1 硬质合金刀具材料的发展与应用

山东农机２００１年第２期，……。’、；材料工艺｝～。。ｔｔＩ‘ｔ。√’硬质合金刀具材料的发展与应用刘长付柳文进（济南轻骑发动机厂，２５００１３）硬质合金是由难熔金属硬质化合物和金属粘结性能，它既可用于加工钢料，又可用于加工铸铁和有剂经粉末冶金方法而制成的。它的硬度为ＨＲＡ８９～色金属，常被称为通用合金。这类合金通常用于加工９４，远远高于高速钢；在５４０℃时为８２～８７ＨＲＡ，与各种高合垒钢、耐热合金和各种合金铸铁、特硬铸铁高速钢常温时硬度（８３～８６ＨＲＡ）相同，并且，它还等难加工材料。如适当提高含钴量，这类合金便具有了更高的强度和韧性，可用于各种难加工材料的粗）ｊⅡ７－和断续切削。这类合金的发展极为迅速，品种繁多。如果不是出现了涂层硬质合金，这类合金可能是当今最盛行的一类硬质合金了。２碳（氮）化钛基硬质台金碳（氮）化钛（ＴｉＣ（Ｎ））硬质合金通常是以ＴｉＣ为主要成分的＂ｌ＇ｉＣ－－Ｎｉ－－Ｍｏ合金。这类合金具有硬度高（一般可达９１～９３．５ＨＲＡ，个别的为９４～９５ＨＲＡ。达到了冉瓷刀具的硬度水平）、耐磨性好和理想的抗我国常用的硬质舍金为碳化钨（ｗｃ）基硬质合月洼磨损能力，高速切削钢料时有较低的磨损事。此外，它还有较高的抗氧化能力、耐热性好（１１００～１８００℃高温下尚能进行切削）、化学稳定性好等优点。ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金具有接近于陶瓷的硬度和耐下面分另Ⅱ介绍各类硬质合金刀具材料的发展与热性，但抗弯强度却比陶瓷高得多，可用来制作商速精加工用的刀具材料，填补了ＷＣ基硬质合金与陶瓷材料之间的空白。近年来，Ｔｉｃ（Ｎ）基硬质台金的碳化鸽基硬质合金主要有钨钴（ｗｃ—ｃｏ）类硬强度得到不断的提１｛６，由７００～８００ＭＰａ提高到最近的１８００～２０００ＭＰａ。同时，其韧性也不断提高，且用可转位刀片又克服了焊接的困难。因此，它不仅用作精加工，丽且也扩大到半精加工、扭加工和间断切削。在钢的高速切削，特别是对表面粗糙度要求较低ＹＧ类合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金的粗加工和半精加工中，ＴｉＣ（Ｎ）基台金是最好的。西Ｃ—Ｎｉ—Ｍｏ合盒虽有很多优点，但也存在一些甸题：抗塑性变形性能差（低于ＷＣ基合金），抗磨ＹＴ类合金适合于加工塑性材料如钢材。ＹＴ类料磨损性能差，不适于加工耐磨材料（如铸铁、纤维玻璃等）和耐热合金，也限制了在低速切削中的应用。ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金经历了几个发展阶段，由于韧性不断提高，使用范围逐渐扩大。钨是地球上最稀Ｙｗ类合金兼具ＹＧ、ＹＴ类合金的大部分最佳缺的资源之一（８０年代初，据估计全世界已探明的资・１２・万　方数据具有化学稳定性好、耐热性高等优点。所以，目前虽然供使用的刀具材料品种很多，新型的刀具材料也不断出现，但硬质合金仍是很受欢迎的一种刀具材料。它所切下切屑的比重高达６８％以上。据报道，有的国家有９０％以上的车刀，５５蹦以上的铣刀都采用了硬质合金制造，而且这种趋势还在增加。它还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。同时，饺刀、立铣刀、加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具、拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。金。随着生产发展的需要，近些年来，又出现了碳化钛（ＴＩＣ）基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面藩层硬质合金等新品种。应用。１碳化鹤基硬质台盒质合金（ＹＧ）、钨钛钴（ｗｃ一币ｃ—ｃｏ）类硬质含金（ＹＴ）、钨钛钽（铌）钴（ｗＣ—ＴｉＣ－－ＴａＣ（ＮｂＣ）一Ｃｏ）类硬质合金（ＹＷ）－－类，它们各有优缺点，但其主要成分均为ＷＣ。属材料，与Ｙ１９Ｅ台金相比，有较高的抗弯强度和冲击韧性，同时导热性较好。合金具有较高的硬度，特别是较高的耐热性。高温时的硬度和抗压强度比ＹＧ类高，抗氧化性能好。另外，加工钢材时，ＹＢ《合金有很高的耐磨性。但Ｙ磺不宜于加工钛合金、硅、铝合金。第２期２００１年刘长付等：硬质合金刀具材料的发展与应用源只够用５０年），１９８４年世界为生产硬质合金而消耗用ＤＢＷ合金圆弧刀可加工２００００～４３０００个零件；而的钨为１４０００～１５０００ｔ，相当于世界钨产量的４０％～Ｍ２（Ｗ６Ｍ０５Ｃｒ４Ｖ２）高速钢刀具却只能加工３００个５０％，而全世界钛的蕴量约为钨的１０００倍。随着钨的零件。价格不断上涨（从１９６８～１９７８年的１０年间就上涨了３３．５用于自动车床倍），ＴｉＣ（Ｎ）基合金的使用量将逐年增加。据资料介４涂层硬质台金刀兵的应用及发展绍日本ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金（称为金属陶瓷）１９８６年涂层硬质台金刀具，是通过物理或化学气相沉的产量约占可转位硬质合金刀片的ｚｏ％，预计再过积技术或其他方法，在硬质合金基体上涂覆一薄层两三年可达到３０％以上。而前苏联ＴＩＣ（Ｎ）基合金使（一般只有几个微米）耐磨性高的难熔金属（或非金用量１９８０年比１９７５年增加了８倍。属）化合物。它是提高刀具材料耐磨性而不降低其韧ＴｉＣ（Ｎ）基硬质合金虽有许多优点，但却受到涂性的有效途径之一，也是解决刀具材料发展中的一层硬质合金的强烈竞争。对矛盾（材料硬度和耐磨性愈高，强度及韧性就愈３超细晶粒硬质舍金的应用和发展低）的很好方法。超细晶粒硬质合金是一种高硬度、高强度兼备涂层硬质合金刀具有比基体更高的硬度及耐磨的硬质合金。它具有硬质合金的高硬度和高速钢的性，有高的耐热性（可达８００～１０００℃）。如在常温时强度。超细晶粒硬质合金适合于在高速钢刀具耐磨的硬度为ＨＶ２０００，在１０００＂（７时仍能保持ＨＶｌ０００，而性不够及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切未涂层硬质合金却下降到ＨＶ５００。涂层硬质合金削速度过低而不宜使用传统硬质合金的情况下使刀具比未涂层硬质合金耐用度高（一般可提高１～３用。对于一些涂屡刀片不能发挥其优越性的情况下，倍，高的可达５～１０倍），切削速度高，进给量及切削这种材料更能显示其独特的效果。深度大。在用涂层刀片车削中，进给量高达０．５ｌ～超细晶粒硬质台金特别适合于下述的一些特殊０．７６ｍｍ／ｒ，同时切削深度达６．３５～７．６ｒａｍ也是不用途。罕见的。因此，能极大提高效率，改善工件表面质量，３．１因其具有高的硬度、强度和耐磨性，与加工材是近些年来硬质台金领域中取得的最大成就之一。料的相互吸附一扩散作用也较小，适用于加工航空涂层硬质合金的另一优点是通用性广，一种涂工业的超级合金，耐热合金，高强度合金和其他难加层刀片可代替几种非涂层刀片使用，因而可太大减工材料。如用ＹＳ：车刀在ｃｒ。，Ｎｉ：上镗孔时，刀具刃磨少硬质合金品种和库存量，简化刀具管理和降低刀一次的工件数为：ＹＴｌ５为４～５件，ＹＴ０５为２９～５０具成本。件，ＹＴ３０为１５～４２件，而ＹＳ：则可加工９０～１４０件。涂层硬质台金虽然有很多优点，而且使用量也３．２加工喷涂（焊）材料越来越大，但还不能完全代替普通未涂层的硬质合很多喷涂（焊）件用一般刀具无法加工，近几年金。涂层刀具不适宜特别重负荷下的粗加工和冲击国内外都在推行用立方氮化硼（ＣＢＮ）刀具来加工，大的间断切削及低速范围切削。同时，由于涂层前刀效果很好，但成本昂贵。因此，国内在推广喷涂（焊）片要经过刀刃钝圆处理，因此涂层刀片不适于进给工艺过程中，试验和生产了很多新牌号硬质合金如量很小（如ｏ．０１５ｍｍ）的精加工及高硬度材料（如ＹＤ０５、ＹＭ０５１、ＹＭ０５２、ＹＤｌ５、ＹＧ６００、ＹＧ６１０、ＨＢ３００以上的钢料、冷硬铸铁等）及带硬质夹杂的材ＹＧ６４３等，用于加工喷涂（焊）件都取得了很好效果。料。３．３用于精密刀吴硬质合金涂层刀片的出现是硬质合金刀具材料由于超细晶粒硬质合金刀具晶粒极细，可以磨领域的第二次“革命”，机夹可转位刀片的广泛应用得非常锋利、光洁。更增加了涂层工艺的实用价值。因此，涂层硬质合金３．４用于低速切削厦切断自６０年代研制成功以来，发展极为迅速。西方国家的超细晶粒硬质舍金特别适于在５０～６０ｍ／ｍｉｎ以涂层刀片已由１９７８年的２６％增加到１９８２～１９８５年的下的切削速度下工作。如用Ｒａｍｅｔｌ合金切断刀切断５０％～６０％。新的ＣＮＣ机床所用切削刀具中有８０％５０ＣｒＶＡ钢驱动轴时，每磨一次刀可切断６０个工件；左右使用涂层硬质合金刀具。目前，涂层硬质合金已・１３・万　方数据山东农机Ｚ００１年第２期硬态车削的实际应用马广蒉（山东光岳转向节总厂，２５２０００）转向节太轴承颈需中频淬火，淬火后的磨削加工是其加工难点之一。转向节材料多为４０Ｃｒ，中频淬火淬火硬度一般为ＨＲＣ５２～６２，淬层深度一般为３～７ｍｍ。转向节大轴承颈淬火后磨斟时易产生裂纹，有时产生裂纹的比例比较大，有时高达３０％以上。由于汽车转向节是汽车上的关键保安件，其性能直接影响汽车的转向性能和行驶安全。它需要１００％磁力探伤检查，如出现裂纹就是废品，所以仅磨削后出现裂纹这一项就会造成很大损失。由于引起裂纹产生的原因很多，往往一时很难找到真正的原因，通过查阅有关资料和根据产品的实际情况，决定采取新的加工方法来解决这一问题，即“以车代磨”。由于车削的是淬硬钢，就属于硬态车削的范畴。所谓硬态车削是指利用高性能刀具对淬硬工件（５５～６５ＨＲＣ）的车削加工。硬态车削同磨削相比有很多优点：一是车削加工效率高，一台车床可完成２～３台磨床的工作量，能量消耗是磨削的１／５，价格仅为磨床的１／３～１／２；二是车削可使零件获得良好的整体加工精度和表面质量。工件装夹次数减少，零件各表面间的位置精度和圆度就会大大提高。车削过程中产生的大部分热量被切屑带走，从而使零件具有优良的表面加工质量。三是在大多数情况下，硬态车削不必使用冷却液，不但节省冷却液费用，还有利于环境保护。由于硬态车削和非淬火钢车削相比，切削力增加３０“～１００％，切削功率增加１．５～２倍，所以硬态车削对机床有更高的要求，机床应具有高刚度、高转速、大功率等特点。选用高性能ＣＮＣ车床，功率２２／１５ｋｗ，选择切削速度为１２０ｍ／ｍｉｎ左右，进给量０．２５ｍｍ／ｒ，切深０．３ｒａｍ。另外硬态车削要求刀具材料具有良好的高温耐磨性。选用聚晶立方氮化硼（ＰＣＢＮ）刀具材料。根据加工工件的硬度（ＨＲＣ５２～６２）、加工余量（０．３ｍｍ）、尺寸精度等级６级，表面粗糙度要求Ｒａ＝０．８；摸索出刀具的几何参数，选取：前角７。＝１０。，后角％＝１０。；主偏角Ｋｒ＝４５。；刃倾角ｋｓ＝一５。；倒棱宽度ｂｒｌ＝０．２ｒａｍ；倒棱角度为一２０。；刀尖圆弧半径７．＝０．５ｍｍ。通过实际应用，选用的机床、刀具材料及几何参数完全可以满足加工要求，实测零件尺寸、表面粗糙度均能达到图纸要求，裂纹的发生率降倒３％以下，而且生产效率比以前磨削加工可提高一倍。这样完全解决了磨削淬火钢易产生裂纹的问题并取得了良好的经济效益。（ｑｔ稿日期２０００—１１—２０）由早期的ＴｉＣ（１９６９年）、ＴｉＮ（１９７１年）、Ａ１：Ｏ。（１９７２年）等单涂层发展到ＴｉＣ—ＴｉＮｎＣＮ—面Ｎ等双涂层及ｎｃ—ｍＮ—Ａｌ。ｏ。等３涂层，最多的可达１３涂层（如联邦德国的Ｗｉｄａｌｏｎ刀片）。金钢石涂层、立方氮化硼涂层及其它新涂层也已出现并得到应用，如日本住友电工的非晶体金刚石涂层工艺。当然，不同的涂层其性能和特点也不相同，对于不同的涂层最好使用与其匹配的硬质合金基体，以便获得良好的使用性能。我国于７０年代初就开始研究涂屡刀片，至１９９２年，我国已有的物理涂层设备每年可涂覆磨制钻头・１４・１２００万件，立铣刀３０～５０万件，齿轮刀具２万件。必须说明的是，虽然涂层硬质合金刀具的价格较之硬质合金刀具高４０％～１００％，但由于其切削性能好，耐用度高，所以分摊到每个零件上的刀具成本还是低于未涂层刀具，因此从经济指标来衡量也是有利的，应大力发展使用。●考文麓Ｉ高速■刀具材料的发晨与应用机械工人，１９９７．８２刀具材抖置其夸理选择．机藏工业出版社３刀具技术的生晨趋势．机藏制连．１９９７，３（收藕Ｂ期２０００—１２—２）万方数据