刀具材料的研究现状及展望

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1、刀具材料的研究现状及展望2012034110李贺【摘要】随着难加工材料的FI益增多以及对加工效率的要求的提高，刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接影响。本文以刀貝材料为主线，介绍了高速钢、硕质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的性能以及现状。根据刀具材料的优缺点提出其适合的加工切削条件，同时在理论层面提出对未来发展的思考。【关键词】高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料；研究现状；展累1刀具失效形式和性能要求刀具磨损是刀具的主要失效形式，常见的失效形式有：磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损等正常磨损；卷刀

2、、崩刃、崩碎、打刀等非正常磨损［l］o由此，刀貝材料应具有良好的力学性能，另外还应具有良好的工艺性能以及可最大限度降低刀具成本的经济性［2］。2高速钢刀具材料高速钢刀具材料可分为传统熔融高速钢、粉末冶金高速钢和少无莱氏体高速钢。但随着加工材料的发展，虽然其能满足通用工程材料切削加工的要求，但其性能已不够先进。2」传统熔融高速钢熔融高速钢刀具材料分为：普通高速钢；高性能高速钢。普通高速钢具有较好的塑性，常温硬度63〜66HRC,而在高温下，駛度很差。高性能高速钢的硬度普遍比普通高速钢提高2〜4个HRC,高温

3、硬度也较好，但是其抗弯强度、韧性较低［3］。2.2粉末冶金高速钢、少无莱氏体高速钢粉末冶金高速钢及少无莱氏体高速钢解决了熔炼高速钢在冷凝过程屮产生的粗大碳化物偏析及碳化物粗大问题。少无莱氏体钢在热处理时需耍进行渗碳处理提高表层的含碳量，以增加硬度，表层经淬火及回火后硕度可达66〜67HRC以上，成为超硕高速钢。少无莱氏体高速钢刀具有芯韧表硕的特点，具有好的综合性能［4］。3硬质合金刀具材料硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金屈（称粘结相）。近年来随着材料技术的发展，将其分为P、M、K、H、S

4、、N六个系列［5］。P类，主要用于切削钢材；K类，主要用于切削铸铁；M类，为普通型硕质合金；H类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢，冷硬铸铁等；S类，用于切削耐热材料、高温合金等；N类，用于切削冇色金属［6］。3.1传统硬质合金刀具材料分类：碳化磚基硬质合金、碳（氮）化钛基硕质合金。性能：硬度为89.5〜94HRA,具有较好的红硕性、耐磨性等综合性能，其适于加工未淬火的钢材。3.2超细品粒硕质合金刀具材料超细晶粒硕质合金的WC粒度一般为0.2〜1.0um,大部分在0.5以下，硕度一般为90〜93HRA,抗弯

5、强度为2000〜3500MPa,与加工材料的相互吸附扩散作用较小，特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢，不能进行高速切削易折损的小直径整体立铳刀和整体钻头以及其它难加工材料。我国的株洲、口贡两家硬质合金厂也开展了超细硬质合金的研发工作，获得了晶粒尺寸小于500nm的合金⑺。3.3金属陶瓷刀具材料金属陶瓷的性能介于陶瓷和WC基硬质合金之间，它既保持了陶瓷的高强度、高硬度等特性，又具冇较好的金属韧性和可塑性等。适合于对淬火钢、高强度钢以及铸铁的加工，可用于高速切削各种钢材，尤其适于钢材的精加工和半精加工。现在，

6、又发展了超细微粒金屈陶瓷刀具和纳米涂层刀具，其性能较硕质合金都要高很多［8］。4陶瓷刀具材料陶瓷刀具的硬度、耐磨性、红硬性极好，常温硬度可达92.5〜94HRA,即使在1200°C,硬度也能达到80HRA［9］o然而，陶瓷刀具的抗弯强度、热导率、韧性等很低，在温差大或有较大冲击载荷时，刀具容易失效。4.1氧化铝/氮化硅基陶瓷刀具材料AL2O3基陶瓷刀具以A12O3为主，添加了少量碳化物、氧化物等，具冇较好的力学性能。尤其A12O3梯度功能陶瓷刀貝的自励性，使刀具崩刃后仍能进行正常切削。Si3N4基陶瓷刀具

7、比A12O3基陶瓷刀具具冇更好的力学性能。尤其Si3N4陶瓷的复合材料，能在不改变原有硕度的基础上，使陶瓷刀具的红硬性、抗热冲击性、韧性等进-步改善。4.2晶须増韧陶瓷刀具材料晶须增韧陶瓷刀具材料是在A12O3或Si3N4基质材料中添加一定量的SiC晶须或TiC品须，捉升韧性、导热率、硬度。5超硬刀具材料超硬材料刀具具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点，近几年來由于改进了生产工艺，其应用范围不断把扩大。超硬刀貝材料有很多种，应用最广泛的是金刚石刀具材料以及立方氮化硼刀具材料。5」金刚石刀具材料天然单晶

8、金刚石的韧性极差，高温易碳化，加之天然金刚石刀具价格昂贵,资源冇限，其应用范围受到很大限制。PCD、PDC刀具不仅具有高硬度，同时还具有良好的强度和韧性，克服了天然单品金刚石韧性差的缺点。目前，PCD、PDC刀具材料广泛应用于有色金屈、硕质合金、陶瓷、非金屈材料、复合材料的切削加工［10］。5.2立方氮化硼（CBN）刀具材料立方氮化硼分为单晶立方氮化硼（CBN）和聚晶立方氮化硼（PCBN）。由于单晶CBN的晶粒直径小等缺点，不