提高Ni代Co YT5硬质合金切削刀具材料硬度与耐磨性的研究

摘要

硬质合金已经取代高速钢成为最主要的切削刀具材料。自硬质合金发明以来，Co一直是硬质合金的主要粘结剂。Ni与Co在元素周期表中同属铁族金属，密度，熔点，原子半径相近，物理、化学性能相近。因此上世纪30年代就有了代Co粘结剂的研究，起初主要是为了打破专利的限制，后来则是因为Co资源的稀缺。而Ni的世界储量是Co的70倍，资源丰富，是一种相对Co来说价格便宜的金属。因此，Ni被看作是Co的首选代用品。“Ni代Co硬质合金”的研究有助于缓解Co资源稀缺问题，降低硬质合金的成本，具有广阔的市场前景和显著的社会效益。 Ni代Co硬质合金的韧性好，但硬度与耐磨性与同粘结剂含量的Co硬质合金相比始终存在一定差距。国内外的研究主要集中在采用部分取代Co和多元合金化的方法来提高其硬度，但目前Ni代Co硬质合金仍只在某些有特殊要求（如矿山工具，耐磨耐蚀零件，无磁合金等）或对性能要求不高的场合得到有限的应用，而在应用量大的典型硬质合金产品——切削刀具等要求高硬度高耐磨性的场合受到了限制，至今相关研究报道很少，也未见世界主要硬质合金生产厂家公布的高性能商业切削刀具牌号。 本文选用典型的硬质合金切钢牌号YT5作Ni代Co研究的对象。一方面因为，YT5用量大，中国每年消耗约500吨，约占硬质合金总消耗量的4％，本研究有助于把Ni代Co硬质合金的应用领域拓展到切削刀具。另一方面，YT5是用于强力切削的粗加工牌号，主要要求合金耐冲击性能，而Ni代Co硬质合金的韧性比传统合金更好，因此用性能要求上看，实现YT5合金中的Ni代Co在一定程度上是可行的。 要实现Ni代Co硬质合金在切削刀具上的应用，提高硬度和耐磨性是需要解决的关键问题。围绕这一问题，本文采用改变Ni含量，WC粒度和添加金属碳化物添加剂的方法，以达到保证合金抗弯强度的前提下，提高合金的硬度与耐磨性。主要研究。了这些方法对合金性能的影响。 本文首先采用传统的粉末冶金方法，用Ni完全取代YT5中的Co制得YN5硬质合金，并与YT5硬质合金比较。用SEM观察它们的形貌，检测硬度，和抗弯强度等性能，发现YN5硬质合金合金性能的硬度大幅度降低，而抗弯强度增大；逐渐降低YN5硬质合金中的粘结剂含量到8.4wt％，在抗弯强度下降到与YT5合金相当的情况下，合金硬度得到一定回升。 在降低粘结剂含量的基础上，比较了采用不同WC原料粉末制备YN5硬质合金，并研究粒度对合金性能的影响。研究结果表明，合金硬度随粒度的降低而提高，但抗弯强度下降，综合考虑，本文采用粒度为13.45μm的WC原料。 针对Ni代Co硬质合金中的Ni聚集和WC晶粒长大的现象，加入过渡族金属碳化物添加剂来抑制晶粒长大，研究了Mo<,2>C和NbC添加量对合金晶粒度，硬度，抗弯强度的影响。研究表明，Mo<,2>C和NbC对晶粒长大有明显的抑制作用，并且随添加量的增加而更明显。硬度和抗弯强度均随添加量的增加而升高。由于Mo<,2>C的改善Ni对WC、TiC的润湿性，对Ni粘结剂的固溶强化、细化晶粒等作用，对性能的改善作用更明显。研究结果表明添加1.2wt％的Mo<,2>C的YN5合金强度为1900N／mm<'2>，硬度90.6HRA，基本达到与YT5相当的水平。 最后将制备的Ni代Co硬质合金合金YN5与传统的YT5硬质合金作切削性能对比实验。结果表明，YN5合金的切削寿命比YT5长，而刀具的切削力更小，切削后的试样表面粗糙度略低。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章Ni粘结剂含量对合金性能的影响

第三章WC粒度对合金性能的影响

第四章碳化物添加剂对合金性能的作用

第五章切削性能实验

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

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