新型CF系列硬质合金材料的抗腐蚀特性

2012-10-20陈永兴春保森拉天时集团

锻造与冲压 2012年24期

文/陈永兴·春保森拉天时集团

新型CF系列硬质合金材料的抗腐蚀特性

文/陈永兴·春保森拉天时集团

近些年，随着经济的不断发展，模具设计制造业也在迅猛的发展，模具的价格不断下降，利润逐渐减少、市场竞争日益激烈，模具生产商唯有通过把模具的“性价比”提高，才可以避免被淘汰的厄运。因此，模具生产商对提高模具寿命和质量充满了渴望。然而，提高模具质量意味着更注重模具的设计、制造加工设备和模具组件的加工，这往往会使企业投入更多的资金，而不是降低成本。要想提高模具的性价比，还是首先从选择高质量的硬质合金模具材料开始，因为材料往往是影响冲压模具寿命的根本性因素，提高材料的质量也可以使模具生产、加工事半功倍。

同时，为了应对模具的交货时间大幅度缩短的问题，把握好模具加工周期非常重要。因此，大部分模具生产厂家都会订购标准模具材料进行生产加工。对于硬质合金材料来说，材料加工周期可短可长，而且材料加工时会受外界因素影响。如腐蚀导致的使用问题，所以保证硬质合金材料在加工时的稳定性也是模具寿命的关键因素。

硬质合金在线切割加工中的腐蚀现象

随着线切割机技术的发展，新型线切割机在加工硬质合金的成本、效率方面，相对于其他加工方法，有了更加突出的改进。如果模具厂商没有意识到新线切割技术的重要性，这将会使他们错过机会，在未来的发展中发现自己在国内、外市场竞争中会越来越被动。

图1硬质合金材料在加工过程中产生的缺陷

长期以来，腐蚀现象已经变成硬质合金加工过程中很大的困扰，例如在星期五下午开始用线切割加工一个尺寸为100mm×100mm×10mm的板块硬质合金材料，准备星期一早上做成30个模具配件。但是长时间无人操作或者一段特定的时间，硬质合金的加工质量经常达不到客户的要求，其主要原因是材料表面部分出现点状腐蚀，脱落，光洁度和耐磨性变差等，如图1所示，不能被客户接受。未来解决硬质合金在线切割加工中的缺陷，使用新的抗腐蚀硬质合金已经是一种新的形式。为了最大程度地利用新线切割技术可以“长时间无人操作”的优势，森拉天时跟线切割设备生产商达成发展新硬质合金材料的一致目标，以增加硬质合金在线切割加工时的稳定性和抗腐蚀性。

硬质合金是由碳化钨和钴组成。钴在硬质合金中的作用是粘结剂和提高断裂韧度。从电化学角度看，钴属于非贵性金属，在材料的加工过程中由于与介电质（水有较高的氢离子浓度）接触，出现了点状的电化学腐蚀。这就意味着钴粘结剂在加工过程中被分解了，失去了其在硬质合金材料中所起的作用。阻止硬质合金材料在线切割的腐蚀现象也被广泛研究，比如使用贵性合金粘结剂，或者用镍取代钴，这样会消除腐蚀现象。然而，这些粘结材料不能像钴一样与碳化钨很好地粘结。使用这些粘结剂的硬质合金材料的机械性能和线切割时的加工性能得不到很好的保障。CF系列抗腐蚀材料很好地解决了材料的腐蚀机率和腐蚀速度，与普通硬质合金材料相比，腐蚀速度（腐蚀的程度）至少降低了80％。如图2所示，使用线切割机，传统材质在水介质中加工大约8h就会出腐蚀迹象。根据我们实验室的理论测量，新型CF系列抗腐蚀材质的腐蚀迹象大约到800h以后才会出现。

当然，在线切割加工过程中为了更好地保护硬质合金，加工过程中的环境因素也是非常重要的：⑴线切割时的温度调节；⑵介电质的导电性；⑶线切加工水流冲洗方向；⑷换水频率；⑸水PH值；⑹氯含量等。这些参数在线切割过程中必须仔细地考虑。

图2材料的腐蚀速度与电压之间的关系

CF系列合金抗腐蚀机理

为了解决材料腐蚀问题，春保森拉天时进行了线切割的电化学腐蚀测试，硬质合金测试片被放在一种极差的媒介质（这里采用水，电解质PH＜5）中加工，然后持续增加媒介质电压，记录电流值和电压相对于电流密度数。在如此快的腐蚀进程和速度下，电流密度和材料腐蚀的倾向性是关联的，被测电流可以很好地显示钴分解的总量。相对于大家熟知的腐蚀测试（根据DIN50905，测量腐蚀体损失的重量），这种新的测试方法能更好地体现硬质合金受腐蚀的情况。

如图3所示，是CF系列硬质合金在透视电子显微镜下的照片，可以看到钴被分解前表面产生了一层氧化层对合金起到了保护作用，导致合金的腐蚀速度被降低80％。经研究分析，在透视电子显微镜下看到保护层是由氧化铬和钴组成的。另外，钴粘结剂分解后被转化成元素周期表第七和第八族元素如铼、锗、钯、铜，从而降低了合金的腐蚀倾向。

图3CF系列硬质合金显微镜下的照片

图4抗腐蚀材料与普通材料加工过程腐蚀程度对比

腐蚀后硬质合金的表面变得粗糙，光洁度下降。在冲压生产过程中材料与模具之间的摩擦增加，容易产生卡料、加快模具磨损，导致模具返修率高、成本增加、寿命下降及材料断裂等。如图4所示，是用普通材料和CFH40S抗腐蚀材质加工过程腐蚀程度的对比。在导电值为15～20μS的水中，进行线切割加工，加工时间大约23h，且加工完成后在水中浸泡63h，会发现非抗腐蚀硬质合金材料腐蚀层深度可达35μm，相当于进行一次研磨的量。CF-H40S抗腐蚀材料在这种情况下可以避免过度腐蚀。