硬質(zhì)合金的熱處理

■ 趙步青，張丹寧，劉春菱

硬質(zhì)合金主要是由高熔點金屬（W、Mo、Ti、V、Ta等）的碳化物、氮化物、硼化物或硅化物組成的合金的總稱。分為鑄造和燒結(jié)兩大類。鑄造合金脆性高、韌性低，實際應(yīng)用價值不大。廣泛應(yīng)用的是燒結(jié)合金，一般由碳化鎢或碳化鈦和鈷粉燒結(jié)而成，具有高的硬度、耐磨性和熱硬性。主要用于制造高速切削和加工硬材料的刀具，近年來，模具工業(yè)運(yùn)用硬質(zhì)合金也與日俱增，所以探討和研究硬質(zhì)合金熱處理有現(xiàn)實意義。

1. 硬質(zhì)合金的特點

硬質(zhì)合金是由難熔金屬硬質(zhì)化合物和金屬黏結(jié)相經(jīng)粉末冶金的方法而制成的，通常廣泛采用的硬質(zhì)化合物是碳化物，作為切削刀具用的硬質(zhì)合金，常用的WC、TiC、TaC、NbC等，粘結(jié)劑是Co，硬質(zhì)合金的強(qiáng)度主要取決于Co的含量。

由于硬質(zhì)合金中的碳化物具有熔點高（如Ti C的熔點為3140℃）、硬度高（如TiC的硬度為3200HV）、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定好等特點，因此其硬度、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性都遠(yuǎn)高于高速工具鋼。

常用的硬質(zhì)合金硬質(zhì)相主要是WC，它有良好的耐磨性，雖然有些碳化物的硬度和W C差不多，但不具備相同的耐磨性。W C有較高的屈服強(qiáng)度（6000MPa），故抗塑性變形的能力較強(qiáng)。WC的導(dǎo)熱性也好，而導(dǎo)熱性是工模具重要的性能指標(biāo)。WC有較低的熱膨脹系數(shù)，大約為鋼的1/3；其彈性模量為鋼的3倍，抗壓強(qiáng)度也高于鋼。此外，WC在常溫下具有很好的抗腐蝕和抗氧化性能，良好的電阻，很高的抗彎強(qiáng)度。

2. 熱處理與合金的組織

有人曾對不同C/W比為5%～35%WC的WC－Co合金的黏結(jié)相進(jìn)行研究，得出的結(jié)論是：慢冷時合金中產(chǎn)生γ相或（γ+WC）相；快冷時則有（γ+η）相出現(xiàn)。但由于（γ+η）相是不穩(wěn)定的，所以經(jīng)退火后（γ+η）相將轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的（γ+WC）相。根據(jù)試驗結(jié)果繪制出如圖1所示的準(zhǔn)平衡相圖（實線為穩(wěn)定系統(tǒng)相圖，虛線為說明準(zhǔn)穩(wěn)定相η特性的局部相圖）。

圖1 WC-Co合金準(zhǔn)平衡圖

通常的硬質(zhì)合金其退火（慢冷）組織主要取決于含碳量：當(dāng)C/W＞1時，游離碳析出于WC－Co相邊界上；當(dāng)C/W＜1時，合金的組織有兩種情況：一種是處于三相區(qū)（WC+γ+η）時，合金慢冷后出現(xiàn)η相是必然的。如果這種η相大量存在于黏結(jié)相內(nèi)，則出現(xiàn)分枝狀結(jié)晶顆粒，而且小顆粒呈不均勻分布；若有大顆粒η相時，則顆粒間相隔較遠(yuǎn)，因此有資料認(rèn)為η相在較高溫度已開始形成。另一種情況是合金處于兩相（WC+γ）區(qū)時，低碳合金經(jīng)退火后W將以Co3W形式從黏結(jié)相中析出，其反應(yīng)過程可以由下式來表示。

Co面心立方→Co面心立方+Co3W

因此，這種低碳兩相W C－Co合金經(jīng)退火后將變成三相（WC+γ+CoW）結(jié)構(gòu)。

圖2給出了兩相WC－Co合金在不同退火溫度下W的溶解曲線，該曲線即為兩相合金轉(zhuǎn)變?yōu)槿啵╓C+γ+CoW）合金的臨界溫度曲線：在曲線以上的溫度退火，可獲得兩相組織合金；在曲線以下的溫度進(jìn)行退火則可獲得含有Co3W的三相組織。

3. 熱處理工藝對硬度合金力學(xué)性能的影響

（1）對強(qiáng)度的影響 由于WC在Co中于不同溫度下具有不同的固溶度，因此，為以固溶溫度淬火和隨后的時效造成黏結(jié)相析出硬化提供了可能性。淬火可抑制WC析出及Co的同素異性轉(zhuǎn)變（Co密排六方，Co面心立方）。有文獻(xiàn)報道，含鈷40%的合金經(jīng)淬火后強(qiáng)度可提高約10%，但含鈷10%的合金經(jīng)淬火后強(qiáng)度卻降低了?？紤]到工程上常用的硬質(zhì)合金 含鈷量一般為10%～37%，因此，熱處理對合金強(qiáng)度的作用是很小的。所以有人敢斷言，淬火對于W-Co合金來說不是提高強(qiáng)度的方法。

退火同樣會造成合金強(qiáng)度的降低，如表1、圖3所示。

碳化鎢硬質(zhì)合金的性能隨含Co量和晶粒的粗細(xì)而變化如圖4所示。

（2）對硬度的影響 WC-Co合金時效時因有Co3WCX和接近于Co3WCX致密組織相析出，因此合金的硬度會提高，但在隨后轉(zhuǎn)變?yōu)镃o3W析出時合金的硬度則會降低。H.Jonsson試驗資料如圖5、圖6所示。

雖然熱處理后Co3WCX的存在使合金硬度稍有提高，但考慮到熱處理時間較長和抗彎強(qiáng)度的降低，故人們認(rèn)為Co3WCX相析出使黏結(jié)相彌散硬化不是發(fā)展新牌號的有效方法，應(yīng)另尋出路。

（3）硬質(zhì)合金典型熱處理如表2所示。

圖2 WC-10%Co兩相合金中鎢的固溶度曲線

圖3 800℃退火對WC-10%Co含量抗彎強(qiáng)度的影響

4. 硬質(zhì)合金涂層

為了進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金的耐磨性，可以在其表面氣相沉積TiC或TiN等硬材料。涂層物質(zhì)應(yīng)滿足以下一些要求：①在低溫及高溫下都應(yīng)有高的硬度。②有好的化學(xué)穩(wěn)定性。③應(yīng)有滲透性和無氣孔。④對被加工材料應(yīng)有較低的摩擦因數(shù)。⑤要與工具基體黏結(jié)牢固。⑥要經(jīng)濟(jì)實惠，并且容易生產(chǎn)。

當(dāng)今世界，硬質(zhì)合金也是刀具的主要材料，在模具、量具等領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大應(yīng)用份額，概括起來，主要應(yīng)用于以下方面：①連續(xù)切削中的車削。②吃刀深度變化不大的仿形車削。③要求強(qiáng)度不大的間斷車。④鋼或灰鑄鐵的高速端面銑。

涂層硬質(zhì)合金的優(yōu)點很多，歸納如下：①通用性好。②可改善工件切削表面精度。③在相同的刀具壽命下大大提高切削速度。④在相同的切削速度下，可提高工具的壽命。

表1 650℃退火對WC-11%Co合金抗彎強(qiáng)度的影響

（1）涂層物質(zhì) 國外絕大部分廠家生產(chǎn)的涂層刀片用TiC涂層，其次是TiN涂層。TiC-TiN組合涂層和Ti（C·N）固溶涂層逐漸增多。近年來還開發(fā)出了不少新的復(fù)合涂層。

TiC是目前比較理想的涂層物質(zhì)，其優(yōu)點是高溫硬度、強(qiáng)度高，抗氧化性和耐月牙洼磨損性能好；其缺點是熱膨脹系數(shù)與其體差別較大，抗側(cè)磨損性能差。

與TiC涂層相較，TiN涂層有以下優(yōu)點：被涂刀片切削時形成月牙洼的傾向性小，其熱膨脹系數(shù)接近于基體，對熱震動敏感性小，不易形成刀瘤?？箓?cè)面磨損性好，而且它易于沉積和控制。其缺點是與基體黏結(jié)不太牢固。

TiC-TiN組合涂層及Ti（C·N）固溶涂層是20世紀(jì)70年代就開發(fā)的新涂層，已在生產(chǎn)中成功應(yīng)用，復(fù)合涂層硬質(zhì)涂層前途無量。

圖4 WC硬質(zhì)合金的性能隨含Co量和晶粒粗細(xì)而變化

圖5 WC-Co合金粘結(jié)相硬度與時效時間的關(guān)系

（2）涂層工藝 國內(nèi)外生成TiC涂層刀片的工藝和設(shè)備大同小異，共同的特點是將經(jīng)過處理的硬質(zhì)合金刀片置于沉積反應(yīng)室內(nèi)，然后用H2作載體，將TiCl4和甲烷引入反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行沉積反應(yīng)。反應(yīng)溫度大致控制在1000℃左右，加熱方式幾乎都是采用同一高頻感應(yīng)加熱，沉積壓力大多采用負(fù)壓。雖然在常壓下也能沉積出質(zhì)量好的涂層，但采用負(fù)壓沉積效率高，涂層也較均勻致密，特別是在沉積刀片的數(shù)量較多時，采用負(fù)壓沉積的優(yōu)點尤為顯著。

（3）涂層厚度 國內(nèi)外生產(chǎn)的涂層刀片，其TiC涂層的厚度一般在5～8μm，TiN涂層較厚，在8～12μm范圍內(nèi)。

（4）涂層基體 涂層刀片的使用性能受基體成分的影響很大，涂層刀片基體應(yīng)滿足以下一些要求：①有良好的韌性和抗塑性變形性能。②有高的硬度。③其化學(xué)成分要與涂層材料相匹配，相互黏結(jié)應(yīng)牢固。④要在高的沉積溫度下不受損害。⑤其膨脹系數(shù)要與涂層材料相近。⑥有良好的導(dǎo)熱性。

圖6 WC-Co合金硬度與時效時間的關(guān)系

表2 硬質(zhì)合金典型熱處理工藝

在加工鋼材料時，宜選擇WiC-TC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金；加工鑄鐵或有色金屬時，宜選用WC-Co合金。加工的材料不同，對涂層合金基體的要求也不同，意思說，涂層也應(yīng)該個性化，任何一種熱處理工藝都不是萬能的，只要在特定的條件下才能發(fā)揮最大的功效。

5. 硬質(zhì)合金在工模具生產(chǎn)中的應(yīng)用

（1）在切削刀具領(lǐng)域 硬質(zhì)合金在800～1000℃的高溫下仍保持優(yōu)異的切削性能，適合于高溫下的快速切削，對提高經(jīng)濟(jì)效益有現(xiàn)實意義，所以，它正在逐步取代高速工具鋼制刀具。2017年來，不僅在車刀、刨刀、鏜刀、三面刃銑刀、模具銑刀、端銑刀等方面得到廣泛應(yīng)用，而且隨著智能制造、工業(yè)4.0的不斷推廣，硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用前景更加廣闊，展望未來刀具材料無疑是硬質(zhì)合金的天下。

（2）在模具領(lǐng)域 各種鋼絲的拉絲模、拔絲模基本上都是硬質(zhì)合金制造的，制造拉鏈牙的級進(jìn)模選用YG8、YG15硬質(zhì)合金制造大直徑的拉深模、YG20C硬質(zhì)合金制造多工位的級進(jìn)模。無磁模一般選用YG15、YG20硬質(zhì)合金制造，YG8經(jīng)氮離子注入處理的拉絲模使用壽命提高1倍多?？傊?，硬質(zhì)合金在模具中的應(yīng)用越來越普遍。

在量具及其他工具行業(yè)亦有應(yīng)用，不再詳述。

6. 結(jié)語

硬質(zhì)合金經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，雖能提高一點硬度，但考慮到熱處理時間比較長和有損于抗彎強(qiáng)度，所以熱處理要有一定的針對性。表面涂層強(qiáng)化拓寬了硬質(zhì)合金使用的新途徑，對涂層基體、材料、工藝、厚度也應(yīng)該個性化。

[1] 《國外硬質(zhì)合金》編寫組.國外硬質(zhì)合金[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1976：517-521.

[2] 張玉庭.熱處理技師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：975-977.

[3] 北京電機(jī)工程學(xué)會.工模具材料應(yīng)用手冊[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1985：72-75.