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
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)先給定的程序自動進(jìn)行，還可手動操作。
3 試驗(yàn)內(nèi)容
常規(guī)檢測項(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比
分別對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)回火后的最后檢測結(jié)果，見圖1（抗彎強(qiáng)度增量為與燒結(jié)態(tài)對比的相對增量，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 各合金牌號兩種熱處理方式對比試驗(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)猓容^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)度峰值對應(yīng)較高的最佳淬火溫度（Tq）。Tq升高的趨勢是由于鈷含量增加，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，延長回火時(shí)間意義不大。
圖5 回火時(shí)間對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。
表1 硬質(zhì)合金刀片現(xiàn)場銑削試驗(yàn)結(jié)果
| 廠 家 | 合金 牌號 |
合金 狀態(tài) |
規(guī)格 型號 |
加工 材料 |
工件 名稱 |
切削用量 | 粗糙度／ μm |
加工量／ 件或 時(shí)間? |
壽命 提高 （倍） |
||
| 轉(zhuǎn)速n／ | 走刀量ar／ | 切深ap／ | |||||||||
| r.min－1 | mm.r－1 | mm | |||||||||
| 北京內(nèi)燃機(jī)總廠二分廠 | YS30 | 燒結(jié)態(tài) 熱處理 熱處理 |
4160511 4160511 4160511 |
45鋼 調(diào)質(zhì)件 |
汽油發(fā)動 機(jī)凸輪軸 |
350 350 350 |
1.2 1.2 1.2 |
3－4 3－4 3－4 |
5 5 5 |
296件 808件 946件 |
— 1.7 2.2 |
| 太原礦山機(jī)械廠 | YT14 | 燒結(jié)態(tài) 熱處理 |
313108 313108 |
ZG25 鑄鋼 |
右牽載 箱體 |
226 226 |
1.3 1.3 |
2.5 2.5 |
4 5 |
20min 32min |
— 1.6 |
| 洛陽拖拉機(jī)廠齒輪廠 | YT14 | 燒結(jié)態(tài) 熱處理 |
4160511 | 45鋼 調(diào)質(zhì)件 |
倒檔軸 毛坯 |
350 350 |
0.4 0.4 |
3 3 |
250件 550件 |
— 1.2 |
|
| 云南機(jī)床廠 | YT14 | 燒結(jié)態(tài) 1＃熱處理 2＃熱處理 |
416108 416108 416108 |
45鋼 鍛鋼 |
590 590 590 |
0.2 0.2 0.2 |
3 3 3 |
100件 200件 400件 |
1 3 |
||
*每刃加工時(shí)間 1＃ 2＃為不同熱處理制度
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)場試驗(yàn)結(jié)果
| 廠 家 | 合金 牌號 |
合金 狀態(tài) |
規(guī)格 型號 |
鐓制 材料 |
材料規(guī)格／ mm |
沖壓次數(shù)／ 次.min－1 |
使用壽 命／萬粒 |
壽命提 高（倍） |
備 注 |
| 洛陽軸承廠 | TG20C Cr12 |
熱處理 軸承鋼 |
19／32″ 19／32″ |
GCr15 GCr15 |
?10.7 ?10.7 |
106 106 |
30 3 |
10 — |
開裂 尺寸超差 |
| 上海 鋼球 廠 |
YG20C | 燒結(jié)態(tài) | 19／32″ | GCr15 | 11 | 100 | 20 | — | 接觸圓有磨損，劃痕擴(kuò)展 |
| 熱處理 | 19／32″ | GCr15 | ?11 | 100 | 42 | 1.1 | 接觸圓略有磨損，核芯凹陷 | ||
| 燒結(jié)態(tài) | 11／16″ | GCr15 | ?18.06 | 83 | 7.5 | — | 裂紋擴(kuò)展核芯損壞 | ||
| 熱處理 | 11／16″ | GCr15 | ?18.06 | 83 | 38.8 | 4.2 | 接觸圓磨損，劃痕略有擴(kuò)展 |
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)墓に嚐崽幚恚湫阅芫懿煌潭鹊靥岣?，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。
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