硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路

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1、硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路1引言材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年儿乎提髙一倍”。刀具材料己从20世纪初的离速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500〜600°C提高到1200°C以上，允许切削速度已超过1000m/min,使切削加工生产率在不到100年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发

2、展史。2常规刀具材料的基本性能1)高速钢1898年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%〜1.05%。高速钢貝有较高耐热性，其切削温度可达600°C,与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造儿乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铳刀等。但是，高速钢也存在耐桝性、耐热性较差等缺陷，已

3、难以满足现代切削加工对刀具材料越來越鳥的要求；此外，高速钢材料屮的一些主要元素(如鹄)的储藏资源在世界范围内丨I渐枯竭，据佔计其储量只够再开采使用40〜60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。2)陶瓷与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硕度、红硕性和耐會性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐川度为硕质合金刀具的10〜20倍，其红硬性比硬质合金高2〜6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于破质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近几十年來人们不断对其进行改进的重点。陶瓷刀具材料可分为

4、三大类：①氧化铝基陶瓷。通常是在A12O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达93〜95HRC,为提高韧性，常添加少量Co、Ni等金屈。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅某陶瓷为Si3N4+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硕度则与之相当。③氮化硅一氧化铝复合陶瓷。乂称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77%Si3N4+13%A12O3,硬度可达1800HV,抗弯强度可达1.20GPa,最适合切削高温合金和铸铁。3)金属陶瓷金属陶瓷与由WC

5、构成的硕质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co>Mo等构成。金属陶瓷的硕度和红硕性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度人丁•陶瓷材料，小于硬质合金；化学稳定性和抗氧化性好，耐剥离轉损，耐氧化和扩散，具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。金属陶瓷刀具的切削效率和工作寿命高于硬质合金、涂层硬质合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；山于金属陶瓷与钢的粘结性较低，因此用金属陶瓷刀具取代涂层硬质合金刀具加工钢制工件时，切屑形成较稳定，在自动化加工屮不易发生长切屑缠绕现象，零件棱边基本无毛刺。金屈陶

6、瓷的缺点是抗热震性较差，易碎裂，因此使用范围冇限。4)超硬材料人造金刚石、立方氮化硼(CBN)等具有高破度的材料统称为超破材料。金刚石是世界上已知的最破物质，并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性能，可用于铝、铜等有色金属及其合金的精密加工，特别适合加工非金属硬脆材料°1955年，美国GE公司采用高温高压法成功合成了人造金刚石，1966年又研制出人造聚晶金刚石复合片(PCD),自此人造金刚石作为一类新型刀具材料得到迅速发展。但由于金刚石中的碳在高温下易与铁元素作用而迅速溶解，因此金刚

7、石刀具不适合加工铁基合金，从而大大限制了金刚石在金属切削加工中的应用。立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石，但其氧化温度高达136CTC，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此，虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备，但仍是适合钢类材料切削、具仃高耐會性的优良刀具材料。由于CBN具冇高皎度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能，因此特别适介加工高硕度、高韧性的难加工金属材料。如采用CBN可转位刀片干式精车淬硕齿轮，每个齿轮的加工成本可降低60%；采用配装球形CBN刀片的立铳刀

8、精铳人型硕质磨具，磨削时间可比传统工艺减少80%oCBN材料的不足Z处是韧性较差的问题尚待解决。4)硕质合金破质合金由Schroter于1926年首先发明。经过儿十年的不断发展，硬质合金刀具的硬度已达98〜93HRA,在1(X)O°C的高温下仍具有较好的红硕性，其耐用度是高速钢刀具的几十倍。硕质合金是由WC、TiC、TaC>NbC、VC等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁族金属用粉末冶金