机械加工中刀具材料的应用与发展趋势

金属切削加工是现代机械制造工业中一种最基本的加工方法,在其过程中,刀具直接完成切削余量和 形成已加工表面的任务,而刀具材料又是决定刀具切削性能的根本因素,它对加工效率、加工质量 、加工成本以及刀具耐用度的影响极大。就拿切削速度来说,在最初使用碳素工具钢作为刀具材料 时,切削速度只有每分钟10米左右;19世纪末20世纪初出现了高速钢刀具材料,切削速度提 高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金,切削速度提高到每分钟100500米;20世 纪中叶以后又出现了复合陶瓷、金刚石、CBN超硬刀具材料等,高速钢和硬质合金则发展了许多 新品种。迄今,已使切削速度提高到每分钟一千米以上。历史事实表明,在切削加工的发展过程中 ,刀具材料始终是最积极的因素。同时,被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。因此 ,我们应当重视刀具材料的正确选择和合理使用,关注新型刀具材料的研制和发展趋势。1刀具材 料应具备的性能性能优良的刀具材料,是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦 、高压、高温下工作,应具备如下的基本要求:一是高硬度和高耐磨性;二是足够的强度与冲击韧 性;三是高耐热性、导热性和小的膨胀系数;四是良好的工艺性和经济性。2常用刀具材料常用刀 具材料有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、超硬刀具材料和陶瓷。碳 素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差,仅用于手工工具。陶瓷和超硬刀具材料则由于性质脆、工 艺性差及价格昂贵等原因,目前尚在有限的范围内使用。当今,用得最多的为高速钢和硬质合金, 几乎各占一半。2.1高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具 钢,有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单,容易刃 磨成锋利的切削刃,锻造、热处理变形小,目前在复杂的刀具,如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具 和成形刀具制造中,仍占有主要地位。2.2硬质合金硬质合金是高强度难溶的金属化合物(主要 是WC、TiC等,又称高温碳化物)微米级的粉末,用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶 金制品。其中高温碳化物的含量超过高速钢,绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、钻孔绞刀等均 已采用其制造,切削速度可达到100200m/min以上,是最主要的刀具材料之一。但因 其工艺性较差,用于复杂刀具尚受到很大限制。3新型刀具材料3.1涂层刀具涂层刀具材料是近 20年出现的一种新型刀具材料。它是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上,涂覆一层 耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的,是刀具材料发展中的一项重要突破。涂层技术可提高刀具 的耐磨性而不降低其韧性,较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展 的一次革命。从上世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后,到198 1年就把普通硬质合金刀具的切削速度从80m/min提高到300m/min。在高速钢基体 上刀具涂层多为TiN,常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆,相当于一般硬质合金的硬度,耐 用度可提高25倍,切削速度可提高20%40%;在韧性较好的硬质合金基体上,涂层多为 高耐磨、难熔化的金属化合物,一般采用化学气相沉积法(CVD法)涂覆,表面硬度可达250 04200HV。目前,各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用发展非常迅速。处于领先 地位的瑞典,在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70%80%,在铣削方面已达到50%以 上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料,也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻 铸件。3.2稀土硬质合金稀土硬质合金是硬质合金材料的一个新品种。它是在各种硬质合金刀具 材料中,添加了少量的稀土元素。稀土元素是指化学元素周期表中原子序数为5771(从La 到Lu),再加上21和39(Sc和Y)的元素,共17个元素。将某些稀土元素,以一定方式 ,微量添加到传统的硬质合金牌号中,即可有效地提高它们的机械性能与切削性能。添加稀土元素 后硬质合金的组织比较致密;室温和高温硬度都有所改善;断裂韧性和抗弯强度显著提高,分别提 高20%和10%以上;其耐磨性和使用寿命也均有不同程度的提高。稀土硬质合金刀片在切削时 表层有富钴现象,故能降低切屑、工件与刀具间的摩擦系数,从而可以降低切削力。因此,它在机 械加工中发挥着重要作用。我国对稀土硬质合金的研究开发,领先于其他国家。3.3超硬刀具材 料超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和CBN(立方氮化硼)。由 于天然金刚石价格比较昂贵,所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼( PCBN),以及它们的复合材料。上世纪中叶,美国利用人造金刚石微粉和人造CBN微粉在高 温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后,南非戴比尔(D eBeers)公司、前苏联和日本也相继研制成功。后来又推出了金刚石或CBN和硬质合金的 复合片。目前,又出现了人工合成大单晶金刚石,以及用CVD(化学气相沉积)法制出的金刚石 薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料,大大拓宽了超硬刀具材料的应用领域。我国超硬刀具材料的 研究与应用开始于上世纪70年代,现跃居世界上超硬材料生产大国之首。金刚石的优点是具有极 高的硬度和耐磨性,是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小,与非铁金属无亲和力,切屑 易流出,热导率高,切削时不易产生积屑瘤,加工表面质量好,能有效地加工非铁金属材料和非金 属材料。其缺点是韧性差,热稳定性低。三种主要金刚石刀具材料PCD、CVD厚膜和人工合 成单晶金刚石各自的性能特点为:PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高,抗磨损性和刃口质 量居中,抗腐蚀性最差;CVD厚膜抗腐蚀性最好,机械磨削性、刃口质量、断裂韧性和抗磨损性 居中,可焊接性差;人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好,焊接性、机械磨削 性和断裂韧性最差。各种不同形式的金刚石切削刀具能很好地相互补充,当然也存在一些相互交叉 的应用领域,在这些领域需对刀具产品进行合理选择。而立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材 料,它的硬度仅次于金刚石,并且热稳定性高,较适合于高速切削黑色金属。因此,超硬材料刀具 不仅是加工高硬度材料的理想刀具,而且适用于高速精密和自动化加工,尤其是用超硬材料刀具进 行以车代磨、以铣代磨,更具有高效、低耗、适应性强、缩短制造周期等优点,目前已在要求精度 高、批量大的汽车零部件加工中得到广泛应用。3.4新型陶瓷新型陶瓷刀具的出现,是人类首次 通过运用陶瓷材料改革机械切削加工的一场技术革命的成果。很早,德国与英国已经开始寻求采用 陶瓷刀具取代传统的碳素工具钢刀具。陶瓷材料因其高硬度与耐高温特性已成为新一代的刀具材料 ,但陶瓷也由于其人所共知的脆性受到局限。工程技术界努力研制与推广陶瓷刀具的主要原因,一 是可以大大提高生产效率;二是由于构成高速钢与硬质合金的主要成分钨资源在全球范围内的枯竭 。钨资源的稀缺与价格的攀升,在一定程度也上促进了陶瓷刀具的研制与推广,并取得了令人瞩目 的成果。就世界范围讲,德国陶瓷刀具已不仅用于普通机床,且已将其作为一种高效、稳定可靠的 刀具用于数控机床加工及自动化生产线;日本陶瓷刀片在产品种类、产量及质量上均具国际先进水 平;美国在氧化物-碳化物-氮化物陶瓷刀具研制开发方面一直占世界领先地位;中国陶瓷刀具开 发应用也取得许多重大成果。纯氧化铝陶瓷,其优点是在室温与高温时,硬度都高于硬质合金材料 ,且此时的抗压强度也都很好;缺点是在切削铁合金及钢件时,较易产生粘结磨损及缺口磨损。它 最适于高速切削硬而脆的金属材料,或用于大件机械零部件切削及用于高精度零件的切削加工;氧 化铝-金属系陶瓷的材料密度、抗弯强度及硬度均有提高,但其抗蠕变强度低,抗氧性差;氧化铝 -碳化物金属陶瓷,最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢,镍基或镍铬合金等, 还可用于非金属材料如纤维玻璃、塑料夹层及陶瓷材料的切削加工,亦可采用切削液进行湿式切削 ;氧化铝-氮化物金属陶瓷具有更好的抗热震性能且更适用于间断切削,但其抗弯强度与硬度都比 添加TiC的金属陶瓷低一些,对它的研究与深度开发仍在继续中;氮化硼陶瓷刀具在对硬度甚高 的铸铁进行切削加工时,刀具的头端不会发生常见的受热龟裂与缺屑;利用纳米材料制作的新型金 属陶瓷刀具材料有利于提高材料的强度、硬度和断裂韧性,这对开发和研制新型刀具材料具有重要 的意义;复合金属陶瓷刀具材料具有更好的耐磨性、耐热性和优良的切削性能,适合于淬硬钢、合 金耐磨铸铁、高强度钢等一系列超硬难加工材料的加工,也可以用来制作模具、喷嘴等耐磨、耐腐 蚀的机械零部件。4刀具材料的发展趋势纵观刀具材料发展的历史,结合我国的实际情况,新型刀 具材料的发展趋势是:因我国稀土元素资源蕴藏丰富,价格也不贵,稀土硬质合金刀具材料极有应 用前景;超硬刀具材料是一种先进的刀具材料,在生产中也有着广阔的发展空间;在超精密镜面切 削的高技术应用领域,天然金刚石起到了重要作用。人工合成大尺寸金刚石的成功为开辟新的应用 领域(如木材加工业)提供了可能。CVD金刚石薄膜和厚膜具有很高的机械强度和良好的热学性 能,尽管至今生产还未形成规模,但因其性能优异,且已迅速发展,表明其将在刀具工业中发挥积 极作用。PCD则向大直径、细粒度、高抗冲击、高热稳定性方向发展。随着更耐磨、更难加工的 工件材料日益增多,各类