【文章內容簡介】 高速工具鋼： 通用高速 鋼 高性能高速鋼 粉末高速鋼 低合金高速鋼 涂層高速鋼 （ 2）硬質合金： W 基硬質合金： 普通硬質合金 超微粒硬質合金 涂層硬質合金： 單涂層 多涂層 Ti 基硬質合金 本科畢業(yè)設計論文 14 （ 3）陶瓷刀具材料： 純氧化鋁陶瓷 混合陶瓷： 氧化鋁 金屬系陶瓷 氧化鋁 碳化物系陶瓷 氧化鋁 碳化物 金屬系陶瓷 氮化硅陶瓷 （ 4）多晶復合立方氮化硼 （ 5）金剛石： 天然單晶金剛石 多晶復合人造金剛石 （ 6）其他：鑄造合金、難熔硬化物等 現今 刀具材料 的發(fā)展勢頭異常迅猛 ，以上粗淺的分類方法 只是個大概，并不能涵蓋所有已經出現的刀具材料。我們先弄清大致的分類，心中對刀具材料有個籠統的了解，對主要研究方向的確立業(yè)有一定的幫助。 （另： 上述 分類并不是按照同一種標準 ，比如高速鋼的分類，就是好幾種分類標準，現在也都羅列了出來） 硬質合金分類及標志 按 GB2075— 87(參照采用 190 標準 )可分為 P、 M、 K 三類， P 類硬質合金主要用于加工長切屑的黑色金屬，用藍色作標志； M 類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標志，又稱通用硬質合金， K 類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，用紅色作標志。 P、 M、 K(后面的阿拉伯數字表示其性能和加工時承受載荷的情況或加工條件。數字愈小，硬度愈高，韌性愈差。 P 類相當于我國原鎢鈦鉆類，主要成 分為 WC 十 TiC 十 Co，代號為 YT。 K 類相當于我國原鎢鉆類，主要成分為 WC 十 Co，代號為 YG。 M 類相當于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為 WC+TiC+TaC(NbC)本科畢業(yè)設計論文 15 十 Co，代號為 YW。 YG 類（≈ ISO 的 K 類）：數字越大韌性越好；切鑄鐵、有色金屬、非金屬、高溫合金 YT 類（≈ ISO 的 P 類）：數字越小韌性越好；切碳素鋼、合金鋼 YW 類（≈ ISO 的 M 類）：數字越大韌性越好；切耐熱鋼、不銹鋼、普通鋼和鑄鐵 YN 類：數字越大韌性越好；切鋼和鑄鐵 粗加工： 選韌性好、耐沖擊的材料 精加工： 選硬度高、耐高溫、細 晶粒的材料 牌號與選擇： 表 31 幾種常用的硬質合金牌號、性能及使用范圍 本科畢業(yè)設計論文 16 硬質合金刀 具 材料 的幾種改良方向 硬質合金刀 具 材料在現代刀具材料中占有重要地位。比高速鋼有更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性等?？梢员雀咚黉摮蓴当兜奶岣咔邢魉俣?、生產效率及使用壽命。應用范圍極廣。 硬質合金刀具材料的研究現狀 由于硬質合金刀具材料 的耐磨性和強韌性不易兼顧，因此使用者只能根據具體加工對象和加工條件在眾多硬質合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面： （ 1） 細化晶粒 通過細化硬制相晶粒度，增大硬制相晶間表面積，增強晶粒間結合力，可使硬質合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當 WC 晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度，韌性，強度，耐磨性等均可提高，達到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質合金晶粒度為 3～ 5181。m，細晶粒硬質合金晶粒 度為１～１ .５181。m（微米級），超細晶粒硬質合金晶粒度可達０ .５ 181。m以下（亞微米，納微米）。超細晶粒硬質合金與成分相同的普通硬質合金相比，硬度可提高２ＨＲＡ以上，抗彎強度可提高６００～８００Ｍ Pa。 常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法，化學氣相沉積法，等離子沉積法，機械合金化法等。等徑側向擠壓法（ＥＣＡＥ）是一種很有發(fā)展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中，并沿某一與擠壓方向不同（也不相反）的方向擠出，且擠壓時的橫截面積不變。經過ＥＣＡＥ工藝加工的粉體晶?？擅黠@細化。 由于上述晶粒細化工藝 方法仍不夠成熟，因此在硬質合金燒結過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒，而晶粒普遍長大將導致材料強度下降，單個的粗大ＷＣ晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面，細晶粒硬質合金的價格較為昂貴，對其推廣應用也起到一定制約作用。 本科畢業(yè)設計論文 17 此種方法是通過細化晶粒來達到提高性能的目的，但目前的狀況是相對成熟的技術不經濟，相對經濟的技術不成熟，但這是個很有希望很有前途的研究方向，納米技術等尖端技術的發(fā)展也將推動這個方向的研究。不遠的將來，人們一定會研究出既經濟又實用的細化晶粒技術。 （２）涂層硬質合金 在韌性較好的硬質合金基 體上，通過ＣＶＤ（化學氣相沉積），ＰＶＤ（物理氣相沉積），ＨＶＯＦ（Ｈ igh Velocity OxyFuel Thermal Spraying）等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結合而提高硬質合金刀具的綜合性能。 涂層硬質合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高，通用性好，用于小批量，多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數，提高加工效率；涂層硬質合金刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動 控制；涂層硬質合金刀具的基體經過鈍化，精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。 上述特點決定了涂層硬質合金刀具特別適用于ＦＭＳ，ＣＩＭＳ（計算機集成制造系統）等自動化加工設備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質合金基體材料性和抗沖擊性較差的問題。 目前 TiN 是涂層刀具使用的主要涂層 ,但傳統的氮化物涂層 (如 TiN)硬度較低 ,耐磨性較差 ,尤其熱穩(wěn)定性差 ,限制了其在干式切削刀具中的應用。 [9] TiN 涂層的改進工作主要集中在新的 TiN 基合金和多元復合層 ,希望得到多元素組合的耐磨、 耐高溫涂層。通過引入合金元素 (如 Al、 Zr、 Cr、 V 等 )到TiN 涂層 ,形成新的多元涂層體系 ,可提高涂層硬度 ,改善涂層的抗磨損性和熱穩(wěn)定性。 [10] 目前將 Al 原子植入 TiN 晶格間形成的新型 TiAlN 涂層 ,已成為全球制造業(yè)中使用最廣泛的刀具涂層之一。 由于多元復合涂層綜合利用各種涂層成分的優(yōu)點 ,使其獲得更好的綜合性能 ,保證了非常好的耐磨性和韌性 ,減少積屑瘤的本科畢業(yè)設計論文 18 形成 ,并具有抗機械沖擊和抗熱沖擊性能 ,刀具壽命可大大提高。 [11] 研究者采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍 PVD 涂層工藝制備了 Ti N、 Ti Al N、 Ti N2 MoS2 和 CrTi Al N 復合涂層 ,對涂層的力學性能與切削性能比較試驗研究表明 ： 1) 納米壓入分析得到 4 種刀具涂層的納米硬度大小排序為 : CrTi Al N Ti Al N Ti N Ti N2 MoS2 ,涂層的彈性模量與硬度成正比關系 。 2) 在干式切削條件下 ,鉆削 PCr Ni 3MoVA 鋼時 ,涂層刀具的切削壽命長短排序為 : CrTi Al N Ti N2MoS 2 Ti Al N Ti N,表明多元復合涂層的切削性能明顯優(yōu)于單 純的 Ti N 涂層 ,是未來涂層刀具的發(fā)展方向。 [11] 30 余年來，涂層技術不斷發(fā)展， 表面涂層硬質合金刀具的使用性能不斷提高，得到了廣泛應用。過去，硬質合金表面涂層以 CVD 工藝為主，涂層溫度為 1000 ℃～ 1050 ℃；近年， PVD 工藝也在硬質合金刀具涂層上得到廣泛應用， 涂層溫度約為 500 ℃。 PVD 工藝溫度低，硬質合金刀具切削毋須鈍化，故刃口更鋒利；且表面殘余應力小，從而能承受沖擊性負荷（如銑刀）。早期，硬質合金刀具表面涂層以單層為主，涂層材料用 TiC、 TiN、 Al2O TiCN 等?，F在 多用三層、雙層或更多的層數 ,是上述 4 種材料的組合。 如 CVD工藝，常用 TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O TiCN/Al2O3/TiN； PVD 工藝，常用 TiAIN/TiN，有時也用 TiAIN或 TiCN 單層。 TiAIN 是后來發(fā)展起來的涂層材料，性能領先。 [12] 溶膠 凝膠法是一種借助于膠體分散系的制粉方法 ,基本原理為 :金屬醇鹽、水、醇及必要的催化劑組成溶液 , 經水解縮聚形成濕凝膠 , 濕凝膠經過干燥、熱處理 ,然后破碎得到超細粉末。在溶膠形成后也可以直接做成薄膜或纖維。 本科畢業(yè)設計論文 19 圖 31 典型的 溶膠 凝膠工藝流程 溶膠 凝膠法的應用越來越廣闊 , 許多粉末制備的技術已投入到實際生產應用。現在和今后的研究仍集中在新的粉末體系的制備。 采用金屬醇鹽、 絡合物溶膠制備復合材料 , 通過加入絡合劑調節(jié)水解合醇解活性 , 達到不同金屬離子共沉積的目的。溶膠 凝膠法制粉過程中防止粉末團聚、提高粉末的熱穩(wěn)定性問題也是一個研究的重要課題。溶膠 凝膠法作為一種化學合成方法 , 解決了 CVD和 PVD 涂層時涂層與基體間的界面結合強度低而涂層容易剝落的問題 , 但溶膠凝膠工藝迄今還沒形成工業(yè)生產 , 它還有一些缺點和不足之處 , 如原料成本高 , 處理過程中收縮量大 , 有機液對人的健康有害 , 處理時間長等。因此 , 溶膠 凝膠法是一種值得進一步研究的有潛力的制備硬質合金涂層刀具的方法。 [13] 此種方法類似于我國古代鑄造青銅劍時的分段 鑄制法，即把劍身和劍刃分別鑄造，劍身使用相對柔韌的材料，劍刃使用硬度較高的材料，以使劍鋒利而不易折。可正如同再好的青銅劍也不如鋼劍一樣，涂層硬質合金刀具的使用范圍也有限，而且只是改變了表面的性能，所以更好的解決辦法還是提高硬質合金刀具材料自身的性能。如何解決硬質合金刀具材料耐磨性與強韌性的矛盾還將會是 重要的研究課題。 本科畢業(yè)設計論文 20 （３）表面，整體熱處理和循環(huán)熱處理 對強韌性較好的硬質合金表面進行滲氮，滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質合金進行整體熱處理，可改變材料中的粘結成分與結構，降低 WC 硬質相的鄰接度，從而提高硬質合金的強度和韌性。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應力，可全面提高硬質合金材料的綜合性能。 熱處理永遠是讓材料獲得理想性能的 一個重要途徑。好的熱處理可以讓材料脫胎換骨。不僅是對硬質合金而言。加深理論方面的研究和做好試驗跟進，是提高熱處理的技術的重要手段。 （ 4）添 加稀有金屬 在硬質合金材料中添加 等稀有金屬炭化物，可使添加物與原有硬質相 WC， TiC 結合形成復雜固溶體結構，從而進一步強化硬質相結構，同時可起到抑制硬質相晶粒長大，增強組織均勻性等作用，對提高硬質合金的綜合性能有益處。在 ISO 標準的 P， K， M 類硬質合金牌號中，均有這種添加了 Ta(Nb)C 的硬質合金（尤以 M 類牌號中較多）。 添加稀有金屬碳化物是提高性能的方法之一，同時也提高了成本。但在某些場合，它確實能解決問題。多多加強此方面的實驗，找到經濟與性能的平衡點是這種方法的發(fā)展方向。 （ 5）添加稀土元 素 在硬質合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強化硬質相，凈化晶界，并改善炭化物固溶體對粘結相的潤濕性。添加稀土元素的硬質合金最適應粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號。此外，該類硬質合金在礦山工具，頂錘，拉絲模等硬質合金工具中亦有廣闊應用前景。我國稀土資源豐富，在硬質合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。 這種技術很適合我國的國情，白云鄂博的稀土藏量巨大，我國有條件也有能力在這方面做出突破，拉近和 發(fā)達國家的技術水平差距。 本科畢業(yè)設計論文 21 硬質合金刀 具材料的發(fā)展思路 應用晶須增韌補強，納米粉復合強化技術全面提高硬質合金刀具材料的硬度，韌性等綜合性能，是硬質合金刀具材料研究今后發(fā)展的重要方向。 （一） 晶須增韌補強技術 （ 1）增韌機理 由于硬質合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此很難應用于一些對刀具韌性要求叫高的加工場合（如微型深孔鉆削等）。解決這一問題的一種有效方法