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硬質(zhì)合金是使用較為廣泛的一類高速加工（HSM）刀具材料，此類材料是通過粉末冶金工藝制成的，由硬質(zhì)碳化物（通常為碳化鎢WC）顆粒和質(zhì)地較軟的金屬結(jié)合劑組合而成。此前，有數(shù)百種不同成分的WC基硬質(zhì)合金，它們中大部分都采用鈷（Co）作為結(jié)合劑，鎳（Ni）和鉻（Cr）也是常用的結(jié)合劑元素，另外還可以添加其他一些合金元素。為什么有如此之多的硬質(zhì)合金牌號？刀具制造商如何來為某種特定的切削加工選擇正確的刀具材料呢？為了解答這些問題，首先讓我們了解一下硬質(zhì)合金成為一種理想刀具材料的各種特征。
1、硬度與韌性
WC-Co硬質(zhì)合金在兼具硬度和韌性方面具有獨到優(yōu)勢。碳化鎢（WC）本身具有很高的硬度（超過剛玉或氧化鋁），而且在工作溫度升高時其硬度也很少下降。但它缺乏足夠的韌性，而這對于切削刀具是必不可少的性能。為了利用碳化鎢的高硬度，并改善其韌性，人們利用金屬結(jié)合劑將碳化鎢結(jié)合在一起，從而使這種材料既具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高速鋼的硬度，同時又能夠承受在大多數(shù)切削加工中的切削力。此外，它還能承受高速加工所產(chǎn)生的切削高溫。
現(xiàn)如今，幾乎所有的WC-Co刀具和刀片都采用了涂層，因此，基體材料的作用似乎顯得不太重要了。但實際上，正是WC-Co材料的高彈性系數(shù)（衡量剛度的指標(biāo)，WC-Co的室溫彈性系數(shù)約為高速鋼的三倍）為涂層提供了不變形的基底。WC-Co基體還能提供所需要的韌性。這些性能都是WC-Co材料的基本特性，但也可以在生產(chǎn)硬質(zhì)合金粉體時，通過調(diào)整材料成分和微觀結(jié)構(gòu)而定制材料性能。因此，刀具性能與特定加工的適配性在很大程度上取決于最初的制粉工藝。
2、制粉工藝
碳化鎢粉是通過對鎢（W）粉進行滲碳處理而獲取的。碳化鎢粉的特性（尤其是其粒度）主要取決于原料鎢粉的粒度以及滲碳的溫度和時間?；瘜W(xué)控制也至關(guān)重要，碳含量必須保持恒定（接近重量比為6.13％的理論配比值）。通過后續(xù)相關(guān)工序來控制粉體粒度，可以在滲碳處理之前添加少量的釩或鉻。不同工藝條件和不同的最終加工用途需要采用特定的碳化鎢粒度、碳含量、釩含量和鉻含量的組合成，通過這些組合的變化，可以產(chǎn)生各種不同的碳化鎢粉。例如，碳化鎢粉生產(chǎn)商ATI Alldyne公司共生產(chǎn)23種標(biāo)準(zhǔn)牌號的碳化鎢粉，而根據(jù)用戶要求定制的碳化鎢粉品種可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)牌號碳化鎢粉的5倍以上。
在將碳化鎢粉與金屬結(jié)合劑一起進行混合碾磨以生產(chǎn)某種牌號硬質(zhì)合金粉料時，可以采用各種不同的組合方式。最常用的鈷含量為3%－25%（重量比），而在需要增強刀具抗腐蝕性的情況下，則需要加入鎳和鉻。此外，還可以通過添加其他合金成分，進一步改良金屬結(jié)合劑。例如，在WC-Co硬質(zhì)合金中添加釕，可在不降低其硬度的前提下顯著提高其韌性。增加結(jié)合劑的含量也可以提高硬質(zhì)合金的韌性，但卻會降低其硬度。
減小碳化鎢顆粒的尺寸可以提高材料的硬度，但在燒結(jié)工藝中，碳化鎢的粒度必須保持不變。燒結(jié)時，碳化鎢顆粒通過溶解再析出的過程結(jié)合和長大。在實際燒結(jié)過程中，為了形成一種完全密實的材料，金屬結(jié)合劑要變成液態(tài)（稱為液相燒結(jié)）。通過添加其他過渡金屬碳化物，包括碳化釩（VC）、碳化鉻（Cr3C2）、碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC），可以控制碳化鎢顆粒的長大速度。這些金屬碳化物通常是在將碳化鎢粉與金屬結(jié)合劑一起進行混合碾磨時加入，盡管碳化釩和碳化鉻也可以在對碳化鎢粉進行滲碳時形成。
利用回收的廢舊硬質(zhì)合金材料也可以生產(chǎn)牌號碳化鎢粉料。廢舊硬質(zhì)合金的回收和再利用在硬質(zhì)合金行業(yè)已有很長歷史，是該行業(yè)整個經(jīng)濟鏈的一個重要組成部分，它有助于降低材料成本、節(jié)約自然資源和避免對廢棄材料進行無害化處置。廢舊硬質(zhì)合金一般可通過APT（仲鎢酸銨）工藝、鋅回收工藝或通過粉碎后進行再利用。這些“再生”碳化鎢粉通常具有更好的、可預(yù)測的致密性，因為其表面積比直接通過鎢滲碳工藝制成的碳化鎢粉更小。
碳化鎢粉與金屬結(jié)合劑混合碾磨的加工條件也是至關(guān)重要的工藝參數(shù)。兩種最常用的碾磨技術(shù)是球磨和超微碾磨。這兩種工藝都能使碾磨的粉料均勻混合，并能減小顆粒尺寸。為使以后壓制的工件具有足夠的強度，能保持工件形狀，并使操作者或機械手能拿起工件進行操作，在碾磨時通常還需要添加一種有機結(jié)合劑。這種結(jié)合劑的化學(xué)成分可以影響壓制成工件的密度和強度。為了有利于操作，最好添加高強度的結(jié)合劑，但這樣會導(dǎo)致壓制密度較低，并可能會產(chǎn)生硬塊，造成在最后成品中存在缺陷。
完成碾磨后，通常會對粉料進行噴霧干燥，產(chǎn)生由有機結(jié)合劑凝聚在一起的自由流動團塊。通過調(diào)整有機結(jié)合劑的成分，可以根據(jù)需要定制這些團塊的流動性和裝料密度。通過篩選出較粗或較細(xì)的顆粒，還可以進一步定制團塊的粒度分布，以確保其在裝入模腔時具有良好的流動性。
3、工件制造
硬質(zhì)合金工件可采用多種工藝方法成型。根據(jù)工件的尺寸、形狀復(fù)雜水平和生產(chǎn)批量，大部分切削刀片都是采用頂壓和底壓式剛性模具模壓成型。在每一次壓制時，為了保持工件重量和尺寸的一致性，必須保證流入模腔的粉料量（質(zhì)量和體積）都完全相同。粉料的流動性主要通過團塊的尺寸分布和有機結(jié)合劑的特性來控制。通過在裝入模腔的粉料上施加10－80ksi（千磅/平方英尺）的成型壓力，就可以形成模壓工件（或稱“坯件”）。
即便在極高的成型壓力下，堅硬的碳化鎢顆粒也不會變形或破碎，而有機結(jié)合劑卻被壓入碳化鎢顆粒之間的縫隙之中，從而起到固定顆粒位置的作用。壓力越高，碳化鎢顆粒的結(jié)合就越緊密，工件的壓制密度就越大。牌號硬質(zhì)合金粉料的模壓特性可能各不相同，取決于金屬結(jié)合劑的含量、碳化鎢顆粒的尺寸和形狀、形成團塊的程度，以及有機結(jié)合劑的成分和添加量。為了提供有關(guān)牌號硬質(zhì)合金粉料壓制特性的量化信息，通常由粉料生產(chǎn)商來設(shè)計構(gòu)建模壓密度與成型壓力的對應(yīng)關(guān)系。這種信息可確保提供的粉料與刀具制造商的模壓工藝協(xié)調(diào)一致。
大尺寸硬質(zhì)合金工件或具有高長寬比的硬質(zhì)合金工件（如立銑刀和鉆頭的刀桿）通常采用在一個柔性料袋中均衡壓制牌號硬質(zhì)合金粉料來制造。雖然均衡壓制法的生產(chǎn)周期比模壓法要長一些，但刀具的制造成本較低，因此該方法更適合小批量生產(chǎn)。
這種工藝方法是將粉料裝入料袋中，并將袋口密封，然后將裝滿粉料的料袋置于一個腔室中，通過液壓裝置施加30－60ksi的壓力進行壓制。壓制成的工件通常要在燒結(jié)之前加工成特定的幾何形狀。料袋的尺寸被加大，以適應(yīng)壓緊過程中的工件收縮，并為磨削加工提供足夠的余量。由于工件在壓制成型后要進行加工，因此對裝料一致性的要求不像模壓法那樣嚴(yán)格，但是，仍然希望能保證每一次裝入料袋的粉料量相同。如果粉料的裝料密度過小，就可能導(dǎo)致裝入料袋的粉料不足，從而造成工件尺寸偏小而不得不報廢。如果粉料的裝料密度過大，裝入料袋的粉料過多，工件在壓制成型后就需要加工去除更多的粉料。盡管去除的多余粉料和報廢的工件都可以回收再用，但這樣做畢竟會降低生產(chǎn)效率。
硬質(zhì)合金工件還可以利用擠出模或注射模進行成型加工。擠出成型工藝更適合軸對稱形狀工件的大批量生產(chǎn)，而注射成型工藝通常用于復(fù)雜形狀工件的大批量生產(chǎn)。在這兩種成型工藝中，牌號硬質(zhì)合金粉末懸浮在有機結(jié)合劑中，結(jié)合劑賦予硬質(zhì)合金混合料像牙膏那樣的均勻一致性。然后，混合料或者通過一個孔被擠出成型，或者被注入一個模腔中成型。牌號硬質(zhì)合金粉料的特性決定了混合料中粉末與結(jié)合劑的最佳比例，并對混合料通過擠出孔或注入模腔的流動性具有重要影響。
當(dāng)工件通過模壓法、均衡壓制法、擠出模或注射模成型法成型后，在最終燒結(jié)階段之前，需要從工件中去除有機結(jié)合劑。燒結(jié)可以去除工件中的孔隙，使其變得完全（或基本上）密實。在燒結(jié)時，壓制成型的工件中的金屬結(jié)合劑變成液體，但在毛細(xì)作用力和顆粒聯(lián)系的共同作用下，工件仍然能夠保持其形狀。
在燒結(jié)后，工件的幾何形狀保持不變，但尺寸會縮小。為了在燒結(jié)后得到所要求的工件尺寸，在設(shè)計刀具時就需要考慮其收縮率。在設(shè)計用于制造每種刀具的牌號硬質(zhì)合金粉料時，都必須保證其在適當(dāng)壓力下壓緊時具有正確的收縮率。
幾乎在所有情況下，都需要對燒結(jié)后的工件進行燒結(jié)后處理。對切削刀具最基本的處理方式是刃磨切削刃。許多刀具在燒結(jié)后還需要對其幾何形狀和尺寸進行磨削加工。有些刀具需要磨削頂部和底部；另一些刀具則需要進行外周磨削（需要或無需刃磨切削刃）。磨削產(chǎn)生的所有硬質(zhì)合金磨屑都可以回收再利用。
4、工件涂層
在許多情況下，成品工件需要進行涂層。涂層能夠提供潤滑性和增加硬度，還能為基體提供擴散屏障，使其暴露于高溫下時可防止氧化。硬質(zhì)合金基體對于涂層的性能至關(guān)重要。除了定制基體粉料的主要特性以外，還可以通過化學(xué)選擇和改變燒結(jié)方法定制基體的表面特性。通過鈷的遷移，可在刀片表面最外層20－30μm厚度內(nèi)富集相對于工件其余部位更多的鈷，從而賦予基體表層更好的強韌性，使其具有較強的抗變形能力。
刀具制造商基于自己的制造工藝（如脫蠟方法、加熱速度、燒結(jié)時間、溫度和滲碳電壓），可能會對使用的牌號硬質(zhì)合金粉料提出一些特殊要求。有些刀具制造商可能是在真空爐中燒結(jié)工件，而另一些刀具制造商則可能使用熱等靜壓（HIP）燒結(jié)爐（它是在工藝循環(huán)臨近結(jié)束時才對工件加壓，以消除任何殘留孔隙）。在真空爐中燒結(jié)的工件可能還需要通過另外的工序進行熱等靜壓處理，以提高工件密度。有些刀具制造商可能會采用較高的真空燒結(jié)溫度，以提高具有較低鈷含量混合料的燒結(jié)密度，但這種方法可能會使其顯微結(jié)構(gòu)變得粗大。為了保持細(xì)小的晶粒尺寸，可以選用碳化鎢顆粒尺寸較小的粉料。為了與特定的生產(chǎn)設(shè)備相匹配，脫蠟條件和滲碳電壓對硬質(zhì)合金粉料中碳含量的高低也有不同的要求。
所有這些因素都會對燒結(jié)出的硬質(zhì)合金刀具的顯微結(jié)構(gòu)和材料性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此，在刀具制造商與粉料提供商之間需要進行密切的溝通，以確保根據(jù)刀具制造商的生產(chǎn)工藝定制牌號硬質(zhì)合金粉料。因此，有數(shù)百種不同的硬質(zhì)合金粉料牌號也就不足為奇了。例如，ATI Alldyne公司生產(chǎn)的不同粉料牌號就超過600種，其中每一種牌號都是針對目標(biāo)用戶和特定用途而專門設(shè)計的。
5、 牌號分類
不同種類的碳化鎢粉、混合料成分和金屬結(jié)合劑含量、晶粒長大抑制劑的類型和用量等的組合變化，構(gòu)成了形形色色的硬質(zhì)合金牌號。這些參數(shù)將決定硬質(zhì)合金的顯微結(jié)構(gòu)及其特性。某些特定的性能組合已成為一些特定加工用途的首選，從而使對多種硬質(zhì)合金牌號進行分類具有了意義。
兩種最常用的、面向加工用途的硬質(zhì)合金分類體系分別為C牌號體系和ISO牌號體系。盡管這兩種體系都不能完全反映影響硬質(zhì)合金牌號選擇的材料特性，但它們提供了一個探討的起點。對于每種分類法，許多制造商都有它們自己的特殊牌號，由此產(chǎn)生了形形色色、五花八門的各種硬質(zhì)合金牌號
硬質(zhì)合金牌號還可以按照成分來分類。碳化鎢（WC）牌號可分為三種基本類型：單純型、微晶型和合金型。單純型牌號主要由碳化鎢和鈷結(jié)合劑構(gòu)成，但其中也可能含有少量晶粒長大抑制劑。微晶型牌號由碳化鎢和添加了幾千分之一碳化釩（VC）和（或）碳化鉻（Cr3C2）的鈷結(jié)合劑構(gòu)成，其晶粒尺寸可達(dá)到1μm以下。合金型牌號則是由碳化鎢和含有百分之幾碳化鈦（TiC）、碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC）的鈷結(jié)合劑構(gòu)成，這些添加物又稱為立方碳化物，因為其燒結(jié)后的顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不均勻的三相結(jié)構(gòu)。
（1）單純型硬質(zhì)合金牌號
用于金屬切削加工的此類牌號通常含有3％－12％的鈷（重量比）。碳化鎢晶粒的尺寸范圍通常在1－8μm之間。與其他牌號一樣，減小碳化鎢的粒度可以提高其硬度和橫向斷裂強度（TRS），但會降低其韌性。單純型牌號的硬度通常在HRA89－93.5之間；橫向斷裂強度通常在175－350ksi之間。此類牌號的粉料中可能含有大量回收再用的原料。
單純型牌號在C牌號體系中可分為C1－C4，在ISO牌號體系中可按K、N、S和H牌號系列進行分類。具有中間特性的單純型牌號可以歸類為通用牌號（如C2或K20），可用于車削、銑削、刨削和鏜削加工；晶粒尺寸較小或鈷含量較低、硬度較高的牌號可以歸類為精加工牌號（如C4或K01）；晶粒尺寸較大或鈷含量較高、韌性較好的牌號可以歸類為粗加工牌號（如C1或K30）。
用單純型牌號制造的刀具可用于切削加工鑄鐵、200和300系列不銹鋼、鋁和其他有色金屬、高溫合金和淬硬鋼。此類牌號還能應(yīng)用于非金屬切削領(lǐng)域（如作為巖石和地質(zhì)鉆探工具），這些牌號的晶粒尺寸范圍在1.5－10μm（或更大），鈷含量為6％－16％。單純型硬質(zhì)合金牌號的另一種非金屬切削類用途是制造模具和沖頭，這些牌號通常具有中等大小的晶粒尺寸，鈷含量為16％－30％。
（2）微晶型硬質(zhì)合金牌號
此類牌號通常含有6％－15％的鈷。在液相燒結(jié)時，添加的碳化釩和（或）碳化鉻可以控制晶粒長大，從而獲得粒度小于1μm的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。這種微細(xì)晶粒牌號具有非常高的硬度和500ksi以上的橫向斷裂強度。高強度與足夠的韌性相結(jié)合，使此類牌號的刀具可以采用更大的正前角，從而能通過切削而不是推擠金屬材料來減小切削力和產(chǎn)生較薄的切屑。
通過在牌號硬質(zhì)合金粉料的生產(chǎn)中對各種原材料進行嚴(yán)格的品質(zhì)鑒定，以及對燒結(jié)工藝條件實施嚴(yán)格的控制，防止在材料顯微結(jié)構(gòu)中形成非正常的大晶粒，就能獲得適當(dāng)?shù)牟牧闲阅?。為了保持晶粒尺寸?xì)小且均勻一致，只有在能對原料和回收工藝進行全面控制，以及實施廣泛質(zhì)量檢測的情況下，才能使用回收的再生粉料。
微晶型牌號可在ISO牌號體系中可按M牌號系列進行分類，除此以外，在C牌號體系和ISO牌號體系中的其他分類方法與單純型牌號相同。微晶牌號可用于制造切削較軟工件材料的刀具，因為這種刀具的表面可以加工得非常光滑，并能保持極其鋒利的切削刃。
微晶牌號刀具還能用于加工鎳基超級合金，因為這種刀具能夠承受高達(dá)1200℃的切削溫度。對于高溫合金和其他特殊材料的加工，采用微晶牌號刀具和含釕的單純牌號刀具，能夠同時提高其耐磨性、抗變形能力和韌性。微晶牌號還適合制造會產(chǎn)生剪切應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)刀具（如鉆頭）。有一種鉆頭采用復(fù)合牌號的硬質(zhì)合金制造，在同一支鉆頭的特定部位，材料中的鈷含量各不相同，從而根據(jù)加工需要優(yōu)化了鉆頭的硬度和韌性。
（3）合金型硬質(zhì)合金牌號
此類牌號主要用于切削加工鋼件，其鈷含量通常為5％－10％，晶粒尺寸范圍為0.8－2μm。通過添加4％－25％的碳化鈦（TiC），可以減小碳化鎢（WC）擴散到鋼屑表面的傾向。通過添加不超過25％的碳化鉭（TaC）和碳化鈮（NbC），可以改善刀具的強度、抗月牙洼磨損能力和耐熱沖擊性。添加此類立方碳化物還能提高刀具的紅硬性，在重載切削或切削刃會產(chǎn)生高溫的其他加工中，有助于避免刀具發(fā)生熱變形。此外，碳化鈦在燒結(jié)過程中能提供成核位置，改善立方碳化物在工件中的分布均勻性。
一般來說，合金型硬質(zhì)合金牌號的硬度范圍為HRA91－94，橫向斷裂強度為150－300ksi。與單純型牌號相比，合金型牌號的耐磨料磨損性能較差，且強度較低，但其耐粘結(jié)磨損的性能更好。合金型牌號在C牌號體系中可分為C5－C8，在ISO牌號體系中可按P和M牌號系列進行分類。具有中間特性的合金型牌號可以歸類為通用牌號（如C6或P30），可用于車削、攻絲、刨削和銑削加工。硬度最高的牌號可以歸類為精加工牌號（如C8和P01），用于精車和鏜削加工。這些牌號通常具有較小的晶粒尺寸和較低的鈷含量，以獲得所需要的硬度和耐磨性。不過，通過添加較多的立方碳化物也能獲得類似的材料特性。韌性最好的牌號可以歸類為粗加工牌號（如C5或P50）。這些牌號通常具有中等大小的粒度和高鈷含量，立方碳化物的添加量也較少，以通過抑制裂紋擴展而獲得所需要的韌性。在斷續(xù)車削加工中，通過采用上述刀具表面具有較高鈷含量的富鈷牌號，還可以進一步提高切削性能。
碳化鈦含量較低的合金型牌號用于切削加工不銹鋼和可鍛鑄鐵，但也可用于加工有色金屬（如鎳基超級合金）。這些牌號的晶粒尺寸通常小于1μm，鈷含量為8％－12％。硬度較高的牌號（如M10）可用于車削加工可鍛鑄鐵；而韌性較好的牌號（如M40）可用于銑削和刨削鋼件，或者用于車削不銹鋼或超級合金。
合金型硬質(zhì)合金牌號還能用于非金屬切削類用途，主要用于制造耐磨零件。這些牌號的粒度通常為1.2－2μm，鈷含量為7％－10％。在生產(chǎn)這些牌號時，通常會加入很大比例的回收原料，從而在耐磨零件的應(yīng)用中獲得較高的成本效益。耐磨零件需要具有很好的耐腐蝕性和較高的硬度，在生產(chǎn)此類牌號時，可以通過添加鎳和碳化鉻來獲得這些性能。
為了滿足刀具制造商在技術(shù)性和經(jīng)濟性上的雙重要求，硬質(zhì)合金粉料是關(guān)鍵要素。針對刀具制造商的加工設(shè)備和工藝參數(shù)而設(shè)計的粉料可確保成品工件的性能，并導(dǎo)致出現(xiàn)了數(shù)百種硬質(zhì)合金牌號。硬質(zhì)合金材料可循環(huán)利用的特點以及可直接與粉料提供商合作的能力，使刀具制造商能夠有效控制其產(chǎn)品質(zhì)量和材料成本。
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