鎢鈷硬質(zhì)合金早在本世紀(jì)三十年代初期就被用于機械加工車間，它使機床的生產(chǎn)能力發(fā)生了一次革命，其影響如同高速鋼出現(xiàn)時那樣巨大。經(jīng)過多年的使用實踐，在刀具幾何形狀、機床結(jié)梅、加工方法，以及操作人員的心情態(tài)度等方面都已作了合適的改進，從而使硬質(zhì)合金刀具能夠更加有效地應(yīng)用。如果能夠防止過早的斷裂，硬質(zhì)合金刀具就能以很高的切削速度切削多種金屬和合金，而且具有很長的刀具壽命。對它的金屬切除率要有一定聯(lián)制，以便使刀具具有合理的刀具壽命。在使用高速鋼刀具時，由予連續(xù)使用，切削刃的形狀就逐漸變化，直到刀具不再能有效地切削。而在使用鎢鈷合金刀具切削鑄鐵、鋼和高熔點合金時，如果要仔細研究切削刃形狀變化的機理和過程，首先應(yīng)該檢查對金屬切除率的限制[24][25][26]。 

      當(dāng)用高速鋼刀具在中等和較高切削速度下切削鑄鐵和鋼時，工件材料會粘結(jié)到刀具被磨損的前刀面和后刀面上。所以如同敘述過的工具鋼刀具那樣，具有同樣特征的流變層就是熱源。高速鋼的第一種磨損機理(在刀具前刀面上因剪切形成月牙洼磨損)，在使用硬質(zhì)合金刀具時不會出現(xiàn)，因為在高溫時，硬質(zhì)合金的抗剪強度很高，不會發(fā)生這種情況。

      壓應(yīng)力作用下的塑性變形
      當(dāng)切削速度或進給量增加時，由于前刀面上壓應(yīng)力也增大，因而使刀具發(fā)生塑性變形，為此，必須限制金屬切除率。硬質(zhì)合金僅能承受有限的變形，在較高的溫度下，如存在裂紋，就會導(dǎo)致刀具突然斷裂。圖6.29表示了前刀面上的這種裂縫，這個表面在切削刃發(fā)生塌陷時，受到拉伸應(yīng)力的作用。由于變形引起的刀具損壞，大都是因為進給量過高和切削具有高硬度的材料。含鈷量較低的硬質(zhì)合金牌號，可以使用較高的切削速度和進給量，因為它們抵抗變形的性能有所增加。細晶粒的硬質(zhì)合金在室溫下的硬度有所提高，但并不意昧著在高溫時刀具抵抗變形的能力也有了改善。
      在實驗室的刀具試驗中，可以在較早的階段發(fā)現(xiàn)刀具的變形，其方法是在試驗前把后刀面研磨成光學(xué)平面，在試驗后用光學(xué)干涉儀觀察這個平面，這樣在后刀面上的任何不規(guī)則的突起狀變形都能被觀察到，而且可以用干涉條紋形成的輪廓圖進行測量。圖6.30表示用硬質(zhì)合金刀具在以高速和大進給量切削鋼件時后刀面上的干涉條紋。可以看到最大變形是在刀尖上，這是在切削鋼件和鑄鐵時的共同特點。刀尖鋒利的刀具或刀尖圓弧半徑非常小的刀具，變形和損壞都是首先從刀尖處開始，因而對于刀尖圓弧半徑小的刀具必須采用較低的速度。在很多切削過程中，刀尖圓弧半徑的準(zhǔn)確形狀是衡量刀具性能的標(biāo)志。
      鎢鈷硬質(zhì)合金刀具在高溫時具有抵抗變形的能力，因而它可以采履比高速鋼刀具更高的金屬切除率，這是它的最重要的性能。   

      擴散磨損
      當(dāng)在高速和大進給量條件下切削鋼件時，在鎢鈷硬質(zhì)合金刀具的前刀面上會形成一個月牙洼，而在切削刃處有一個未磨損的平面(圖6.31)。硬質(zhì)合金刀具的溫度測量方法不同于高速鋼刀具，但是它們的溫度梯度的型式還是相同的，這是因為具有同樣特征的熱源—與前刀面接觸的薄的金屬流變層。其月牙洼的位置也與高速鋼刀具相同，較深的月牙洼和高溫區(qū)有密切關(guān)系，而未磨損的平面和刀刃附近的低溫區(qū)有關(guān)。從WC-Co合金刀具的月牙洼磨片圖中看不到在刀具材料上有剪切引起的塑性變形。碳化物晶粒均勻地磨損(圖6.32)，逐漸變小或脫落，在光學(xué)顯微鏡下能看到的顆粒會從刀具表面上脫落。
      在WC-Co含金刀具的月牙洼磨損過程中，擴散現(xiàn)象非常明顯，刀具中的金屬原子和碳原子擴散到粘結(jié)在刀具表面上的工件材料中去，并被切屑帶走。在這方面的一個極端的例子，是WC-Co硬質(zhì)合金的硬顆粒嵌進到鋼板里，這是在研究界面的磨片圖時觀察到的。這個例子表明碳化鎢WC和鈷Co已溶解在鋼的表層中，而這個表層在界面上也已經(jīng)熔化[27]。圖6.33就是表示這樣的磨片，上面是鋼，下面是硬質(zhì)合金，中間白色的就是熔化層，它是處于局部熔解的區(qū)域之中，WC晶粒就被圍在中間。WC和鈷之間或WC和鐵之間的低共熔點大約學(xué)1300℃，在界面處的薄層中這個溫度已經(jīng)達到。因為在這種情況下沖擊速度已超過1000米/秒，有巨大的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?br />      WC-Co合金刀具切削鋼件時產(chǎn)生的月牙洼磨損，是由于在1300℃溫度下的界面上發(fā)生熔化的結(jié)果。然而，當(dāng)切削刀具的切削速度小100倍，像高速鋼刀具那樣，仍有明顯的溫度分布，例如圖5.3指出的，界面的溫度低于1300℃，在這種條件下，月牙洼磨損可能首先發(fā)生在900-1100℃的區(qū)域內(nèi)。這個溫度低于熔化的溫度，但它足以引起在固態(tài)相發(fā)生擴散，觀察到的表面特征也是和由于固態(tài)相擴散引起的磨損過程相一致的。

      磨損的硬質(zhì)合金刀具可以用鹽酸HCl或別的礦物酸進行處理，清除掉粘著的鋼和鐵，因此對刀具表面的磨損區(qū)可以進行詳細研究。當(dāng)酸在一定程度上溶解了粘結(jié)劑鈷以后，它們也不能侵蝕碳化物，因而這種硬質(zhì)合金刀具磨損的檢驗方法不可能用于高速鋼刀具。圖6.34和圖6.35表示了WC-Co合金刀具在切削鋼件以后的月牙洼磨損表面，碳化物晶粒主要是均勻地磨損掉，但有時會出現(xiàn)一種被蝕刻的外貌，如在圖6.35中的大晶粒刻痕。這種在刀具表面上留下的刻痕，是平行于一個主要結(jié)晶方向。另外在刀具表面上常?？梢钥吹焦饣穆∑鹁€，這種線從大的WC。晶粒開始發(fā)生，通向切屑流動的方向。如圖6.34所示。月牙洼磨損的特點是表面非常光滑，這是因為工件材料快速地從刀具表面上流過，起到了拋光作用。而在這個區(qū)域中出現(xiàn)的刻痕，是由于該處的溫度相當(dāng)高，使工件材料的流動速度降低，或是由于界面上存在著滯留層。
      由于擴散引起的月牙洼磨損僅僅在較高的金屬切除率的情況下發(fā)生。硬質(zhì)合金刀具上的這種磨損特點以及其他類型的磨損特點，可以用圖6.36所示的“加工圖表”簡易方便地描述[35]。圖上的座標(biāo)為切削速度和進給量，是用對數(shù)座標(biāo)表示的，對角的虛線是表示金屬切除率相等的線。對于每一種刀具和工件材料的組合，在使用標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀的刀具時，所產(chǎn)生的主要磨損特點都可以對應(yīng)地描繪出一種加工圖表。圖6.36中的兩條線是表示剛開始出現(xiàn)月牙洼磨損的切削條件和月牙洼磨損已經(jīng)非常嚴(yán)重，以至在幾分鐘內(nèi)就會引起刀具損壞的切削條件。圖6.36是用含有6%的鎢鈷合金刀具切削中碳鋼時的加工圖表。由于擴散引起的月牙洼磨損是切削速度和進給量的函數(shù)，而且在很廣泛的切削條件范圍內(nèi)存在著近似的線性關(guān)系。例如為防止產(chǎn)生快速的月牙洼磨損，在進給量為0.25毫米/轉(zhuǎn)時，切削速度的極限值應(yīng)為90米/分，而在進給量為0.75毫米/轉(zhuǎn)時，臨界速度應(yīng)減小到35米/分。這些圖表和最大的切削速度數(shù)字，表明了在使用WC-Co硬質(zhì)合金刀具切削鋼件時，在限制金屬切除率中因擴散引起的月牙洼磨損的重要性。WC-Co硬質(zhì)合金刀具的最大金屬切除率比起高速鋼刀具來并不很高，所以它不經(jīng)常用來切削鋼件。它們主要被推薦甩于切削鑄鐵和有色金屬。但它們在較低的切削速度下切削鋼件時，有刀具壽命較長的優(yōu)點。
      由于擴散磨損對于硬質(zhì)合金刀具是這樣重要，就有必要更詳細地考慮這種磨損的機理[6][25]。通過界面的擴散率主要取決于溫度，但還有很多其他的因素也有影響。倒如含有的原子相對尺寸，它們的化學(xué)作用以及材料彼此之問的可溶性。既然會產(chǎn)生擴散磨損，一定會具有某些可溶性：倒如已經(jīng)證明，在1250℃時，有7%盼WC溶解在鐵中。因此擴散磨損率取決于材料的“兼容性”(compatibility)。使用不同的刀具和工件材料產(chǎn)生的擴散磨損率有很大的不同。刀具的機械性能使刀具有足夠的強度和硬度，能夠經(jīng)受所加的應(yīng)力，但對于擴散磨損，則刀具的化學(xué)性能比機械性能有更大的影響。就是因為這個理由，細晶粒硬質(zhì)合金雖然硬度比較高，但并不表示它們抵抗擴散磨損的能力有所提高。事實上，粗晶粒合金比同樣成分的細晶粒合金更耐磨一些，但是這種差別是比較小的。

      擴散磨損率還取決于原子從刀具上擴散到工件材料中去的速度。現(xiàn)在經(jīng)?？紤]的問題是“從刀具材料中擴散出來的原子是最重要的嗎?”在高速鋼刀具的情況下，鐵原子從刀具基體上擴散進入到工件中，只剩下孤立的碳化物顆粒，它們逐漸受到損害，最后整個脫落。而在硬質(zhì)含金刀具的情況下，碳化物的粘結(jié)劑鈷原子和工件材料的鐵原子以最快的速度互相擴散，然而碳化物顆粒不會受到損壞和脫落，這是因為有下面兩個原因，首先，因為碳化物顆粒不是孤立的，它們構(gòu)成了硬質(zhì)合金的絕大部分體積，它們彼此支承形成一個剛性的骨架，其次，因為刀具雖然有鈷原子擴散出去，但有鐵原子被吸收進來，而鐵原子如同鉆原子一樣，能有效地粘結(jié)碳化物。

      碳原子很小，能在鐵原子之間快速地運動，但是在刀具中，碳原子和鎢強有力地結(jié)合在一起，不能自由運動而離去。這樣碳原子和鎢必須結(jié)合在一起，擴散到工件材料中去，擴散磨損率就受到控制。這不僅取決于溫度，而且也和非常接近刀具表面的工件材料的流動速度有關(guān)系，也就是和工件材料快速流過0.001-1微米距離的速度有關(guān)系；正如水的蒸發(fā)率在停滯的空氣中是很慢的那樣，如果接近刀具表面的工件材料是靜止的，則刀具的擴散磨損也是很慢的。而在刀具的后刀面，接近刀具表面的工件材料的流動速度是非常高的(圖5.1a)，甚至在前刀面實際上還未發(fā)生磨損的情況下，后刀面已經(jīng)有很高的磨損率，其主要原因就是后刀面的擴散磨損引起的。在圖3.5中，可以看到后刀面上的碳化物晶粒是被均勻地磨損掉的。在發(fā)生粘結(jié)的條件下，碳化物晶粒均勻地磨損掉，被認為是在擴散磨損過程中的較好的現(xiàn)象。

      當(dāng)在較高的切削速度下切削時，后刀面磨損主要是擴散磨損引起的，切削速度提高，磨損率也迅速增加。圖6.37表示了用硬質(zhì)合金刀具以較高的切削速度切削鋼件時所獲得的一組典型的刀具磨損曲線。鎢鈷合金中的鈷含量對擴散磨損率有影響，當(dāng)鈷含量增加時j后面磨損率也增大。但是，用于切削的通用牌號硬質(zhì)合金，當(dāng)?shù)毒邲]有開始變形時，其磨損率的差別不是很大的。
      摩擦磨損 
      用高速鋼刀具以較低的速度切削時，因為溫度不高，不會發(fā)生擴散磨損和嚴(yán)重的變形，這時，摩擦就成為引起磨損的主要支配因素。當(dāng)工件材料少量的以層狀切屑、大量的以斷續(xù)切屑流經(jīng)切削刃的條件下，最明顯的跡象就是形成積屑瘤。圖6.36是很多種鋼的典型加工圖表，圖中表示積屑瘤存在于比較低的金屬切除率情況下，它主要取決于切削速度和進給量。圖中積屑瘤線的下面部分，其磨損主要由摩擦所支配。積屑瘤由工件材料組成，切削時，它連續(xù)地變化；成碎片剪離(圖3.15)。如果積屑瘤僅外層被剪離，而接近刀具那部分積屑瘤仍然粘附在刀具上沒有變化，則刀具還可以繼續(xù)切削很長的時間而不會被磨損。例如在有些情況下，切削鑄鐵時，即使在較高的切削速度和進給量下，積屑瘤還粘附在WC-Co合金刀具上，如圖6.38中的加工圖表所示的那樣。在切削灰鑄鐵時，積屑瘤極少碎離，所以刀具壽命非常長。就因為這個理由，WC-Co合金刀具通常用來切削鑄鐵時所推薦的切削速度，就是在能形成積屑瘤的范圍內(nèi)。圖3.8和圖3.9的磨片圖表示了刀具上碳化物晶粒的碎片或整個晶粒脫落后遺留下來的這種磨損表面，這種因為摩擦引起的磨損率是比較低的。
       然而用WC-Co合金刀具切削鋼時，在能形成積屑瘤的條件下，刀具切削刃可能很俠地因摩擦而損壞。在使用高速鋼刀具時，只有顯微尺寸的刀具材料碎片可以從刀刃上撕離  下來，這是一種較慢的磨損機理，但對于硬質(zhì)合金刀具來說，它可能引起很快的磨損。如果積屑瘤穩(wěn)定地粘結(jié)在刀具上，有時突然作為一個整體脫落下來，刀刃上可能會被撕下較大的碎片，如圖6.39所示，就會經(jīng)常發(fā)生中斷切削的現(xiàn)象當(dāng)機床缺乏剛度，或者工件是細長的，就容易發(fā)生顫振和振動，則流經(jīng)刀具的金屬流可能非常不規(guī)則；就會從刀具上撕下較小的碎片。圖6.40表示，用WC-Co合金刀具在較低的切削速度和進給量條件下切削鋼件時，WC晶粒被破壞并被切屑流帶走。
      碎片的分離是因不規(guī)則的金屬流所加在刀具上的局部拉應(yīng)力引起的。高速鋼刀具因為有較大的延展性和韌性，所以能經(jīng)受較大的拉應(yīng)力，因而具有較大的抵抗摩擦磨損的能力。這就是為什么很多在低速下進行的加工工序現(xiàn)在還在使用、并且將來還要繼續(xù)使用高速鋼刀具的主要原因之一。由摩擦產(chǎn)生的磨損表面，與因擴散磨損產(chǎn)生的幾乎像經(jīng)過拋光的磨損表面相比，是非常粗糙的。然而，在這兩種磨損形式之間并沒有明顯的分界線，它們是同時發(fā)生的。所以在磨損表面上，當(dāng)粘結(jié)著的金屬被溶解掉以后，常?？梢园l(fā)現(xiàn)有些晶粒被均勻地磨損妒而另外一些晶粒已被撕離。如圖6.41。
      由摩擦引起的磨損率，不是直接與刀具的硬度有關(guān)，對于WC-Co硬質(zhì)合金刀具來說，最重要的因素是晶粒尺寸。細晶粒合金比粗晶粒合金具有更好的耐磨性。圖6.42表示含有6%鈷的一組刀具的磨損率，這些數(shù)據(jù)是在實驗室的試驗中，在摩擦磨損的條件下切削鑄鐵時獲得的。硬度數(shù)字就代表了碳化物的晶粒尺寸，最高的硬度表示小于1微米的超細晶粒尺寸。通過比較可知，含鈷量對摩擦磨損率的影響較小。圖6.43表示含鈷量為5.5-20%的各種硬質(zhì)合金刀具的磨損率，其差別很小，因為這些刀具具有相同的晶粒尺寸，但硬度差別卻較大。在這種條件下，要使這些合金的性能保持一致，就應(yīng)在制造細晶粒合金時嚴(yán)格控制晶粒尺寸。
      由于在切削刃周圍的金屬流在切削速度增加時趨向于變成層狀切屑，所以摩擦磨損率在切削速度下降時可能會增加。圖6.44表示在摩擦磨損條件F切削鑄鐵時后刀面磨損率的一組曲線，可以和表示擴散磨損的圖6.37進行比較。在摩擦磨損占主導(dǎo)地位的博況下，為r改善刀具壽命，應(yīng)把注意力放在減少振動、增加剛度以及給刀具設(shè)計足夠大的后角等方面。
      磨料磨損
      由于碳化鎢具有很高的硬度，所以磨料磨損對于硬質(zhì)含金刀具來說不是一種重要的磨損過程。這與高速鋼刀具是不一樣的。只有在切削時存在大量的研磨材料時，例如鑄件表面上的砂子，才會使刀具具有少量的磨損痕跡。在粘結(jié)條件下，工件材料中的硬碳化物或氧化鋁的孤立的微小顆粒，能有效地腐蝕碳化物晶粒之間的鈷，不過這種情況是極少有的。切削冷硬鑄鐵軋輥肘，因工件上存在很多滲碳體和其他的碳化物。因此會使刀具產(chǎn)生磨料磨損。但是大多數(shù)碳化物，甚至在合金鑄鐵中，它們的硬度也是低于碳化鎢的。關(guān)于這種情況下的磨損機理的詳細研究還沒有報道過。為了防止磨料磨損，最重要的方法是降低硬質(zhì)合金中的鉆含量。另外細化晶粒尺寸也是有用的方法。

      斷裂
      刀具壽命的不穩(wěn)定，常常是由予刀具在達到磨損限度前就斷裂所造成的。在選擇刀具材料牌號時，韌性是一個重要的性熊指標(biāo)。為了改善這個性能，可以增加硬質(zhì)合金的含鈷量或增大晶粒尺寸，這在前面已討論過。另外還必須更多地注意判斷引起斷裂的原因，以便能決定采取正確的防護措施。

      刀具在連續(xù)切削與工件保持接觸時，很少發(fā)生刀刃部分?jǐn)嗔训默F(xiàn)象。大量的刀具斷裂都是發(fā)生在切削剛開始的時候，特別是在刀刃碰到工件臺肩，因而使整個刀刃都突然切入工件的時候。間斷切削和銑削加工時也特別容易發(fā)生斷裂，這可能是由于機械疲勞而斷裂。還有切屑纏繞在刀具上或卷在刀刃上，也常常會使切削中未切入工件的刀刃部分因碰撞而引起斷裂。在車削大的鍛件或鑄件時，如果協(xié)削深度不均勻，也很容易引起刀刃斷裂。

      斷裂還可能是由于刀具的變形而引起的。隨著變形的增加就會產(chǎn)生裂縫。機械斷裂不過是刀具損壞的最終階段。這種情況更說明正確判斷斷裂原因的重要性。為了防止在這種情況下的刀具損壞，可使用更高硬度的硬質(zhì)合金，以防止初始的塑性變形。但是高硬度的硬質(zhì)合金缺乏韌性。所以防止斷裂這個問題，光用改變硬質(zhì)合金牌號的方法是很難解決的，通常還應(yīng)該包括改變刀具幾何形狀和切削條件來實現(xiàn)。

     熱疲勞
      在非常頻繁的間斷切削中，例如銑削時，在刀具上常?？梢杂^察到很多短的、向垂直于切削刃的方向延伸的裂紋，如圖6.45所示。刀具在切削時因受切削熱作用而產(chǎn)生膨脹，在切削中斷時因把熱量傳給刀體而受到冷卻，因而產(chǎn)生收縮。裂紋就是由于刀具表面層的這種交替的熱脹冷縮現(xiàn)象引起的。裂紋通常都是在前刀面上離刀刃有一定距離的最熱位置上開始產(chǎn)生，然后擴展，橫過刀刃，一直發(fā)展到后刀面上。硬質(zhì)合金銑刀在使用過以后，在刀齒上常?？梢园l(fā)現(xiàn)很多這樣的裂紋。但是，在大多數(shù)情況下對它們的壽命沒有多大的影響。如果裂紋非常多，可能會連接起來，使刀刃形成小碎片而崩離。它們也可能引起應(yīng)力集中，在其他因素作用下，使刀具發(fā)生斷裂。所以，很多硬質(zhì)合金制造廠都選用具有對熱疲勞不敏感的成分和結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金牌號，來作為制造銑刀的刀具材料。
      在滑動條件下的磨損
      在刀具和工件的界面上發(fā)生滑動，常常會產(chǎn)生加速磨損的現(xiàn)象這和高速鋼刀具的情況是一樣的。圖6.46表示了一個突出的例子，它是用WC-Co硬質(zhì)合金刀具在空氣中切削鋼件的情況下，由于切屑的邊緣滑過前力面而形成了深槽。這里的磨損機理可能包括同空氣的反應(yīng)，這將在有關(guān)切削液的第八章中進一步討論。在同樣的切削條件下，滑動比粘結(jié) 可能引起更快的磨損，這種現(xiàn)象是很引人注意的。所以，在很多切削工序中，光是消除粘結(jié)現(xiàn)象并不十分符合實際情況的。在滑動區(qū)內(nèi)的磨損率：主要是受化學(xué)作用的控制，刀具材料的成分比它的硬度或其他的機械性能有更大的影響。
      以上介紹了硬質(zhì)合金刀具磨損或變形的主要機理和過程，其中很多磨損機理是和高速鋼刀具相同的，作為總結(jié)，可以參考圖6.19。第一種磨損機理是不能正常地觀察到的。第二種和第三種磨損機理是由于變形和擴散引起的，它主要取決予溫度，在高的切削速度下起作用。第四種磨損機理，摩擦磨損，它不取決于溫度，在較低的切削速度范圍內(nèi)，對刀具有很大的破壞作用，而在這種情況下，高速鋼刀具常常具有相同的或者更好的性能。第五種磨損機理，磨料磨損，可能是最少引起磨損的，比起高速鋼刀具來是很不重要的磨損形式。第六種磨損機理，滑動磨損過程，和高速鋼一樣，都是很重要的一種磨損形式，刀具上發(fā)生磨損的位置也是相同的。另外，硬質(zhì)合金刀具切削刃很容易因斷裂而損壞，熱疲勞引起的裂紋也能縮短刀具的壽命。在實際加工過程中，正確識別決定刀具壽命的因索，對于選擇最佳刀具材料、刀具形狀或切削條件的實際操作人員，和對于從事研制新刀具材料、新型刀具或潤滑遮的研究人員，都是非常重要的。