用于钢材切削加工的Fe、Ni代Co硬质合金刀具材料的研究

论文摘要

自德国人Karl Schroter于1923年用粉末冶金方法研制成WC-Co硬质合金以来，传统的硬质合金一直是以Co为主要粘结剂。但是Co是一种昂贵而稀缺的金属，世界储量极其有限。Fe、Ni与Co同属铁族金属，很多物理、化学性能相近，但Ni资源只是相对Co而言比较丰富，世界储量也很有限。Fe资源非常丰富，因此实现以Fe或部分Fe作硬质合金的粘结剂，具有重大的战略意义和经济意义。硬质合金按用途分为四个类别，分别以字母K，P，M和G表示。纯Fe代Co硬质合金应用很少，Fe部分代Co硬质合金一般都用于属于G类的矿山工具、石油钻探、地质勘探等，但在切削钢材等要求高硬度高耐磨性的场合研究很少。Fe基粘结剂硬质合金用于切削刀具时主要存在几个问题：①WC+Fe硬质合金的两相区太窄，控碳困难；②Fe基粘结剂硬质合金刀具易生锈③切削加工钢材时易与钢材粘结。本文通过添加Ni和TiC、优化控碳范围、优化烧结工艺和采用涂层技术来改善Fe代Co硬质合金的性能，并研究了这些因素对合金组织和性能的影响。首先通过配制5个不同碳含量的4种合金：WC+Fe、WC+TiC+Fe、WC+Ni+Fe和WC+TiC+Ni+Fe，来研究添加Ni和TiC对组织和性能的影响及最佳控碳范围。实验表明，添加Ni和TiC可以较明显地增大合金控碳范围，降低工艺的难度，而且添加Ni还可以明显提高合金的抗弯强度，添加TiC对硬度的提高也有一定的帮助。通过比较各种合金的组织和性能，得出WC+TiC+Ni+Fe系合金具有最佳的综合性能，其粉料的最佳控碳点在5.91％左右。然后针对WC+TiC+Ni+Fe合金，采用4种不同的烧结温度：1360℃、1400℃、1440℃和1480℃，研究烧结温度对合金组织和性能的影响。结果表明合金在1440℃达到“双高”，硬度为91.6HRA，强度为1720MPa，且组织正常，因此，烧结温度在1440℃左右适合此合金烧结。为了进一步考察WC+TiC+Ni+Fe合金的性能，制备了纯Fe和纯Co粘结剂合金：WC+TiC+Fe和WC+TiC+Co，以作对照。研究了它们涂层后的性能，包括切削性能。试验表明：Fe基粘结剂硬质合金的涂层结合强度良好，WC+TiC+Ni+Fe合金涂层前后的抗弯强度与传统的WC+TiC+Co合金相当，涂层技术有助于克服铁基粘结剂硬质合金刀具的锈蚀的问题。涂层前，WC+TiC+Ni+Fe和WC+TiC+Co合金刀片耐磨损和耐冲击性能相当。涂层后，在连续车削的初步试验中WC+TiC+Ni+Fe显示了较好的切削性能。涂层对于易与钢铁件粘结的Fe基粘结剂硬质合金刀具有较大的防护作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 Co粘结剂硬质合金简介及代Co研究的紧迫性
• 1.1.1 Co粘结剂硬质合金的基本特点
• 1.1.2 生产工艺特点
• 1.1.3 金属Co的资源稀缺状况
• 1.2 铁、镍作硬质合金粘结相的可行性分析
• 1.2.1 铁和镍符合硬质合金对粘结剂的要求
• 1.2.2 金属镍资源现状
• 1.2.3 金属铁资源现状
• 1.3 钴粘结剂替代的研究现状
• 1.3.1 WC-Fe系列硬质合金
• 1.3.2 WC-Ni系列硬质合金
• 1.3.3 WC-Co-Ni系列硬质合金
• 1.3.4 WC-Fe-Ni系列硬质合金
• 1.3.5 WC-Fe-Co-Ni系列硬质合金
• 1.4 Fe代co硬质合金的问题
• 1.4.1 Fe粘结剂硬质合金中碳的成份控制困难
• 1.4.2 Fe粘结剂硬质合金易锈蚀
• 1.4.3 Fe基粘结剂硬质合金刀具易与钢铁工件粘结的问题
• 1.4.4 铁的力学性能比钴低
• 1.4.5 铁粉末的湿磨工艺性能不佳
• 1.4.6 其它工艺问题
• 1.5 研究意义、路线与创新点
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 拟解决的关键问题
• 1.5.3 研究路线
• 1.5.4 本文的创新点
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 主要试验设备与检测设备
• 2.3 制备工艺
• 2.4 样品检测
• 2.4.1 密度检测
• 2.4.2 抗弯强度
• 2.4.3 硬度
• 2.4.4 金相观察
• 2.4.5 涂层与硬质合金基体结合强度
• 第三章 碳含量和合金元素对基体组织和性能的影响
• 3.1 引言
• 3.3 试验过程
• 3.4 试验结果与讨论
• 3.4.1 对基体组织的影响
• 3.4.2 对基体性能的影响
• 3.5 本章小节
• 第四章 烧结工艺对基体组织和性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试验过程
• 4.3 试验结果与讨论
• 4.3.1 烧结温度对基体组织的影响
• 4.3.2 烧结温度对基体性能的影响
• 4.3.2.1 烧结温度对合金密度的影响
• 4.3.2.2 烧结温度对合金硬度和强度的影响
• 4.4 本章小节
• 第五章 WC+TiC+Ni+Fe刀具材料涂层后的性能
• 5.1 引言
• 5.2 涂层技术简介
• 5.3 涂层选择及其制备
• 5.4 涂层刀片性能
• 5.4.1 抗弯强度结果与讨论
• 5.4.2 划痕试验结果与讨论
• 5.4.3 锈蚀试验结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 WC+TiC+Ni+Fe硬质合金刀片切削性能试验
• 6.1 引言
• 6.2 切削试验方法
• 6.2.1 未涂层刀片切削试验方法
• 6.2.2 涂层刀片切削试验方法
• 6.3 试验结果与讨论
• 6.3.1 未涂层刀具试验结果与讨论
• 6.3.2 涂层刀具试验结果与讨论
• 6.4 本章小节
• 第七章 结论
• 参考文献
• 作者攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢