硬質(zhì)合金刀具材料的現(xiàn)狀研究
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硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路
1.引言
切削加工是現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)妄温，國外切削加工在整個(gè)制造加工中所占比例約為80％～85％略匕，而在國內(nèi)這一比例則高達(dá)90％臊耳。 刀具是切削加工中不可缺少的重要工具拄渣，無論是普通機(jī)床懊玖，還是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床(NC)鱼的、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)喇伯，都必須依靠刀具才能完成切削加工阶女。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響颊糜。材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素秃踩，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用衬鱼。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)在一項(xiàng)研究報(bào)告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔l0年幾乎提高一倍”酿萄。刀具材料已從20世紀(jì)初的高速鋼序机、硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷、超硬材料等争峭，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上寥只，允許切削速度已超過1000m／min，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時(shí)間內(nèi)提高了100多倍。因此可以說冻找，刀具材料的發(fā)展歷程實(shí)際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史柏困。 本文回顧了常規(guī)刀具材料的基本性能，綜合評述了硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀帜蘑，提出采用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)清玉、納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)制備高性能硬質(zhì)合金材料的研究發(fā)展思路。 2.常規(guī)刀具材料的基本性能 (1)高速鋼 1898年由美國機(jī)械工程師泰勒(F. W. Taylor)和冶金工程師懷特(M．White)發(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料珍垦。高速鋼是一種加人了較多w惜施、Mo、Cr图呢、V等合金元素的高合金工具鋼叁丧，其含碳量為0.7％～1.05％。高速鋼具有較高耐熱性岳瞭，其切削溫度可達(dá)6000℃拥娄，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，其切削速度可成倍提高瞳筏。高速鋼具有良好的韌性和成形性稚瘾，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐姚炕、麻花鉆摊欠、齒輪刀具、拉刀柱宦、小直徑銑刀等些椒。但是，高速鋼也存在耐磨性掸刊、耐熱性較差等缺陷免糕，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求；此外忧侧，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲(chǔ)藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭堵沈，據(jù)估計(jì)其儲(chǔ)量只夠再開采使用40～60年，因此高速鋼材料面臨嚴(yán)峻的發(fā)展危機(jī)据篇。 (2)陶瓷 與硬質(zhì)合金相比便晶，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性担泥。因此润跟，加工鋼材時(shí)，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的l0～20倍谨斥，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍鸡魁，且化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點(diǎn)是脆性大侨直、橫向斷裂強(qiáng)度低支摹、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進(jìn)行改進(jìn)的重點(diǎn)靠婴。 陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷代郊。通常是在Al2O3基體材料中加人TiC、WC杀餐、SiC干发、TaC、ZrO2等成分史翘，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷刀具枉长，其硬度可達(dá)93～95HRA，為提高韌性琼讽，常添加少量Co必峰、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷钻蹬。常用的氮化硅基陶瓷為SiN+TiC+Co復(fù)合陶瓷吼蚁，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當(dāng)问欠。③氮化硅一氧化鋁復(fù)合陶瓷肝匆。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學(xué)成分為77％Si3N4+13％A12O3+10％Y2O3顺献，硬度可達(dá)1800HV旗国，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵灭西。 (3)金屬陶瓷 金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同蝉速，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN枪素、粘結(jié)劑Ni咬跷、Co、Mo等構(gòu)成芹倔。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金，低于陶瓷材料氨鹤；其橫向斷裂強(qiáng)度大于陶瓷材料威脯，小于硬質(zhì)合金；化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好何煞，耐剝離磨損跨略，耐氧化和擴(kuò)散，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強(qiáng)度。 金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金烁犀、涂層硬質(zhì)合金刀具码日，加工出的工件表面粗糙度小视搏；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低审孽，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時(shí)，切屑形成較穩(wěn)定浑娜，在自動(dòng)化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)象佑力，零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點(diǎn)是抗熱震性較差筋遭，易碎裂打颤，因此使用范圍有限。 3．硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀 由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強(qiáng)韌性不易兼顧漓滔，因此使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料编饺，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進(jìn)一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能响驴，目前的研究熱點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面： (1)細(xì)化晶粒 通過細(xì)化硬質(zhì)相晶粒度透且、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力踏施，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性均得到提高石蔗。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時(shí)，材料的硬度徒锄、韌性轮拼、強(qiáng)度、耐磨性等均可提高安芋，達(dá)到完全致密化所需溫度也可降低才延。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5μm，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)售芳，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5μm以下(亞微米陈园、納米級)。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比肿犁，硬度可提高2HRA以上湘志，抗彎強(qiáng)度可提高600～800MPa。 常用的晶粒細(xì)化工藝方法主要有物理氣相沉積法整空、化學(xué)氣相沉積法羽抒、等離子體沉積法、機(jī)械合金化法等偶凝。等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細(xì)化工藝方法蝶锋。該方法是將粉體置于模具中陆爽，并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出，且擠壓時(shí)的橫截面積不變扳缕。經(jīng)過ECAE工藝加工的粉體晶粱疟眨可明顯細(xì)化。 由于上述晶粒細(xì)化工藝方法仍不夠成熟躯舔，因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒驴剔，而晶粒普遍長大將導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個(gè)的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素庸毫。另一方面仔拟，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價(jià)格較為昂貴，對其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用飒赃。 (2)涂層硬質(zhì)合金 在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上利花，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)载佳、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物炒事，可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。 涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性蔫慧，特別適合高速切削仁吟；由于其耐用度高、通用性好脯阔，用于小批量夏捣、多品種的柔性自動(dòng)化加工時(shí)可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率摇值；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強(qiáng)贵筹，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠茫步，有利于加工過程的自動(dòng)控制翼毡；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化、精化處理后尺寸精度較高拿豺，可滿足自動(dòng)化加工對換刀定位精度的要求既感。 上述特點(diǎn)決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動(dòng)化加工設(shè)備咱缭。但是挂悲，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題。 (3)表面俊戳、整體熱處理和循環(huán)熱處理 對強(qiáng)韌性較好的硬質(zhì)合金表面進(jìn)行滲氮彬祖、滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性品抽。對耐磨性較好但強(qiáng)韌性較差的硬質(zhì)合金進(jìn)行整體熱處理储笑，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度圆恤，從而提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性突倍。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能盆昙。 (4)添加稀有金屬 在硬質(zhì)合金材料中添加TaC羽历、NbC等稀有金屬碳化物，可使添加物與原有硬質(zhì)相WC淡喜、TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)秕磷，從而進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時(shí)可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大炼团、增強(qiáng)組織均勻性等作用澎嚣，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P存妇、K男软、M類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號中較多)唉奇。 (5)添加稀土元素 在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素灯烤，可有效提高材料的韌性和抗彎強(qiáng)度，耐磨性亦有所改善闻街。這是因?yàn)橄⊥猎乜蓮?qiáng)化硬質(zhì)相和粘結(jié)相欧蠢，凈化晶界，并改善碳化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性架讳。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適合粗加工牌號榴烦，亦可用于半精加工牌號。此外墨攻，該類硬質(zhì)合金在礦山工具拜殊、頂錘、拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景汹魁。我國稀土資源豐富匿党，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。 |
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