YW1硬质合金深冷增强机理研究

摘要：试验表明，YW1硬质合金车刀经深冷处理后，耐磨损性能得到显著提高。研究证明：其耐磨性能提高的主要原因在于硬质合金的粘结相Co发生了完全的多型性马氏体转变。

    深冷处理作为提高工模具寿命的一种工艺，近年来国内外已经在工业生产上广泛应用[1]。硬质合金是当今广泛应用的一种刀具材料[2]。作者通过试验研究发现，YW1硬质合金车刀经深冷处理后，其耐磨性能得到显著提高。本文对其耐磨性得以提高的内在机理进行试验分析和理论上的探讨。

    1、深冷刀片的耐磨性能试验研究

    1.1  试验内容

    用C6132车床切削45钢，刀具为同一批次株洲硬质合金工具厂生产的YW1硬质合金三角可转位车刀刀片，其中一部分刀片在广州华南理工大学机械学院自行研制的深冷处理设备中以每小时降低700C的速度降温至-1840C，保温18小时后，再以每小时升温700C的速度升至室温。另一部分未经深冷处理。切削条件相同，比较二者在相同切削条件下的耐磨性能。

    1.2  切削参数

    切削速度vc=110m/min   切削深度ap=0.5mm   进给量f=0.1mm/r

    1.3  试验结果   

图1 经深冷处理和未深冷处理的YW1刀具的磨损曲线

    本试验以测量后刀面平均磨损值VB为磨损指标，其磨损曲线如图1。

    从试验结果可知，经深冷处理的刀片较未经深冷处理的刀片其耐磨性有明显提高。以下对深冷刀片耐磨性能提高的机理进行分析

2、YW1深冷刀片的硬度

    硬质合金刀片的耐磨性能与其硬度值有密切的关系，因此对上述两种刀片的显微硬度HV和洛氏硬度HRA进行了测量，其结果如表1所示：

    表1  深冷与未深冷YW1刀片硬度值

	显微硬度Hv	洛氏硬度HRA
未深冷	1764.0	90
深冷处理	2263.7	92

    从表1可以看出：深冷刀片的硬度值较未经深冷的刀片有一定程度的提高。这就揭示了二者之间的微观组织结构存在一定的差别。

    3、 深冷刀片的微观组织结构分析

    硬质合金YW1的主要成分为WC（84%），粘结相Co（6%）以及少量的TiC和TaC，其主要的性能取决于WC和粘结相Co性能，WC和粘结相Co的主要性能如表2所示。

表2   YW1主要成分特性

特性	WC	Co
晶格类型	α-六方形 β-面心立方	α-密排六方 β-面心立方
晶格常数（Å） α-六方形   β-面心立方	a=2.9063 c=2.8368 a=2.248	a=2.5075 c=4.0698 a=3.5442
线性热膨胀系数10-6K-1	4.4	14.2
298K比电阻（UΩ.cm）	25	5.8

    用X射线衍射仪对WC和粘结相Co的晶格常数进行测量，其结果如表3

表3  YW1中WC和粘结相Co的晶格常数

YW1刀片				深冷处理过	未深冷
	Co			Hex(六方)	既有Cubic（立方）也有Hex
	WC		a	2.9080	2.9087
			c	2.8394	2.8370
	TiC			4.3301	4.3294
硬度		HV		2263.7	1764.0
		HRA		92	90

    从表3可知，WC晶格常数在深冷和未深冷刀具中的差别是不明显的，因此深冷处理改善YW1耐磨性能的主要原因不是由于深冷改变了WC的微观结构。

        图2.1 未经深冷的YW1衍射频谱             图2.2 深冷YW1衍射频谱

    X射线分析的结果表明，深冷处理过的刀片中只发现了密排六方的Co（ε-Co）在（102）晶向的衍射峰值1.476，而在未深冷的刀片中既有密排六方Co（ε-Co）在（102）晶向的衍射峰值1.48，也有面心立方Co（α-Co）在（222）晶向的衍射峰值1.0233，据此说明经过深冷处理后，YW1中的金属Co发生马氏体转变并且转化较为完全。

    硬质合金的性能受粘结相影响很大。金属Co在417℃存在同素异性结构转变，高温时以面心立方结构（α-Co）存在，低温时以密排六方（ε-Co）存在，α→ε多型性转变是一种马氏体型转变，马氏体可在液氮温度下形成。在室温条件下，Co就发生马氏体转变，粘结相与WC界面部分有相应量的α-Co向ε-Co转变而马氏体化，但这种室温条件下的转变是不完全的[3]。

    密排六方金属一般都具有较低的摩擦系数[4]。摩擦系数低有利于减小刀具在切削过程中的摩擦力，降低切削温度，从而减小刀具在切削过程中的磨料磨损和扩散磨损，使得刀具耐磨性能提高。在YW1成分中，ε-Co的摩擦系数很低，大约为0.36，所以α-Co相变为ε-Co后，使得YW1的耐磨性能提高。

    另外，一般密排六方金属具有比体心和面心金属都要低的粘着磨损特性[5]，α-Co相变为ε-Co后，将使得切削过程中的粘着磨损减小。

    因此，深冷处理工艺之所以能够提高硬质合金的耐磨性能，关键在于其能够促进α-Co向ε-Co的马氏体型转变，并使这种转变完全化。

    有资料认为[6]：Co热膨胀系数比WC大两倍，粘结相是硬质合金的主要破坏相，存在与Co相中的很大热应力是不利因素。深冷处理能够使得WC-Co系硬质合金获得较理想的表面残余压应力值，从而提高硬质合金的耐磨性。为了检验上述论点的正确与否，作者测量了深冷和未深冷YW1的表面残余应力值，结果如表4

表4  深冷与未深冷YW1表面残余应力分析

	深冷处理过	未深冷
表面残余应力(Mpa)	压应力	压应力
	4192.297	4858.665
相对差值Δ	Δ=13.72%

    从表4的结果可见：经过深冷处理的YW1的表面压应力值并不比未深冷的大（压应力值越大，对刀具的抗磨损性能越有利）。因此，对YW1而言，深冷处理提高其耐磨性能的主要原因并不在于改善了其表面残余压应力值，而是因为促进了α-Co→ε-Co的马氏体相变并使这一过程得以完全化。

4、 结论

    1．YW1硬质合金刀片经过合理工艺的深冷处理之后，可显著提高其刀具耐磨损性。

    2．  深冷后YW1刀片的显微硬度HV和洛氏硬度HRA有较显著提高，这就揭示了深冷处理使YW1硬质合金的微观组织发生了改变。

    3．  X射线衍射结果表明在深冷处理之后发生了比较完全的粘结相Co的α→ε转变，这是一种多型性的马氏体转变，这是使得YW1硬质合金耐磨性能提高的主要原因。

    参 考 文 献

    [1]     齐让效译. 低温回火技术可以改善刀具性能. 工具技术, 1993: (11)

    [2]     周泽华. 金属切削原理. 上海科学技术出版社. 1993

    [3]     (苏) T.H.洛拉得泽. 切削刀具的强度和耐磨性. 机械工业出版社. 1980

    [4]     李智超. WC-Co硬质合金扫热处理强化. 新技术新工艺, 1986(1)

    [5]     美国金属学会编. 硬质合金工具的破损及其断裂韧性. 冶金工业出版社. 1989

    [6]     (苏) B.M.库德利耶夫采娃等. 硬质合金. 1988年5月