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    硬质合金刀具(二)
    2012-10-30 10:15

     

    工件制造
        硬质合金工件可采用多种工艺方法成型。根据工件的尺寸、形状复杂水平和生产批量,大部分切削刀片都是采用顶压和底压式刚性模具模压成型。在每一次压制时,为了保持工件重量和尺寸的一致性,必须保证流入模腔的粉料量(质量和体积)都完全相同。粉料的流动性主要通过团块的尺寸分布和有机结合剂的特性来控制。通过在装入模腔的粉料上施加10-80ksi(千磅/平方英尺)的成型压力,就可以形成模压工件(或称“坯件”)。
     
        即便在极高的成型压力下,坚硬的碳化钨颗粒也不会变形或破碎,而有机结合剂却被压入碳化钨颗粒之间的缝隙之中,从而起到固定颗粒位置的作用。压力越高,碳化钨颗粒的结合就越紧密,工件的压制密度就越大。牌号硬质合金粉料的模压特性可能各不相同,取决于金属结合剂的含量、碳化钨颗粒的尺寸和形状、形成团块的程度,以及有机结合剂的成分和添加量。为了提供有关牌号硬质合金粉料压制特性的量化信息,通常由粉料生产商来设计构建模压密度与成型压力的对应关系。这种信息可确保提供的粉料与刀具制造商的模压工艺协调一致。
     
        大尺寸硬质合金工件或具有高长宽比的硬质合金工件(如立LD乐动体育和钻头的刀杆)通常采用在一个柔性料袋中均衡压制牌号硬质合金粉料来制造。虽然均衡压制法的生产周期比模压法要长一些,但刀具的制造成本较低,因此该方法更适合小批量生产。
     
        这种工艺方法是将粉料装入料袋中,并将袋口密封,然后将装满粉料的料袋置于一个腔室中,通过液压装置施加30-60ksi的压力进行压制。压制成的工件通常要在烧结之前加工成特定的几何形状。料袋的尺寸被加大,以适应压紧过程中的工件收缩,并为磨削加工提供足够的余量。由于工件在压制成型后要进行加工,因此对装料一致性的要求不像模压法那样严格,但是,仍然希望能保证每一次装入料袋的粉料量相同。如果粉料的装料密度过小,就可能导致装入料袋的粉料不足,从而造成工件尺寸偏小而不得不报废。如果粉料的装料密度过大,装入料袋的粉料过多,工件在压制成型后就需要加工去除更多的粉料。尽管去除的多余粉料和报废的工件都可以回收再用,但这样做毕竟会降低生产效率。
     
        硬质合金工件还可以利用挤出模或注射模进行成型加工。挤出成型工艺更适合轴对称形状工件的大批量生产,而注射成型工艺通常用于复杂形状工件的大批量生产。在这两种成型工艺中,牌号硬质合金粉末悬浮在有机结合剂中,结合剂赋予硬质合金混合料像牙膏那样的均匀一致性。然后,混合料或者通过一个孔被挤出成型,或者被注入一个模腔中成型。牌号硬质合金粉料的特性决定了混合料中粉末与结合剂的最佳比例,并对混合料通过挤出孔或注入模腔的流动性具有重要影响。
     
        当工件通过模压法、均衡压制法、挤出模或注射模成型法成型后,在最终烧结阶段之前,需要从工件中去除有机结合剂。烧结可以去除工件中的孔隙,使其变得完全(或基本上)密实。在烧结时,压制成型的工件中的金属结合剂变成液体,但在毛细作用力和颗粒联系的共同作用下,工件仍然能够保持其形状。
     
        在烧结后,工件的几何形状保持不变,但尺寸会缩小。为了在烧结后得到所要求的工件尺寸,在设计刀具时就需要考虑其收缩率。在设计用于制造每种刀具的牌号硬质合金粉料时,都必须保证其在适当压力下压紧时具有正确的收缩率。
     
        几乎在所有情况下,都需要对烧结后的工件进行烧结后处理。对切削刀具最基本的处理方式是刃磨切削刃。许多刀具在烧结后还需要对其几何形状和尺寸进行磨削加工。有些刀具需要磨削顶部和底部;另一些刀具则需要进行外周磨削(需要或无需刃磨切削刃)。磨削产生的所有硬质合金磨屑都可以回收再利用。
     
    工件涂层
        在许多情况下,成品工件需要进行涂层。涂层能够提供润滑性和增加硬度,还能为基体提供扩散屏障,使其暴露于高温下时可防止氧化。硬质合金基体对于涂层的性能至关重要。除了定制基体粉料的主要特性以外,还可以通过化学选择和改变烧结方法定制基体的表面特性。通过钴的迁移,可在刀片表面最外层20-30μm厚度内富集相对于工件其余部位更多的钴,从而赋予基体表层更好的强韧性,使其具有较强的抗变形能力。
     
        刀具制造商基于自己的制造工艺(如脱蜡方法、加热速度、烧结时间、温度和渗碳电压),可能会对使用的牌号硬质合金粉料提出一些特殊要求。有些刀具制造商可能是在真空炉中烧结工件,而另一些刀具制造商则可能使用热等静压(HIP)烧结炉(它是在工艺循环临近结束时才对工件加压,以消除任何残留孔隙)。在真空炉中烧结的工件可能还需要通过另外的工序进行热等静压处理,以提高工件密度。有些刀具制造商可能会采用较高的真空烧结温度,以提高具有较低钴含量混合料的烧结密度,但这种方法可能会使其显微结构变得粗大。为了保持细小的晶粒尺寸,可以选用碳化钨颗粒尺寸较小的粉料。为了与特定的生产设备相匹配,脱蜡条件和渗碳电压对硬质合金粉料中碳含量的高低也有不同的要求。
     

        所有这些因素都会对烧结出的硬质合金刀具的显微结构和材料性能产生至关重要的影响,因此,在刀具制造商与粉料提供商之间需要进行密切的沟通,以确保根据刀具制造商的生产工艺定制牌号硬质合金粉料。因此,有数百种不同的硬质合金粉料牌号也就不足为奇了。

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