【正文】 所以硬質(zhì)涂層材料。 涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué) 性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。實(shí)用情況表明，與未涂層的高速鋼刀具 相比，涂層后高速鋼 刀具 的切削力可降低 5～ 10％，由于涂層材料有熱屏障作用， 刀具 基體切削部分的切削溫度也有所降低；工件已加工表面粗糙度減?。坏毒?使用壽命顯著提高。而高速鋼基體的硬度僅為HV800～ 850。 TiN 的硬度為 HV1800 ～ 2021 ，密度為 ，熱導(dǎo)率為(m近十年中， 刀具 制造行業(yè)已從美國、日本引進(jìn)了近 10 套 PVD 涂層設(shè)備，已出售各種涂層高速鋼 刀具 產(chǎn)品。在美國、日本、德國，近一半的齒輪加工 刀具及立銑刀、鉆頭 等采用涂層， 提高了切削效率 ，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 涂層高速鋼 刀具 約在 1980 年出現(xiàn)在國際市場。涂層厚度為 5～ 10181。 — 般，涂層材料用 TiN、 TiC 等，但多采用 TiN。 我認(rèn)為 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼和低合金高速鋼都有其各自的用途 ，在很多場合低合金高速鋼都因其自身缺憾代替不了 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼的作用， 目前一些廠家虛假鼓吹低合金高速鋼的性能是不正確的，應(yīng)該引起重視，可也不能因此就把它一棍子打死。還存在多次高溫加熱后粗大組織的遺傳，使最后的淬火組織不正常，易出現(xiàn)過熱或欠熱現(xiàn)象。 但是，該工藝技術(shù)由于采用先滲 W、 Mo，再固溶處理，最后滲碳的多步形成表面高速鋼的方法。形成的碳 化物均勻、細(xì)小、彌散、一般呈粒狀分布，沒有粗大共晶萊氏體組織。該工藝技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是 : 形成的表面高速鋼層與基體是冶金結(jié)合，不存在著滲層與基體的剝落問題 。通過后續(xù)高溫淬火和高溫回火，使表面達(dá)到高速鋼的性能。其形成機(jī)理是通過在廉價的金屬材料表面，滲入合金元素 W、 M。新型低合金高速鋼的性能特點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度和韌性一般高于傳統(tǒng)高速鋼，二次硬化和 600℃ 以下的紅硬性略高于或接近于傳統(tǒng)高速鋼，但 600℃ 以上的紅硬性和高溫硬度低于傳統(tǒng)高速鋼，這是因?yàn)?W、 Mo含量大幅度降低引起的。低合金高速鋼的成分設(shè)計(jì)一般以高速鋼的基體成分為基礎(chǔ)，其 W、 M。 70 年代以后，由于合金資源短缺日趨嚴(yán)重，低合金高性能高速鋼的發(fā)展引起了 全世界的普遍貢視。因此節(jié)約本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 合金元素既有重要的戰(zhàn)略意義，又可節(jié)約鋼材成本。希望隨著技術(shù)的改進(jìn)，這種技術(shù)能變的更加經(jīng)濟(jì)。 我們有 理由相信技術(shù)性能高的粉末冶金高速鋼將會得到更廣泛的應(yīng)用 ，為金屬加工業(yè)帶來新的發(fā)展。日本著名的 OSG 公司用粉末冶金高速鋼制造了鉆頭、銑刀、絲錐， NACHI 公司制造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。中國鋼廠提供的品種較少，市場用量也很少。這類材料的高溫?zé)嵊捕雀?，又適合制造難加工材料所用的刀具，確實(shí)是面面俱到。 [16] 粉末冶金高速鋼具有良好的力學(xué)性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、 強(qiáng)度高而切削刃又必須鋒利的刀具 ，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動載荷下使用的刀具。碳化物 顆粒均勻分布的表面較大，不易從刀具的切削刃上剝落，小尺寸刀具耐磨性提高 倍，大尺寸刀具提高 2030%。高溫?zé)嵊捕纫脖热蹮捀咚黉撎岣?。 [15] 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 牌號為 CPM T15 的粉末冶金高速鋼 ，它的強(qiáng)度、韌性分別是同化學(xué)成分的熔煉高速鋼的 2 倍及 倍。用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融高速鋼水，得到細(xì)小高速鋼粉末，篩選后為 以下的顆粒；在真空 ()狀態(tài)下，密閉燒結(jié)達(dá)到密度 65%；再在 1100℃ 高溫、 300MPa 高壓下制成密度 100%的鋼坯，然后鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄 錠時要產(chǎn)生粗大碳化物偏析的問題，而它無論截面多大，其碳化物級別均為一級。 與普通高速鋼的冶煉相比， 粉末冶金高速鋼的冶煉更具有其特殊性和先進(jìn)性 。近年，河冶和天工兩家公司大批量的生產(chǎn)各類高性能高速鋼，兩家的鋼號基本相同，為推廣應(yīng)用高性能高速鋼刀具創(chuàng)造了有利條件。 20 世紀(jì)后期，中國在熔煉 高性能高速鋼的研制和應(yīng)用方面已有很大進(jìn)展，不僅仿制了國外的優(yōu)秀鋼種，如 M4 M35 等，還研制開發(fā)了具有中國特色的無鈷含鋁、少鈷含硅、 無鈷高釩含氮等高性能高速鋼種 ，性能很好。含鋁高速鋼是中國的一個獨(dú)創(chuàng)。鋁能夠提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，由于鋁化合物在鋼中能起 扎釘 作用，故鋼的常溫、 高溫硬度和耐磨性均得以提高 ，強(qiáng)度和韌性也都比較高，切削性能與 M42 相當(dāng)。后來 又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4Co3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但價格高于 V3N。在高釩高速鋼中也可加入適當(dāng)?shù)拟?，成為高釩含鈷高速鋼。 3) 高釩高速鋼 高釩高速鋼的釩含量為 3%～ 5%，同時加大含碳量，形成 VC 與 V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。鈷含量高、價格昂 貴，不適合中國國情。增加鈷含量還可改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)， M42 是美國在這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。同樣，還有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速鋼 ,但這種高性能高速鋼用得不多。與 W18Cr4V 相比 95W18Cr4V 的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當(dāng)。 高性能高速鋼 在通用型高速鋼的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整基本化學(xué)成分并添加其他合金元素， 使其常溫與高溫力學(xué)性能得到顯著提高 ，便可得到 高性能高速鋼。所以對它進(jìn)行研究也是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。 與硬質(zhì)合金相比，高速鋼最大的 特點(diǎn) 就是經(jīng)過長時間的發(fā)展應(yīng)用， 型號齊全，應(yīng)用廣泛， 從被發(fā)明起到現(xiàn)在依然有著旺盛的生命力 。 近年，全世界高速鋼年產(chǎn)量約為 16 萬 ~22 萬噸，中國高速鋼年產(chǎn)量已達(dá) 5萬 ~6 萬噸。 [14] 20 世紀(jì)中葉以后，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，各種難加工材料不斷涌現(xiàn)，通用高速鋼的性能已不復(fù)使用， 于是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼相繼出現(xiàn) ，使高速鋼刀具材料的性能得到了很大提高。某些優(yōu)質(zhì)高速鋼滾刀由于能在較高進(jìn)給速度下工作，每小時加工齒輪數(shù)可高于硬質(zhì)合金滾刀。 高速鋼主要缺點(diǎn)是紅硬性低 ，耐磨性差，剛性不足，在現(xiàn)代高速、高效、高精度加工中而略嫌不足。在現(xiàn)代切削加工中，它的使用范圍正在不斷縮小。這三種高速鋼的切削性能和力學(xué)性能近似，稱為通用型。高速鋼刀具可用 30m/min 的速度切削鋼材， 其效率比過去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國當(dāng)時的機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)贏得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 1898 年，美國機(jī)械與管理工程師泰勒 (Taylor .)和冶金學(xué)家懷特 (White M.)研制發(fā)明了高速鋼， 并作了系統(tǒng)切削試驗(yàn) 。 表 41 常用機(jī)夾高速鋼 刀具材料 牌號、性能及適用范圍 高速鋼牌號 淬、回 火硬度 HRC 抗彎 強(qiáng)度 (MPa) 沖擊 韌度 MJ/㎡ 6000C 下硬度 HRC 適用范圍 中國牌號 相似 I SO牌號 W6Mo5Cr4 V2 HS652 63～ 66 3500 ～ 4000 ～ 47 ～ 48 適于切削在 250～ 280HPS及以下的大部分結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵，也適于制作承受較大沖擊力的刀具，為通用型，切削速度不高于50～ 60m/min W9Mo3Cr4 V 64～ 66 4000 ～ 4500 ～ W6Mo5Cr4 V3 HS653 65～ 67 3200 可加工高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼以及纖維、硬橡皮、塑料等 W6Mo4Cr4 V2Co5 HS652 5 65～ 66 3000 54 由于耐磨性、耐熱性比較好、適于加工高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼、合金鋼、不銹鋼、鈦合金等。一般選擇原則是： 一） 當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較好時， 應(yīng)以耐磨性 、耐熱性為主 。 量大面廣，強(qiáng)度高、韌性好、性能比較 穩(wěn)定、工藝性好是高速鋼刀具材料的優(yōu)點(diǎn)。淬火后在 350℃ 以下低溫回火硬度下降在 350℃ 以上溫度回火硬度逐漸提高，至520~580℃ 范圍內(nèi)回火（化學(xué)成分不同，回火溫度不同）出現(xiàn)第二次硬度高峰，并超過淬火硬度，此為二次硬化。高速工個鋼的淬火溫度很高，接近熔點(diǎn)，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。鉻對鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作 用，對二次硬化也有一定的作用。碳化物的數(shù)量、類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。鑄態(tài)高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物，經(jīng)熱壓力加工后破碎成顆粒狀分布在鋼中，稱為一次碳化物；從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。退火狀態(tài)的高速工具鋼的主要合金元素有多、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等 元素。由于其具有紅硬性高、耐磨性好、強(qiáng)度高等特性，也用于制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸承和高溫彈簧等。當(dāng)切削溫度高達(dá) 600℃ 以上時，硬度仍無明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達(dá)每分鐘 60 米以上，而得其名。在以上介紹的諸多改進(jìn)方法中： 細(xì)化晶粒的技術(shù)不成熟 涂層硬質(zhì)合金是目前正在大量應(yīng)用的技術(shù)，有 相當(dāng)好的效果 添加稀土金屬適合我國國情，可以適度研究并推廣 晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)標(biāo)本兼治，值得大力研究發(fā)展 納米復(fù)合技術(shù)還不完善，也需要進(jìn)行此方面的研究 以上就是我得出的結(jié)論，我國在發(fā)展普通硬質(zhì)合金的同時，也需要 分重點(diǎn) 做好上述技術(shù)的改進(jìn)和革新。這導(dǎo)致了使用者只能根據(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 ，造成了諸多不 便。 硬質(zhì)合金刀具材料小結(jié) 硬質(zhì)合金刀具材料相比高速鋼刀具材料，它的優(yōu)點(diǎn)在于 更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性等，可以滿足更高的切削速度，具有更長的壽命。上述的理論提出了通過添加納米微粒來改善硬質(zhì)合金內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)，而由此引起的燒結(jié)期晶?？焖匍L大又必須通過添加碳化釩等抑制劑來控制。如以固溶體形式添加 VC抑制劑， WC，VC同時向 Co 相內(nèi)擴(kuò)散， V的溶解量有所減少，而 W的溶解量增加，孔隙充填更為容易，但同時也使 VC 的抑制作用下降；在冷卻過程中，由于部分 VC已經(jīng)以（ WW，V）的形式存在，使晶粒內(nèi)部的應(yīng)變減小，晶粒生長更趨完整，從而提高了硬質(zhì)合金的機(jī)械物理性能。由按不同方式添加抑制劑的 WC8%Co 硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，材料抗彎強(qiáng)度由較大提高。 （ 3）抑制添加方式 抑制劑的添加方式對超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響極大。 通常用于控制 WC晶粒長大的抑制劑 VC， Cr3C2 等，此外，添加的難溶炭化物還有 TiC,ZrC,NbC,MozC,HfC,TaC 等。晶粒長大現(xiàn)象主要發(fā)生 WC 的溶解沉淀過程中，即溶解在液相中并沉淀在較大 WC 晶體上而導(dǎo)致晶粒長大。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時極易快速長大，晶粒長大會導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個的粗大 WC 晶粒常常時硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。此外，彌散在硬質(zhì)合金基體材料中的納米顆?？梢种朴操|(zhì)合金晶粒在燒結(jié)過程中的長大，綜合提高硬質(zhì)合金材料的機(jī)械性能。當(dāng)在基質(zhì)材料中加入高彈性模量的第二相粒子（納米顆粒）后，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉伸作用時將阻止橫向截面收縮，而要達(dá)到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應(yīng)力，這樣就可以使材料消耗更多能量，起到增韌效果。因此，采用納米復(fù)合強(qiáng)化使改善細(xì)晶粒硬質(zhì)合金性能的有效途徑。因此，納米硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化應(yīng)用還有待時日。納米刀具材料的顯微結(jié)構(gòu)物具有納米級尺度， 由于尺寸效應(yīng)的作用，晶界面積增大 ，抗裂紋擴(kuò)張阻力提高，從而可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能（如斷裂韌性，抗彎強(qiáng)度，硬度等），表現(xiàn)出良好的切削性能。 （二） 納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù) （ 1）強(qiáng)化機(jī)理 納米技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)當(dāng)材料的晶粒尺寸達(dá)到納米級，就會產(chǎn)生許多特異性能。在微觀條件下進(jìn)行這種研究嘗試需要多次的實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，目前這種技術(shù)還未成熟。為達(dá)到此目的，應(yīng)根據(jù)刀具損壞方式的不同，分別優(yōu)選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的 WCCoSiCw 刀具進(jìn)行切削加工，以充分實(shí)現(xiàn)這種刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用。如晶須含量過多，會因燒結(jié)困難而難以獲得致密度高的材料組織，從而影響硬質(zhì)合金材料強(qiáng)度；如晶須含量過少，則晶須增韌效果不明顯，材料斷裂韌性提高有限，晶須可能非但起不到增韌作用，反而成為多余夾雜物甚至缺陷源。因此，在 制造 硬質(zhì)合金刀片時 應(yīng)考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊憽） ~ 晶須長度（ 181。我國目前使用的 SiCw 晶體特性見表 31。晶須的長徑比取值 10。m，長度范圍為 ~300181。這種方法目前尚在進(jìn)一步研究開發(fā)之中。這種方式目前使用較 廣泛。但研究重點(diǎn)應(yīng)放在單晶 SiC 晶須上，這是由于 SiC本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀（針狀） SiC 粉末體較易獲得。橋接的晶須可對基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。在基質(zhì)內(nèi)加入高彈性模量的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制。 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(kuò)展。晶須增韌機(jī)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。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 21 硬質(zhì)合金刀 具材料的發(fā)展思路 應(yīng)用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)，納米粉復(fù)合強(qiáng)化