè)效果最佳的工藝對(duì)YG6、YG8、YG11C、YG15C、YG20C、YS30、YT14、YT5、YW2合金進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果均為經(jīng)回火后的最后檢測(cè)結(jié)果，見圖1（抗彎強(qiáng)度增量為與燒結(jié)態(tài)對(duì)比的相對(duì)增量，以下各圖均同）。
 
 從圖1可見，直接熱處理是可行的，用該方法處理WC-（TiW）C-Co合金優(yōu)于二次升溫?zé)崽幚怼?

圖1　各合金牌號(hào)兩種熱處理方式對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果
1.燒結(jié)后直接油淬　2.燒結(jié)后二次升溫油淬

3.2　不同淬火介質(zhì)試驗(yàn)

硬質(zhì)合金真空淬火采用油淬和氣淬。氣淬選用氮?dú)?，比較經(jīng)濟(jì)。圖2、圖3為YG8、YW2合金經(jīng)不同介質(zhì)淬火后的效果。

 圖2　YG8合金經(jīng)不同介質(zhì)淬火增量后抗彎強(qiáng)度
 1.油淬　　2.氣淬

圖3　YW2合金經(jīng)不同介質(zhì)淬火增量后抗彎強(qiáng)度
1.油淬　　2.氣淬

從圖2可見YG8合金直接油淬比直接氣淬抗彎強(qiáng)度增量明顯，而從圖3可見，YW2合金直接氣淬比直接油淬抗彎強(qiáng)度增加明顯。因此，不同牌號(hào)的合金應(yīng)采用不同的淬火介質(zhì)，即不同的合金，要求不同的淬火冷卻速度，以使合金中W、C在鈷相的溶解量和鈷相的馬氏體轉(zhuǎn)變以及由于合金各組分的熱膨脹系數(shù)不同所導(dǎo)致的熱應(yīng)力達(dá)到最佳組合。

3.3　不同鈷含量合金的對(duì)比

圖4為不同鈷含量的合金熱處理后抗彎強(qiáng)度的比較。圖4表明，熱處理后的合金抗彎強(qiáng)度的最大值隨合金中鈷含量的升高而升高，這與熱處理使鈷相強(qiáng)韌化的機(jī)理相一致，并隨著鈷含量的升高，合金抗彎強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)較高的最佳淬火溫度（Tq）。Tq升高的趨勢(shì)是由于鈷含量增加，合金的應(yīng)變松弛能力增強(qiáng)，從而使W、C在鈷相中的溶解量、鈷相馬氏體相變及熱應(yīng)力的最佳組合溫度升高。

圖4　不同鈷含量合金熱處理效果比較
1.YG15C　2.YG11C　3.YG6C　4.YG8

3.4　淬火溫度

硬質(zhì)合金真空燒結(jié)淬火工藝，在熱處理方式、淬火介質(zhì)確定以后，淬火溫度的選擇就至關(guān)重要。從上述試驗(yàn)看出，合金牌號(hào)不同，最佳淬火溫度（Tq）也不同。Tq主要取決于合金的成分（如圖4），隨著鈷含量增加，Tq趨于升高，通過反復(fù)試驗(yàn)最后確定Tq。

3.5　回火溫度的選擇

由于硬質(zhì)相（WC）與粘結(jié)相Co的膨脹系數(shù)相差約3倍，故淬火后的合金內(nèi)部存在應(yīng)力，這種應(yīng)力可能導(dǎo)致合金產(chǎn)生擇回火溫度（Tt）主要考慮兩點(diǎn)，一是盡量消除合金的應(yīng)力，另外是使鈷相的析出降到最低。因此，回火溫度應(yīng)該是選擇兩者俱佳的溫度。在低溫階段回火，隨著Tt升高，抗彎強(qiáng)度增大。這時(shí)的回火主要是要消除應(yīng)力過程，而Co相析出物很少。根據(jù)Co相析出強(qiáng)化原理，微量Co析出物導(dǎo)致彌散強(qiáng)化。但隨著Tt的繼續(xù)升高，Co相析出物增多，合金矯頑力迅速增加，析出產(chǎn)物如Co3W3C、Co7W6、Co3W、Co7W2為脆性相，使合金組織結(jié)構(gòu)嚴(yán)重惡化，故使抗彎強(qiáng)度急劇下降。因此，對(duì)低鈷和中鈷合金，Tt應(yīng)選擇高一些，高鈷合金Tt應(yīng)選擇較低。如圖5所示，YG15合金回火時(shí)間在4～30h之間，抗彎強(qiáng)度、硬度及矯頑力都變化不大，因此，延長(zhǎng)回火時(shí)間意義不大。

圖5　回火時(shí)間對(duì)YG15合金性能的影響
（以燒結(jié)態(tài)為基準(zhǔn)）

4　生產(chǎn)試驗(yàn)

4.1　切削刀具

生產(chǎn)試驗(yàn)表明，所有牌號(hào)的硬質(zhì)合金刀片經(jīng)熱處理后其性能明顯優(yōu)于燒結(jié)態(tài)，其使用壽命倍增，見表1所示。如北京內(nèi)燃機(jī)廠試驗(yàn)的熱處理刀片其耐磨性、韌性和使用壽命明顯提高。所有試驗(yàn)單位的現(xiàn)場(chǎng)操作人員都反映硬質(zhì)合金熱處理刀片較之未熱處理的刀片光潔度高，耐用度好，使用壽命長(zhǎng)。

表1　硬質(zhì)合金刀片現(xiàn)場(chǎng)銑削試驗(yàn)結(jié)果

4.2　沖模

上海鋼球廠是我國較大的鋼球生產(chǎn)專業(yè)廠，對(duì)19／32″規(guī)格的鋼球沖模進(jìn)行了試驗(yàn)，經(jīng)熱處理比未熱處理模具壽命提高1倍以上，比原用Cr12Mo鋼模壽命提高10倍。目前用的鋼模壽命短、工效低，因此，又試制了3套11／16″規(guī)格的模具，熱處理比未熱處理的模具壽命提高4.2倍，比Cr12鋼模提高十幾倍。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果見表2，熱處理后的硬質(zhì)合金模具的壽命普遍提高。

表2　硬質(zhì)合金鋼球沖?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)論

（1）　使用WZS-20和WZS-45型真空燒結(jié)淬火爐能夠?qū)崿F(xiàn)硬質(zhì)合金燒結(jié)后直接淬火，省時(shí)、省力、節(jié)能降耗。

（2）　各種用途的硬質(zhì)合金經(jīng)適當(dāng)?shù)墓に嚐崽幚?，其性能均能不同程度地提高，銑削和沖模用硬質(zhì)合金經(jīng)熱處理后，可以成倍提高使用壽命。