超细硬质合金钴相分布均匀性对PCB铣刀使用性能的影响

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超细硬质合金钴相分布均匀性对PCB铣刀使用性能的影响
凌平1， 曾瑞霖2,3， 廖杰培1， 方啸林1

【作者机构】        1深圳市金洲精工科技股份有限公司； 2硬质合金国家重点实验室； 3株洲硬质合金集团有限公司
【来    源】        《硬质合金》 2024年第3期 pp.190-195

将钴质量分数为6%的3种钴相均匀性不同的超细硬质合金棒材制成PCB铣刀，对3 种超细硬质合金棒材及PCB 铣刀样品进行物理力学性能、显微组织结构和铣刀使用性能的对比，使用ICALIBUR 钴相分析软件定量分析硬质合金棒材钴相分布均匀性，研究钴相分布均匀性对PCB 铣刀使用性能的影响。结果表明：钴相分布均匀性在物理力学性能上没有体现，只能通过直接的钴相分布检测方法进行检测，钴相分析软件检测显示，钴相质量分数在5%～7%的微区间，样A 为50%，样B 为66%，样C 为80%。制成PCB 铣刀后，钴相均匀性较差的样A、样B比钴相均匀性较好的样C寿命低20%以上。钴相分布均匀性差会造成硬质合金棒材制成的铣刀刃局部区域的硬度不均匀，使得铣刀在使用过程中产生磨损不均匀和崩缺现象，导致使用寿命降低。

关键词 硬质合金棒材；钴相分布均匀性；钴相分析软件；铣刀；显微组织

[size=1em]PCB电路板加工常用刃径小于或等于3.175 mm的超细硬质合金铣刀，它们的性能水平直接关系到PCB 板的生产效率和工艺水平，从而影响电子产品线路的密集程度，PCB 行业技术水平与PCB 铣刀用硬质合金棒材性能息息相关[1-3]。

[size=1em]目前PCB 铣刀用超细硬质合金的研究都集中在起耐磨作用的硬质相上，对黏结相的研究相对较少[4]。李壮等认为合金的硬度主要取决于合金的成分和硬质相的粒度，黏结相钴的分布情况对合金的硬度影响不大，但就合金的使用性能来讲，钴池的存在将会导致合金的局部导热性、抗高温腐蚀性下降，对合金的使用不利[5]。汪中玮等认为，使用类球形钴粉来生产低钴超细硬质合金可以使混合料的湿磨时间缩短，且合金微观结构更均匀，合金的抗弯强度提高[6]。张颢等研究了烧结温度与保温时间对界面钴相扩散的影响，认为当烧结温度高于1 340 ℃时，即使很短的保温时间界面钴相也很容易扩散均匀，当烧结温度低于1 320 ℃，即使延长保温时间，界面钴相扩散也受到了抑制[7]。Min 等通过化学包覆－氢气还原工艺制备了具有优异硬度、抗弯强度及冲击韧性的WC-Ni 硬质合金材料，并指出Ni的均匀分布是性能提升的重要因素之一[8]。于淞百等认为双晶结构和均匀钴相分布结构提供合金优异的硬度和断裂韧性[9]。由此可见，硬质合金微观结构的均匀性是表征合金抗断裂性能的一个重要指标，对小尺寸硬质合金刀具使用性能有很大影响。

[size=1em]目前，硬质合金钴相分布测试方法未见报道，有的硬质合金企业内部标准采用金相显微镜标尺测量视场中不同部位钴层厚度大小来定义钴相分布，由于出报方式是数据范围或定性描述，此检测数据对产品质量的控制敏感性不强[10]。本文使用ICALIBUR 钴相分析软件研究硬质合金钴相分布均匀性，软件运用面积法测量钴相的质量分数，进而计算出钴相分布数据，并探究钴相分布均匀性对PCB铣刀使用性能的影响。

1 实验方法

[size=1em]本实验选取三个厂家生产的钴含量6%（质量分数）、WC 平均晶粒度0.4 μm 的硬质合金棒材（标记为样A、样B、样C），分别加工成刃径0.8、1.2、1.6 mm的PCB铣刀。

[size=1em]对三种硬质合金棒材进行矫顽磁力、钴磁、横向断裂强度、维氏硬度等物理力学性能测试。矫顽磁力检测采用YSK-V 型矫顽磁力计；钴磁测量采用ACoMT-Ⅳ型全自动钴磁测量仪；维氏硬度检测采用HVX-30A 型维氏硬度计，载荷为298 N，保压时间10 s，硬度检测取点均为试样镶样抛光后的中心位置；利用CMT8502 型电子万能试验机进行横向断裂强度检测，样品为C 型圆柱试样。微观组织结构分析采用日本电子JEOL-6701F 型扫描电镜；使用ICALIBUR 钴相分析软件进行钴相分布均匀性检测。

[size=1em]用ICALIBUR 钴相检测软件在SEM 背散射模式下（如图1（a））根据图像衬度差异对WC 相和Co 相进行辨别，WC 相为灰色，彩色区域为Co 相，并分割成100 等份的微区，如图1（b）所示。软件读取每一微区Co 相面积占比，并根据公式（1）计算视场中Co相质量分数。然后统计钴相质量分数在样品正常钴含量区间的微区占比，以此作为Co相分布均匀性的判断依据。

[size=0.8em]图1 ICALIBUR钴相分析软件——SEM图片100等份分割示意图
Fig.1 ICALIBUR cobalt phase analysis software-SEM image equally divided into 100 pieces

[size=1em]上述为钴相分析软件计算钴相质量分数的公式，其中，SCo/S合金为钴相面积占比，ρCo/ρ合金为钴相与合金的密度比，由于SEM 拍下的图片均为平面图形，因此以钴相的面积比替代体积比。

[size=1em]用制成的PCB 铣刀在VEGA 铣床上加工HTGT1.60 覆铜板，加工参数如表1 所示。统计其加工寿命（断刀时已加工路径长度，单位：m）与加工一定长度时的磨损情况。

[size=0.8em]表1 3种样品铣刀加工参数
Table 1 Processing parameters of three types of milling cutter

2 结果与讨论2.1 合金物理力学性能与微观组织

[size=1em]图2 为3 种样品合金的SEM 图片，主要可以看到深色（Co）和浅色（WC）两种结构。可以直观地看到样A、样B、样C 三种硬质合金的钴相分布均匀性情况，样C 钴相分布均匀性最好，样B 次之，样A 钴相呈岛状分布，均匀性最差。从图中还可以看到样A、样B 合金中的钴有偏析的情况，样C 中未发现钴偏析。

[size=0.8em]图2 3种样品微观组织SEM 图片（5 000×）：（a）样A;（b）样B；（c）样C
Fig.2 SEM images of microstructures of three samples(5000×)a)Sample A;(b)Sample B;(c)Sample C

[size=1em]表2 为3 种材质的物理力学性能，结合图2 可以看出，钴含量与WC晶粒度一致的情况下的3种硬质合金的钴磁、矫顽磁力、硬度、抗弯强度基本一致。因此，合金钴相分布的均匀性很难从宏观物理力学性能进行分辨。

[size=0.8em]表2 3种样品硬质合金物理力学性能对比
Table 2 Comparison of physical and mechanical properties of three types of cemented carbides

[size=1em]使用ICALIBUR 钴相分析软件对3 种样品的钴相均匀性进行检测，3种样品钴相检测结果如表3所示。其中样A 钴相质量分数在5%～7%区间的微区占比为50%，样B 为66%，样C 为80%。3 种硬质合金钴相分布定量分析结果与图2所示SEM 图片的情况一致。合金钴相分布越均匀，局部微区钴相质量分数与合金整体钴相质量分数越接近。

[size=0.8em]表3 3种样品钴相分布对比
Table 3 Comparison of cobalt phase distribution in three samples

2.2 铣削测试

[size=1em]表4 为3 种样品合金制成刃径0.8、1.2、1.6 mm铣刀，并进行PCB 板铣削加工的寿命对比，可以看到样A 与样B 铣刀寿命较短，0.8 mm 规格比样C 铣刀寿命短约38%，1.2 mm 规格比样C 硬质合金铣刀的寿命短约30%，1.6 mm 规格比样C 硬质合金铣刀的寿命短约20%。由于样A 和样B 硬质合金中的钴相不均匀，富钴区形成钴池，而贫钴区则由于黏结相的不足容易形成微孔隙[11]，导致铣刀在使用过程中，更容易产生裂纹，刃径越小，裂纹扩展导致切削刃断裂需要的时间越短。因此，铣刀刃径越小，钴相分布均匀性对铣刀的寿命影响越大。

[size=0.8em]表4 3种样品硬质合金不同规格铣刀平均铣削加工寿命对比
Table 4 Comparison of milling life of milling cutters with different specifications made of three types of cemented carbides m

[size=1em]进一步观察3 种样品铣刀加工一定时间后的切削刃磨损情况，0.8 mm 铣刀加工6 m，1.2 mm 铣刀加工10 m，1.6 mm 铣刀加工15 m。如表5 所示，相比样A 和样B 合金，样C 铣刀切削刃在整个铣削过程中基本呈现出均匀磨损，且样C 铣刀切削刃磨损量明显比样A 和样B 合金铣刀少。从表5 中可以发现，在样A、样B 铣刀的切削刃上都出现了不同程度的崩缺（见图中红圈处）。样A 和样B 钴相偏析较多，合金中钴相偏析处硬度相对较低，优先磨损，局部钴相偏析同时引起其他区域的钴层偏薄，使得这些贫钴区域韧性下降[12]。随着切削刃上崩缺的增加，切削刃与加工板材的接触面积增加，在切削力的作用下，切削刃的磨损会进一步加剧。对于铣刀而言，随着切削刃的磨损，在加工板材时，由于摩擦力增大，使得铣刀所承受的切削力也随之增加，这更容易导致铣刀断刀[13]，从而降低铣刀的使用寿命。

[size=0.8em]表5 3种样品铣刀铣削加工过程中磨损情况对比
Table 5 Comparison of wear during milling process of milling cutters made of three types of cemented carbides

3 结论

[size=1em]将3 种不同钴相均匀性的PCB 铣刀用硬质合金棒材制备成PCB 铣刀样品，并对铣刀样品进行切削对比测试，主要结果如下：

[size=1em]（1）合金钴相分布的均匀性对物理力学性能没有明显的影响。

[size=1em]（2）使用ICALIBUR 钴相分析软件可以直观地对硬质合金钴相分布均匀性进行定量分析，方法简便快速。对3 种棒材钴相均匀性分布检测发现，钴相质量分数在5%～7%的微区间，样A 为50%，样B为66%，样C 为80%。合金钴相分布越均匀，局部微区钴相质量分数与合金整体钴相质量分数越接近。

[size=1em]（3）合金钴相分布不均匀会导致刀具寿命下降。3 种不同钴相均匀性的棒材被制成PCB 铣刀后，0.8、1.2、1.6 mm 规格钴相均匀性较差的样A、样B 比钴相均匀性好的样C 寿命分别低38%、30%、20%。铣刀刃径越小，钴相分布均匀性对铣刀的寿命影响越大。

[size=1em]参考文献

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[size=1.8em]Influence of Cobalt Phase Distribution Uniformity in Ultrafine Cemented Carbides on Performance of PCB Milling Cutters

[size=1em]Ling Ping1 Zeng Ruilin2,3 Liao Jiepei1 Fang Xiaolin1
（1.Shenzhen Jinzhou Precision Technology Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong 518100,China;2.State Key Laboratory of Cemented Carbide,Zhuzhou Hunan 412000,China;3.Zhuzhou Cemented Carbide Group Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412000,China）

[size=1em]ABSTRACT Three types of ultrafine cemented carbide rods with different cobalt phase uniformity and a cobalt mass fraction of 6% were made into PCB milling cutters. The physical and mechanical properties, microstructure, and milling cutter performance of the three types of ultrafine cemented carbide rods and PCB milling cutter samples were compared.The cobalt phase distribution uniformity of the cemented carbide rods was quantitatively analyzed using ICALIBUR cobalt phase analysis software,and the influence of cobalt phase distribution uniformity on the performance of PCB milling cutters was studied. The results indicate that the uniformity of cobalt phase distribution is not reflected in the physical and mechanical properties and can only be detected through direct cobalt phase distribution detection methods.The detection of cobalt phase analysis software shows that the mass fraction of the cobalt phase is in the range of 5%～7%.Sample A is 50%;sample B is 66%, and sample C is 80%. After the PCB milling cutter is made, the life of sample A and sample B with poor cobalt phase uniformity is more than 20%lower than that of sample C with better cobalt phase uniformity.Poor cobalt phase distribution uniformity can cause uneven hardness in the local area of the cutting edge of milling cutters made of cemented carbide rods,resulting in uneven wear and chipping during use,leading to reduced service life.

[size=1em]KEY WORDS cemented carbide rod;cobalt phase distribution uniformity;cobalt phase analysis software;milling cutter;microstructure

[size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1003-7292.2024.03.003

[size=1em]引文格式：凌平，曾瑞霖，廖杰培，等.超细硬质合金钴相分布均匀性对PCB 铣刀使用性能的影响[J].硬质合金，2024，41（3）：190-195.LING P,ZENG R L,LIAO J P,et al.Influence of cobalt phase distribution uniformity in ultrafine cemented carbides on performance of PCB milling cutters[J].Cemented Carbides,2024，41（3）：190-195.

[size=1em]基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFB3806700）

[size=1em]作者简介：凌平（1968－），男，高级工程师，长期从事超细硬质合金的生产工艺管理、性能检测及质量控制研究。E-mail:lingzhi931007@sina.com。