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真空熱處理在硬質合金切削工具和沖模中的應用
 1 前言
 
 硬質合金作為機械、礦山、電子、標準件等行業的工模具材料，雖然具有高硬度、耐磨、耐腐蝕等優良性能，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致嚴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韌性好。近十幾年來，我們對硬質合金熱處理作了比較系統的研究。80年代末，研制出新一代礦山用硬質合金，已得到了廣泛應用［1］，取得了顯著的經濟效益和社會效益。為了進一步拓寬與開發熱處理硬質合金的使用領域，形成熱處理硬質合金系列化，是今后研究的方向。這里重點對銑削和沖模用硬質合金的真空熱處理進行了研究，并獲得明顯的效果。
 
 2　試驗方法
 
 2.1　熱處理方式
 
 以前，硬質合金熱處理方式是仿效鋼材的熱處理，即在硬質合金制品燒結后，再進行二次升溫淬火，然后回火。而今我們用一種新的熱處理方式來取代它，這種方式就是燒結淬火，即產品燒結后，不隨爐冷卻至室溫，而是在燒結溫度或冷卻到一定的溫度直接淬火，免去二次升溫過程，從而達到省時、省力、降低能耗及提高效率的目的。
 
 2.2　原料及合金牌號
 
 本試驗配制兩種系列硬質合金：
 
 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粉均取自株洲硬質合金廠。
 
 2.3　試驗設備
 
 硬質合金配料混合及壓制直至脫蠟均采用常規生產設備，燒結淬火在WZS-20型和WZS-45型真空燒結淬火兩用爐中進行。
 
 在WZS-20爐做工藝試驗，在WZS-45爐進行工業生產應用。兩臺真空爐均可完成真空燒結、真空淬火、氣冷淬火等多種工藝。淬火工藝的全過程可按預先給定的程序自動進行，還可手動操作。
 
 3　試驗內容
 
 常規檢測項目采用的標準試樣是5mm×5mm×30mm抗彎強度試樣，用A116刀片測試合金密度、硬度和矯頑力。壓制好的試樣，經脫蠟后，做以下試驗。
 
 3.1　兩種熱處理方式的對比
 
 分別對YG15C和YT14合金進行了燒結后二次升溫淬油和燒結后直接淬油，兩種熱處理方式對比試驗。
 
 在兩種熱處理方式中，各取一個效果最佳的工藝對YG6、YG8、YG11C、YG15C、YG20C、YS30、YT14、YT5、YW2合金進行處理，試驗結果均為經回火后的最后檢測結果，見圖1（抗彎強度增量為與燒結態對比的相對增量，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合金優于二次升溫熱處理。

圖1　各合金牌號兩種熱處理方式對比試驗結果
1.燒結后直接油淬　2.燒結后二次升溫油淬

3.2　不同淬火介質試驗

硬質合金真空淬火采用油淬和氣淬。氣淬選用氮氣，比較經濟。圖2、圖3為YG8、YW2合金經不同介質淬火后的效果。

 圖2　YG8合金經不同介質淬火增量后抗彎強度
 1.油淬　　2.氣淬

圖3　YW2合金經不同介質淬火增量后抗彎強度
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度增加明顯。因此，不同牌號的合金應采用不同的淬火介質，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變以及由于合金各組分的熱膨脹系數不同所導致的熱應力達到最佳組合。

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度的比較。圖4表明，熱處理后的合金抗彎強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韌化的機理相一致，并隨著鈷含量的升高，合金抗彎強度峰值對應較高的最佳淬火溫度（Tq）。Tq升高的趨勢是由于鈷含量增加，合金的應變松弛能力增強，從而使W、C在鈷相中的溶解量、鈷相馬氏體相變及熱應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

硬質合金真空燒結淬火工藝，在熱處理方式、淬火介質確定以后，淬火溫度的選擇就至關重要。從上述試驗看出，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，通過反復試驗最后確定Tq。

3.5　回火溫度的選擇

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

圖5　回火時間對YG15合金性能的影響
（以燒結態為基準）

4　生產試驗

4.1　切削刀具

生產試驗表明，所有牌號的硬質合金刀片經熱處理后其性能明顯優于燒結態，其使用壽命倍增，見表1所示。如北京內燃機廠試驗的熱處理刀片其耐磨性、韌性和使用壽命明顯提高。所有試驗單位的現場操作人員都反映硬質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　硬質合金刀片現場銑削試驗結果

4.2　沖模

上海鋼球廠是我國較大的鋼球生產專業廠，對19／32″規格的鋼球沖模進行了試驗，經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。現場試驗結果見表2，熱處理后的硬質合金模具的壽命普遍提高。

表2　硬質合金鋼球沖模現場試驗結果

5　結論

（1）　使用WZS-20和WZS-45型真空燒結淬火爐能夠實現硬質合金燒結后直接淬火，省時、省力、節能降耗。

（2）　各種用途的硬質合金經適當的工藝熱處理，其性能均能不同程度地提高，銑削和沖模用硬質合金經熱處理后，可以成倍提高使用壽命。