真空熱處理在硬質(zhì)合金切削工具和沖模中的應(yīng)用
    發(fā)布者:yflwzj  發(fā)布時(shí)間:2012-08-15 07:57:57  訪問次數(shù):136

    真空熱處理在硬質(zhì)合金切削工具和沖模中的應(yīng)用
     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(chǎng)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(duì)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(huì)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(duì)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(hào)
     
     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(duì)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(tái)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(dòng)進(jìn)行,還可手動(dòng)操作。
     
     3 試驗(yàn)內(nèi)容
     
     常規(guī)檢測(cè)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(cè)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(duì)比
     
     分別對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)結(jié)果,見圖1(抗彎強(qiáng)度增量為與燒結(jié)態(tài)對(duì)比的相對(duì)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(hào)兩種熱處理方式對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)應(yīng)較高的最佳淬火溫度(Tq)。Tq升高的趨勢(shì)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(hào)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(duì)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(duì)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(hào)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(chǎng)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(chǎng)銑削試驗(yàn)結(jié)果

    廠  家 合金
    牌號(hào)
    合金
    狀態(tài)
    規(guī)格
    型號(hào)
    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(dòng)
    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(duì)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,F(xiàn)場(chǎng)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)合金鋼球沖模現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

    廠  家 合金
    牌號(hào)
    合金
    狀態(tài)
    規(guī)格
    型號(hào)
    鐓制
    材料
    材料規(guī)格/
    mm
    沖壓次數(shù)/
    .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

    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,其性能均能不同程度地提高,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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