【文章內(nèi)容簡介】 （ 2）硬質(zhì)合金： W 基硬質(zhì)合金： 普通硬質(zhì)合金 超微粒硬質(zhì)合金 涂層硬質(zhì)合金： 單涂層 多涂層 Ti 基硬質(zhì)合金 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(fù)合立方氮化硼 （ 5）金剛石： 天然單晶金剛石 多晶復(fù)合人造金剛石 （ 6）其他：鑄造合金、難熔硬化物等 現(xiàn)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(jīng)出現(xiàn)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn) ，比如高速鋼的分類，就是好幾種分類標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在也都羅列了出來） 硬質(zhì)合金分類及標(biāo)志 按 GB2075— 87(參照采用 190 標(biāo)準(zhǔn) )可分為 P、 M、 K 三類， P 類硬質(zhì)合金主要用于加工長切屑的黑色金屬，用藍(lán)色作標(biāo)志； M 類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標(biāo)志，又稱通用硬質(zhì)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(biāo)志。 P、 M、 K(后面的阿拉伯?dāng)?shù)字表示其性能和加工時承受載荷的情況或加工條件。數(shù)字愈小，硬度愈高，韌性愈差。 P 類相當(dāng)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(dāng)于我國原鎢鉆類，主要成分為 WC 十 Co，代號為 YG。 M 類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為 WC+TiC+TaC(NbC) 15 十 Co，代號為 YW。 YG 類（≈ ISO 的 K 類）：數(shù)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(shù)字越小韌性越好；切碳素鋼、合金鋼 YW 類（≈ ISO 的 M 類）：數(shù)字越大韌性越好；切耐熱鋼、不銹鋼、普通鋼和鑄鐵 YN 類：數(shù)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(xì) 晶粒的材料 牌號與選擇： 表 31 幾種常用的硬質(zhì)合金牌號、性能及使用范圍 16 硬質(zhì)合金刀 具 材料 的幾種改良方向 硬質(zhì)合金刀 具 材料在現(xiàn)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?shù)倍的提高切削速度、生產(chǎn)效率及使用壽命。應(yīng)用范圍極廣。 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 的耐磨性和強韌性不易兼顧，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，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，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面： （ 1） 細(xì)化晶粒 通過細(xì)化硬制相晶粒度，增大硬制相晶間表面積，增強晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當(dāng) 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(dá)到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質(zhì)合金晶粒度為 3～ 5181。m，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒 度為１～１ .５181。m（微米級），超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)０ .５ 181。m以下（亞微米，納微米）。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，硬度可提高２ＨＲＡ以上，抗彎強度可提高６００～８００Ｍ Pa。 常用的晶粒細(xì)化工藝方法主要有物理氣相沉積法，化學(xué)氣相沉積法，等離子沉積法，機械合金化法等。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。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(jīng)過ＥＣＡＥ工藝加工的粉體晶?？擅黠@細(xì)化。 由于上述晶粒細(xì)化工藝 方法仍不夠成熟，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，而晶粒普遍長大將導(dǎo)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價格較為昂貴，對其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用。 17 此種方法是通過細(xì)化晶粒來達(dá)到提高性能的目的，但目前的狀況是相對成熟的技術(shù)不經(jīng)濟(jì)，相對經(jīng)濟(jì)的技術(shù)不成熟，但這是個很有希望很有前途的研究方向，納米技術(shù)等尖端技術(shù)的發(fā)展也將推動這個方向的研究。不遠(yuǎn)的將來，人們一定會研究出既經(jīng)濟(jì)又實用的細(xì)化晶粒技術(shù)。 （２）涂層硬質(zhì)合金 在韌性較好的硬質(zhì)合金基 體上，通過ＣＶＤ（化學(xué)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(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，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(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)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(zhì)合金刀具的基體經(jīng)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(zhì)合金刀具特別適用于ＦＭＳ，ＣＩＭＳ（計算機集成制造系統(tǒng)）等自動化加工設(shè)備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)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(tǒng)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(yīng)用。 [9] TiN 涂層的改進(jìn)工作主要集中在新的 TiN 基合金和多元復(fù)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(fù)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 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(fù)合涂層 ,對涂層的力學(xué)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(guān)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(fù)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(shù)不斷發(fā)展， 表面涂層硬質(zhì)合金刀具的使用性能不斷提高，得到了廣泛應(yīng)用。過去，硬質(zhì)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(zhì)合金刀具涂層上得到廣泛應(yīng)用， 涂層溫度約為 500 ℃。 PVD 工藝溫度低，硬質(zhì)合金刀具切削毋須鈍化，故刃口更鋒利；且表面殘余應(yīng)力小，從而能承受沖擊性負(fù)荷（如銑刀）。早期，硬質(zhì)合金刀具表面涂層以單層為主，涂層材料用 TiC、 TiN、 Al2O TiCN 等?，F(xiàn)在 多用三層、雙層或更多的層數(shù) ,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(lǐng)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(jīng)水解縮聚形成濕凝膠 , 濕凝膠經(jīng)過干燥、熱處理 ,然后破碎得到超細(xì)粉末。在溶膠形成后也可以直接做成薄膜或纖維。 19 圖 31 典型的 溶膠 凝膠工藝流程 溶膠 凝膠法的應(yīng)用越來越廣闊 , 許多粉末制備的技術(shù)已投入到實際生產(chǎn)應(yīng)用?，F(xiàn)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(luò)合物溶膠制備復(fù)合材料 , 通過加入絡(luò)合劑調(diào)節(jié)水解合醇解活性 , 達(dá)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(tuán)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(xué)合成方法 , 解決了 CVD和 PVD 涂層時涂層與基體間的界面結(jié)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(chǎn) , 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(jìn)一步研究的有潛力的制備硬質(zhì)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?？烧缤俸玫那嚆~劍也不如鋼劍一樣，涂層硬質(zhì)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(zhì)合金刀具材料自身的性能。如何解決硬質(zhì)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。 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(zhì)合金表面進(jìn)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(zhì)合金進(jìn)行整體熱處理，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，從而提高硬質(zhì)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(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。 熱處理永遠(yuǎn)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(zhì)合金而言。加深理論方面的研究和做好試驗跟進(jìn)，是提高熱處理的技術(shù)的重要手段。 （ 4）添 加稀有金屬 在硬質(zhì)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(zhì)相 WC， TiC 結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步強化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大，增強組織均勻性等作用，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能有益處。在 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的 P， K， 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）。 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(jīng)濟(jì)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(zhì)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(zhì)相，凈化晶界，并改善炭化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適應(yīng)粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號。此外，該類硬質(zhì)合金在礦山工具，頂錘，拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。 這種技術(shù)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(dá)國家的技術(shù)水平差距。 21 硬質(zhì)合金刀 具材料的發(fā)展思路 應(yīng)用晶須增韌補強，納米粉復(fù)合強化技術(shù)全面提高硬質(zhì)合金刀具材料的硬度，韌性等綜合性能，是硬質(zhì)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(shù) （ 1）增韌機理 由于硬質(zhì)合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此很難應(yīng)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是使用晶須增韌補強技術(shù)。 加入硬質(zhì)合金材料中的晶須能吸收裂紋擴展的能量，吸收能量的大小則由晶須與基體的結(jié)合狀態(tài)決定。晶須增韌機制主要表現(xiàn)為： 1）晶須在外界負(fù)載作用下從基質(zhì)中拔出時，因界面摩擦而消 耗掉一部分外界負(fù)載能量，從而達(dá)到增韌目的，其增韌效果受晶須與界面滑動阻力的影響。晶須與基體界面之間必須有足夠的結(jié)合力，以使外界負(fù)載能有效傳遞給晶須，但該結(jié)合力又不能太大，以便保持足夠的拔出長度。 2）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相時，裂紋將偏離原來的前進(jìn)方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴展。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有更大的斷裂表面，因此可吸收更多外界能量，從