（农业机械化工程专业论文）金刚石、氮化碳涂层刀具干切削性能的研究.pdf

摘要 当今机械切削加工领域大量使用切削液，目的是为了在切削加工过程巾冷却工 件、刀具和机械设备，此外还可以降低摩擦力和促进切屑排出切削区，但是由于使用 了切削液，增加了生产成本，同时对环境造成污染，损害人们的身体健康。随着废弃 物的处理对环境污染问题的r 益加重，人们急需要找到可持续发展的制造技术，现在 的研究工作主要集中在为：f 式机械加工的发展不断发展切削刀具，具体在改进制造技 术及刀具几何参数的优化、发展适用的合金刀具和涂层刀具等方而。本文主要对两种 涂层刀具( 金刚石涂层、氮化碳涂层) 进行研究，具体研究工作包括以下两部分： 1 金刚石涂层刀具的干式切削 金刚石薄膜涂层具有与天然金刚石相同的优异特性：高硬度，低擦系数，高耐磨 和高导热性能；金刚石涂层刀具适用于车削，特别适用于现代高速干式切削加工，高 速切削硅铝合金可提高生产率。本文通过用金刚石薄膜涂层刀具对硅铝合金进行干式 切削，探讨其切削性能。试验结果表明，金刚石薄膜涂层刀具的磨损是由薄膜的显微 断裂而逐渐脱落的过程；进给量是影响工件表面粗糙度的主要因素。在大量实验基础 上，建立表面粗糙度的数学模型。 2 氮化碳涂层刀具的干式切削 氮化碳是一种新型超硬材料，在高硬度、耐磨损、低摩擦系数和导热性等方面与 金刚石相似，同时没有金刚石的缺点，可以承受较高温度而不被氧化。生成氮化碳的 c n 元素构成牢固的共价键，使其化学稳定性、耐氧化性方面与陶瓷材料s i n 相似。 将氮化碳涂层应用于金属切削刀具，可用来加工不锈钢、耐热合金钢、球墨铸铁、钛 合金、高硅铝合金等难加工材料，可以大大提高刀具的耐用度和加工精度。本文采用 d c 反应磁控溅射法在硬质合金( y t l 5 ) 上沉积氮化碳超硬涂层，其显微硬度 h v = 7 2 0 4 g p a ，附着力达到j b t 8 3 6 5 9 6 标准的规定。将氮化碳涂层刀具应用于干切 削领域，通过对淬火钢的干式切削试验，研究氮化碳涂层刀具的切削加工性能。在淬 火钢加工中，刀具寿命较没有涂层的刀具有较大提高，效果明显，利用正交实验和回 归分析建立刀具使用寿命的数学模型，为氮化碳涂层刀具的实际应用打下基础；通过 对硅铝合金的干式切削，研究氮化碳涂层刀具的切削性能，试验表明，影响工件表面 粗糙度的主要因素是进给量。 关键词：氮化碳涂层，金刚石薄膜涂层刀具， 干切削磨损过程 a b s t r a c t t b d a y m a n ym a c h i n i n gp m c e s s e sa f ec o n d u c t e d 埘毛l lc u 挝i n gf l u i d s ，w h i c ha r eu s e d f o rc o o l j n gt h ew o r k p i e c e ，t h et o o la i l dt h em a c h i n ed 埘n gc u t t i n g f u n h e h n o r e ，t h e f r i c “o n p r o c e s s ；sr c d u c e da n dt h ec r e a l e dc h i p sa r er e m o v e d 矗o mt h ec u n i n ga r e a u n f o n u n a t e l y ，c o o l a n t sc r e a t eh i 曲c o a t si np r o d u c t i o na i l d c a l lb eh a z a r d o u st ot h e e n v i m n m e n ta n db u m a nh e a l t h 。 i n c r e a s i n g e n v i r o m e n t a l p o l l u t i o n a n d p r o b l e m s c o n c e m i n g w a s t e d i s p o s a l d e m a n dt h e d e v e l o p m e n t o f e c o l o g i c a lm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s t o d a y sr e s e a r c ha c t i v i t i e sa r ec o n c e n t r a t e do ni m p r o v i n gt h ep r o p e n i e so f c u n j n g t o o l sf 研d r ym a c h i n i n gb yo p t i m i z i n gm a n u f a c t i l r i n gt e c l u l o l o g i e sa n dt o o l g e o m e t r i e s ，b ya l l o y i n go fs p e c i a lc u n i n gm a t e r i a l sa n db yc o 砒i n go f t o o l s i nt h i sp a p e r t w oc o a t i n go ft o o l s ( c 3 n 4 一f i l m ，d i 撕o n d 彤m ) a r es t u d i e d ，m a i ns t u d yw o r ki n c l u d et h e f o l l o w i n gt w op a n s ： 1 t h ed i a m o n d6 l m c o a t i n gt o o l su s c di nd r y c u n i n g t h ed i a m o n d 矗l m sc o a t i n gh a s 船h i g hh a r d n e s s ，h i g hw e a rr e s i s t a n c e ，j o w 疗j c t i o n c o e 衔c i e n ta n dh i 曲t h e n l l a ic o r i d u c t i v i t y 舔t h en a t u m ld i a m o n d t h ed i a m o n df i l m s c o a t e dt o o i sa r eu s e df o rt u m i n 既e s p e c i a i l yf o rm o d e mh i g hs p e e dd r yc u m n t h e p r o d u c t i v j t yo fc u n i n gs i a la l l o yc a nb eg r c a t l yi m p r o v e db yu s i n gc u t t e rc o a t e dw i t h d i a m o n dn l mi nh i g hs p e e dd r yc u t t i n g i nt h i sp a p e r ，t h ed r y c u t t i n gt e s t sw e r ec a r r i e do u t b yd i a m o n d6 i m c o a t e dt o o lo ns i a ia l l o ya n dt h i st o o isc u t t i n gp r o p e r t i e sw e r cs t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew e a r i n gp m c e s so fd i a m o n d - f j l m c o a t e dc u n e ri s 舶mt h c m j c r o - c r a c k i n go f l h ef j l ma tt h eb e g j 加j n gt ot h eg r a d u a ld i d p p i n gi nt l l ee n d ；t h em a i n e 仃e c t i v ef a c t o ro fs u r f a c er o u g h n e s si sf e e d t l l ep a p e fe s t a b i i s h e st h em a t h e f n a t i c a lm o d e l o fs u r f 她er o u g h n e s st h r o u g hal a 唱en u m b e ro fc u m n ge x p e r i m e n t s 2 t h ec 3 n 4 一f i i m sc o a t i n gt o o l su s e di nd r y c u n i n g c 3 n 4i s an e wk i n do fs u p e r h a r dm a t e r i a la 1 1 d h 豁c o m p a r a b j ep r o p e r t i e s w i t h d i a m o n di n h j 曲h a r d n e s s ，w e a r r e s i s t 柏c e ，l o w 衔c t i o n c o e 伍c i e n ta n dt h e r n l a l c o n d u c t i v j t y i nt h i sp a p e f t h ed cm a g n e t i cs p u 甜e r e df i l mm e n l o dw a su s c dt od e p o s i t c 3 n 4f i l mo nc e m e n t e dc a r b i d e ( y t l5 ) ，t h em i c m - h a r d n e s sh v = 7 2 0 4 g p a ，a d h e r s i v ef o r c e w a s q u a i 6 e d t h es t a n d a r do f j b 厂r 8 3 6 5 9 6 t h i sc u t t i n gt o o lw 粥t e s t c dj nd r y c u t t i n ga r e a ， a n di t sc u t t i n gp r o p c n i e sw e r es t u d i e dt om a c h i n cq l l e n c h e ds t e e l t h ec u t t i n gc x p e r i m e n t s s h o wt h a t i nc u n i n go fq u e n c h e ds t lt h et o o l l i f eo ft h i sc u n e fi sl o n g e ft l a nt h a to f u n c o a t e dc u n i n gt 0 0 1 a l lo ft h i si n d i c a t e st h a tu l i sf i j mh a sg o o dc u t t i n gp r o p e m e s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft o o ll i f eo ft h ec u t t i n gt o o lj se s t 盆b l i s h e do nl b eb a s i so f o n h o t i c e x p e r i m e n t sa n dr e g r c s s i n ga n a l y s i s an 帆b e r o f d r y - c u n i n gi e s t sw e r ec 埘i e d 叫tb yc 3 n 4 埔l m c o a i e dt 0 0 lo ns i a la l l 0 y ，t h i sl o o l 7 sc 眦_ n gp r o p e n 池w e r es m d i e d 圮r e s u l t si n d i c a t et h a t1 1 h o m a i ne n b c 廿v ef a c c o ro f s u r f h c e m u g h n e s si s d k e y w o r d s ：c 3 n 4 丘l m ，d a m o n d 矗l m ，c o 啦dc u t t i n gt o o l d r y c u n i n g ，w e a rp m c s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也刁i 包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 揭浆 时间：夕棚 年月多广f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫拙等复 制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式存不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 拗斑 裂遂 删：缈忙月斯 时问：2 肘掣年占月胛 第一章绪论 1 1 金属切削理论研究概况 机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位，而金属切削加工在机械 制造业中起着举足轻重的作用。金属切削理论研究及刀具的设计、制造历来受到 机械制造行业的高度重视，而且，随着社会的进步，科学技术的发展，也对金属 切削加工提出了更高的要求。 金属切削作为一门技术可以追溯到古代，而应用切割机床加工金属还是近两 百多年的事。真正作为一门科学进行理论研究还是近百年开始的，方兴未艾至 a 1口 金属切削理论的研究，经过几代人的探索已达到了较高的水平，但是由于时 代的局限和科学技术手段的羁绊，人们还不可能把这门学科研究到尽善尽美的地 步。 刀具技术的发展离不开人们对金属切削机理的认识。在过去的几十年时间 里，随着科学技术突飞猛进的发展，人们对金属切削的研究已从宏观观察进入微 观定性、定量分析研究，从单因素的研究进入到多因素综合研究，从静态研究进 入到动态研究，研究手段已进入到“电子显微镜时代”了1 2 j 。 自上世纪六十年代开始，美、同、德、英等国先后采用近代先进的电子检测 仪器进行切削研究。例如：高压透射电子显微镜( h t e m ) ，扫描电子显微镜 ( s e m ) 、俄歇电子能谱仪( a e s ) 、电子探针显微分析仪( e p m a ) 、离子探针 质谱仪( i p m s ) 、能散射x 光分析仪( e d x a ) ，x 射线光电子谱仪( e s c a ) 和 x 光衍射仪等，甚至将扫描电子显微镜直接用于对切削过程进行动态观察研究。 这些先进的电子仪器的普遍运用，足当代金属切削理论发展的标志【2 】( 引。 同时，随着经济和社会的发展，人们对环境的要求越来越高，过去传统的生 产方式和落后的技术对环境的破坏引起广泛的重视，能否应用新技术新工艺来减 少制造业对环境的破坏，是二十一世纪全球面临的重大课题。金属切削技术是机 械制造业的核心部分，同样也面临着重大挑战，如何降低切削对环境的影响是金 属切削技术的个发展方向。 1 2 课题的背景和意义 2 0 世纪后半叶，经济高速发展对资源的无节制消耗，工业污染物的过量排放 等一系列问题引起了世界范围的环境问题，寻求新的制造模式以实现制造业的可 持续发展足制造业面临的主要挑战。 制造业中切削加工对环境的污染，其中最主要的是切削废液排放对环境和生 态造成的副作用。切削液在切削加工中主要起冷却、润滑、清洗和防锈等作用， 在过去和将来相当长的一段时间内，在金属切削加工中仍然需要使用切削液。那 么能否在切削过程中不用或少用切削液，这就是习前切削领域的研究热点之 干式和准干式切削。 干式切削加工就是在切削过程中刀具与工件及刀具与切屑的接触区不用切 削液的加工工艺方式，传统的切削加工铸铁就是如此。随着人们对环境保护意识 的提高，于式切削在切削加工中应用越来越广泛。西欧国家已有很多企业采用了 干式切削加_ t ，德国尤甚。同本的“生产设备市场”杂志选出的1 9 9 7 年月本自 动化行业的国内十大新闻中就包括“保护环境的加工技术具体化”。我国关于洁 净制造技术的研究正在兴起。干式切削加工已成为目前切削加工领域的研究热点 之一，也是绿色制造实施的具体体现“1 。 干式切削时，因没有切削液的冷却、润滑等作用而使切削加工中的热量增加， 导致切削温度升高，造成刀具磨损加剧、加工面质量变差等。随着切削技术、刀 具材料及制造技术的发展，干式切削加工在实际中得到应用成为可能。主要因为： 1 、刀具材料的发展使刀具能承受更高温度、更耐磨。从最初的碳钢到高速 钢，到硬质合金以及金属陶瓷刀具，在高温切削时仍能保持一定的硬度，但是工 件表面质量相对较差。 2 、涂层刀具的出现从某些方面促进了干式切削的应用。在普通刀具上加上 涂层，可以降低刀具与工件以及刀具与切屑表面之间的摩擦，降低切削热的产生， 同时隔断切削区的热量传入刀具，极大地提高刀具寿命，向时提高工件表面质量。 目前使用的刀具中有相当一部分是涂层刀具，新的涂层还在不断出现，使用涂层 刀具实现干式切削，其性价比远高于普通刀具和新材料刀具，并且制造简单适 合于批量生产。随着新技术新材料的出现，对新型涂层刀具性能的研究意义更加 重大。 1 3 本课题的主要任务 在综合分析了干式切削的发展和涂层刀具的出现之后，我们发现在干式切削 领域有很多问题需要我们去研究探讨，其中刀具是一个很重要的方面。主要包括： ( 1 ) 刀具材料的选择：( 2 ) 刀具材料与工件材料的匹配：( 3 ) 新型刀具的使用 和切削参数的优化。本课题主要就刀具材料的选择和切削参数的优化加以深入研 究。 本课题选择了“金刚石薄膜和氮化碳涂层刀具切削性能的研究”课题来进行 研究，研究的目的在于紧密围绕我国工业进步。特别是汽车行业的快速发展对机 械j j i l i 高速l ； j 削的需要，通过材料学和切削加工学及其它学科的交叉和综合， 探讨涂层刀具在于切削领域的应用，通过考察切削用量的变化对被加工表面粗糙 度的影响及切削用量对刀具的寿命的影响，进行切削用量的优化，深入探讨其磨 损机理，从而在理沦和技术上为涂层刀具在干切削领域的推广作些准备。 本文主要完成两项工作： 1 金刚石薄膜涂层刀具对硅铝合金进行干式切削，探讨其切削性能，检 测被加工表面的丰且糙度，拍摄刀尖积屑瘤照片，在大量试验数据基础 上，建立表面粗糙度的数学模型。 2 氮化碳涂层刀具对淬火钢进行干式切削，利用正交实验和回归分析建 立刀具使用寿命的数学模型；对硅铝合金进行干式切削，拍摄刀尖积 屑瘤照片，考察影响表面粗糙度的因素。 。 本课题的完成，不但对于涂层刀具的设计制造和磨损机理理论有创新性的意 义，而且对新型涂层刀具在千式切削领域的推广和应用，促进我国制造业的发展： 保护环境，促进经济发展具有重要的实际意义。 第二章刀具材料概述 2 1 刀具材料的发展简史 7 j 具材料的发展史，实际上就是不断提高刀具材料耐热性能的过程。 1 8 世纪后半期，采用碳素钢作车刀，由于耐热性很低( 2 0 0 左右) ，切钢时 的切削速度仅为6 8 m m i n ，切铸铁的速度为3 5m m i n 。用碳素工具钢车刀镗 自h 瓦特蒸汽机的一个大汽缸的孔和端面需用去2 7 5 个工作日。1 8 6 1 年英国人r 莫歇特( r o b e r t m u s h e t ) 制成含钨的合金工具钢。1 8 9 8 年美国人w 泰罗 ( w i n s l o w t a y l o r ) 和m 怀特( m a u n s e l w h j t e ) 研究成功了高速钢，最初的高速 钢含钨8 ，含铬3 6 ，切削速度达1 2m m i n 。1 9 0 6 年确定的高速钢最佳成分为： c o 6 7 ，w 1 8 9 1 ，c r 5 4 7 ，m 1 _ 0 11 ，v 一0 2 9 ，其余为f e 。从1 9 0 0 年到 1 9 2 0 年，出现了添加钒和钻的高速钢，使耐热性提高到5 0 0 6 0 0 ，同时还出 现了铸造钴基合金( 斯太立特合金) ，使切削速度达到了3 0 4 0m m i n ，切踌铁 的速度提高了近6 倍。高速钢的出现，引起了金属切削实践的革命，大大提高了 金属切削的生产率，并要求完全改变机床结构，以适应新刀具性能的要求。 1 9 2 5 年德国人k 史律太尔( k s c h r j t e r ) 发明了硬质合金。最初研制的是 w c c o 合金，耐热性达到了8 0 0 ，切削速度提高到4 0m m i n 以f ：。这种合金加 工籀铁时效果很好，加丁钢时的耐用度却很低。到了1 9 3 1 年，出现了在w c c o 合金中添加t i c ，即w c t i c c o 合金，其耐热性达到9 0 0 以上，切钢时的切削 速度达到2 2 ( ) m m i n 。这就是说，在这4 0 年问，由于刀具材料耐热性的提高， 切削速度提高了近4 0 倍，切削钢类硬质合金的出现，进一步完成了从w c c o 合 金玎始的机械加工的刀具革命”。 随着制造业的发展，新型刀具材判不断涌现，比如陶瓷刀具、金刚石刀具、 立方氮化硼等超硬材料刀具的出现，使切削加工的水平提高到一个崭新的水平， 切削速度大幅提高。使一些原来难加工或不可切削加工的硬脆材料的加工也成为 可能。 在现代刀具材料中，硬质合会占主导地位。出于制造质量的提高和添加了熔 点更高的碳化物( t a c n b c 等) ，制成了w c t i c t a c ( n b c ) 一c o 合金以及后来出现 的以t i c 为基本成分的t j c n i _ c o 合金，它们的耐热性提高到1 0 0 0 1 1 0 0 以 卜，j 翻而切削速度更高。1 9 6 8 年前后玎发的涂层硬质合金刀具是刀具材料领域 里的又一次革命，它促使切削加工水平和能力向前迈进了一大步，耐热性提高到 1 0 0 0 12 0 0 以i ：，随着新型涂层材料的不断涌现，新型涂层技术的不断发展， 硬质台会涂层刀具的使用领域不断扩大，在高速切削和超硬材料加工方面得到广 泛应用，其优良的性价比使硬质合金刀具的发展上了一个新台阶。 2 2 常用刀具材料 l 、碳素工具钢 碳素工具钢是指含碳量为0 6 5 1 3 5 的优质高碳钢，最常用的牌号是t 1 2 a ， 这类钢由于耐热性很差( 2 0 0 2 5 0 ) ，允许切削速度很低。只适宜做一些手动 工具及切削速度较低、切削用量较小的机用刃具。 2 、合金工具钢 合金工具钢是指含铬、钨硅、铝等合金元素的低合金钢种。最常用的牌号是 9 s i c r ，c r l v m n 等，合金工具钢有较高的耐热性( 3 0 0 4 0 0 ) 可以允许较高的 切削速度工作；此外，合金工具钢淬透性较好，热处理变形较小，耐磨性较好。 因此可以用于截面积较大，要求热处理变形较小，对耐磨性及韧性有一定要求的 低速切削刀具，如扳牙、丝锥、铰刀、拉刀等。 以上两类钢作为机床切削刀具材料的使用量都很少。 3 、高速钢 高速钢是一种加入了较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，常用 的牌号有w 1 8 c r 4 v ，w 6 醛0 5 c r 4 v 2 等，高速钢具有优良韵综合性能，是使用得较多 的一种刀具材料。 4 、铸造钻基合金( 斯太立特合金) 铸造钴基合金是一种含有l _ 3 碳和数量不等的钻、钨、铬、钒等成份的高钻 基合会。常用成份1 8 一3 0 9 6 c ，3 8 铲5 3 c o ，2 4 一3 3 c r 1 0 一2 2 w ，这种 材料具有高的耐热性( 与高速钢相比) 和抗弯强度( 与硬质合金相比) ，其常温 硬度虽不及高速钢，但高温硬度较高，故有较好的切削性能。铸造钴基合金适用 于切削速度对高速钢刀具来说太高，但对硬质含金来说又太低场合，例如在多刀 加工的机床上使用特别有利( 常常是一把刀支配其余刀具的切削速度) o 铸造钴基台金不象硬质合金那样容易崩刃，适于切槽和切断这样一些工序， 它能够加工多种合金和非金属工件，如铸铁和可锻铸铁、合金钢、不锈钢、镍和 钛合金、铝、黄铜和青铜、石墨和塑料等。 5 、硬质合金 硬质合金是由难熔金属碳化物( w c ，t i c 等) 和金属粘结剂( 如c o ) 的粉末 高温下烧结而成的，硬质合金可分为w c 基和t i c 基两大类。我国最常用的碳化 钨基硬质合金有钨钻类和钨钛钴类。 ( 1 ) w c c o ( y g ) 类硬质合金，这类合金由w c 和c o 组成。常用牌号有y g 3 x 、 y g 6 x 、y g 6 、y g 8 等，含c o 量分别为3 、6 、6 、8 ，主要用于加工铸铁及有色 金属。 ， t a b l e2 1 表2 1 常用硬质合盒的化学成分、机械性能及用途 c h e m i c a ic o m p o n lm c c h 捆i c a ip r o p e 币e s 卸da p p i i c a t i o n sf o rm 旬o rc 盯b i d e s 牌化学成分( )碰度抗弯使用性能使用范围 号w ct i ct a cc 0 h r 强度 ( n b c )g p 8 y g 3 x9 6 539 1 51 1是y g 类台金中耐磨性撮好的种，但 铸钱、有色金届厦台金的 冲击韧性较差精谴精车告金钢、沣火 钢及钎i 村科的精加工 y 6 6 x9 3 5 y g 69 4 89 2 69 l1 4 68 9 51 4 5 88 91 5 y t 3 06 63 04 9 2 5o 9 y t l 57 91 5 69 l1 1 5 y t 58 5 y w l8 464 y w 28 264 e9 0 51 2 i o8 9 。51 4 属细晶粒台金其耐磨性较y 6 6 高， 而使用强度接近与如6 耐磨性较高但低于6 x y c 3 x 韧性高于 y g 6 x y g 3 x 可使用较y g 8 为高的切削运度 使用强度较高，抗冲击和抗挥性篚坟瑚好， 耐磨性和允许的切削速度较低 耐磨性及允许的切b 速度较y t l 5 高 但使用强度及冲击韧性较差，焊接及 刃磨时极暑产生裂纹 耐磨性优于y t l 4 - 但抗冲击韧性较 y t i 4 差 使用强度高，抗冲击和抗振动性能好。但轻 v 聆穗摧耐磨牲爱竞许的切斛速度牧h 6 离 在y t 共合金中，强度量商，抗冲击和抗挥动 性能犀好，不易喇刃，担耐磨性轻羞 69 1 51 2热硬性较好，能承受一定韵冲击负荷 通用性较好 b9 0 51 3 5耐皤性稍次于j f i r l 台金。但使用强度 较高能承受较犬的冲击负荷 6 铸铁，台垒钢及耐热钢加 工，小型刀其和小摸数磨 刀 铸铁，有色金属及其合金 与非金属材料租辅加工 锋铁、有色金属盈其台盒 与非盒属材料的租加工 碳锕厦合金锶的精加工 碳钢及台金钢的半精加 工和精加工 碳锕厦台盘钢的租车不 平整丽翱阃新的半精车 和精车 碳锕及台盒钢的租加工 耐热锶，赢锰钢、不锈铜 辞难加工钢材的精加工 一般锕树、铸眭，有色盘 珥的辅加工 耐热钢、商锰锶，不锈锕 等难加工钢材的半精加 工，一般钢材、铸铁、有 色金属的半辅加工 ( 2 ) w c t i c c o ( y t ) 类硬质合金，这类合金中的硬质相处w c 外，还含有5 3 0 的t i c 。常用牌号有y t 5 、y t l 4 、y t l 5 及y t 3 0 ，t i c 含量分别为5 、1 4 、1 5 和3 0 ，相应的钴含量为1 0 、8 、6 及4 ，主要用于加工钢料。随着合金成分 中t i c 含量的提高和c o 含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。与 y g 类硬质合金比较，y t 类台金的硬度提高了，但抗弯强度、特别是冲击韧性却 显著降低。 ( 3 ) w c t i c t a c ( n b c ) 一c o ( y g ) 类硬质合金，这是在y t 类硬质合金成分 中加入一定数量的t a c ( n b c ) ，常用牌号有y w l 和y w 2 ，加入t a c ( c ) 可提高 抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化 能力和耐磨性，这类合金既可加工铸铁和有色金属，也可加工钢，因此常称为通 用硬质合金。 以上三类都是w c 基硬质合金，在实际生产中较为常用，表2 一l 为常用硬质 合金的化学成分、机械性能及用途。 6 、陶瓷 陶瓷是以a l ：o 。为基本成份在高温下烧结而成的，最近几年也发展了以氮化硅 为基本成分陶瓷。 ( 1 ) 氧化铝基陶瓷 纯a 1 ：o i 陶瓷：这类陶瓷的a l 。o ，纯度在9 9 9 以上，采用热压制成，其密度 多在3 9 4 0 9 c 耐之问，俗称白陶瓷，为了降低烧结温度，避免晶粒过分长大， 常在a l 。o 。中添加少量( o 1 0 1 5 ) 玻璃氧化物，如m g o 、n i o t i 吼、c r z o 。等。 添加玻璃氧化物对陶瓷的强度有好处，但高温性能却有所降低。 氧化铝一金属系陶瓷：为提高纯a l 。魄陶瓷的韧性可添加些数量不多( 1 0 以下) 的金属，如c r 、c o 、m o 、w 、t i 等，以构成所谓的金属陶瓷，其密度都在 4 1 9 c m 3 以上，在现在陶瓷刀具中，这类陶瓷牌号不多，由于这类陶瓷蠕变强度 低，搞氧化性能也差，故使用得较少。 氧化铝一碳化物系陶瓷：这类陶瓷是将百分之几到百分之几十的碳化物添加 到a l ：氓中热压( 温度1 5 0 0 1 8 0 0 。压力1 5 0 0 一3 0 0 0 陋p a ) 烧结而成，添加的 碳化物有1 、i c 、w c 等，使用得最多的是t i c ，在a l 。0 3 中添加t i c 而组成的a l z 魄 t i c 混合陶瓷( 俗称黑陶瓷) 的使用性能有很大程度的提高，我国生产的m 1 6 、 a t 6 、s g 3 、s g 4 均属此类陶瓷，后两种还加入了w c 的成分。 氧化铝一碳化物_ 金属系陶瓷，在氧化物一碳化物陶瓷中添加粘结金属，如 n i 、m o 、c o 、w 等，可提高a l 。魄与碳化物的连接强度，提高其使用性能，可用于 断续切削加工和使用切削液加工的场合。 以上几种陶瓷的基本成份是a l ：o 。，故统称为a l 。0 a 基陶瓷。 ( 2 ) 氯化硅陶瓷 氮化硅陶瓷是以高纯度s i 。粉末为原料，添加m g o 、a 1 。o ：，等为助烧结剂，进 行热压成形烧结而成，它是在上世纪七十年代出现的一种新刀具材料，它具有高 的硬度，耐磨性，耐热性和化学稳定性，良好的耐热冲击性，s i 。n 4 的显微硬度( 3 0 0 0 5 0 0 0l j v ) 很高，仅次于金剐石，立方氮化硼和碳化硼而居第四位。 7 、超硬刀具材料 ( 1 ) 立方氮化硼刀具 立方晶体氮化硼( c b n ) 是继人工合成会刚石之后，出现的利用超高温高压 技术获得的第二种无机超硬材料，它是由软的六方氮化硼( 白石墨) 在高温高压 下加入催化剂转变而成的。立方氮化硼热稳定性高以及与铁族元素的化学惰性 大，故多用切削淬火钢、冷硬铸铁、镍高温合金，其切削速度接近切削普通钢和 铸铁时采用的切削速度可以大大提高切削加工效率。精加工时可以达到i t l 级 精度，表面粗糙度可以达到r a 0 8 哺”以上。 由于c b n 材料主要用于切削淬火钢等高硬度材料，故可代替磨削而使加工效 率大大提高。此外切削在核能、宇航工业广泛应用的高温合会时，效果亦甚佳。 另外在碳纤维加强材料的高速镗孔，烧结金属的切削中亦收到很好的效果。而在 加工4 5 h k c 以下的钢材，磨损很快。 ( 2 ) 金刚石刀具 金刚石刀具的硬度和耐磨性，比之于其它任何刀具材料能高出1 2 数量级。 它用于切削很多耐磨有色金属耐用度极高，工序成本远低于使用硬质合金等其它 刀具材料。因此金刚石刀具在切削耐磨材料及非金属材料方面，应用越来越广。 金刚石刀具还有摩擦系数低于其它刀具材料的优点，金刚石刀具的导热系数高， 所以切削温度低；不易产生积屑瘤，所以用金刚石刀具加工的工件表面粗糙度低， 加工质量极高。因而在精密切削加工，如高精密车削及镗削等，都必须采用金刚 石刀具。金刚石刀具的刃磨费用约为硬质合金的1 0 2 0 倍，而耐用度约为硬质 合金的3 0 1 0 0 倍，所以使用时的经济效益是很高的“ 。 金刚石刀具及立方氮化硼刀具也存在一系列缺点，首先是价格高，其次是刃 磨困难，第三是强度较低，因此只能用于精加工，并要求机床、夹具、刀具、工 件系统的刚性比较高，无振动”1 。 刀具材料虽然繁多，根据统计资料，主要刀具材料仍然是高速钢和硬质合 金，f 刀具总量的9 7 9 8 ；陶瓷刀具材料f 与o 3 左右，会刚石及立方氮化硼 占o 2 一0 3 9 6 ，碳素工具钢和合金工具钢占1 一2 。但从发展趋势来看，硬质合 金、陶瓷及超硬刀具所占比例逐年增加，碳素工具钢及合金工具钢所占比例逐年 下降 第三章涂层硬质金刀具 3 1 涂层硬质合金刀具的发展 通过气相沉积或其他方法，在硬质合金刀具基体上涂复一薄层耐磨性高的难 熔金属( 或非金属) 化合物，是提高刀具耐磨性而不降低其韧性的有效途经之一。 这样就将刀具材料发展中经常要产生的一对矛盾( 材料硬度及耐磨性提高会导致 强度及韧性的降低) 很好地得到了解决。 涂层硬质合金从6 0 年代研制成功以来，发展极为迅速，特别是机夹可转位 刀片的广泛应用，更增加了涂层工艺的实用价值。在西方工业发达国家，涂层刀 片占可转位刀片的比例也逐年增加，近年来，随着数控机床的广泛应用，涂层刀 片获得了更大的应用空间，几乎占切削刀具的8 0 左右。 涂层硬质合金的发展大致可分为四个时期，6 0 年代来期涂层刀具出现时以 t i c 涂层为主，刀具基体就是一般的w c 基硬质合金，称为第一代涂层。第二代 涂层约在7 0 年代初期，这时对t i c 涂层作了很多改进控制了涂层与基体问脆 性大的n 相层厚度，并发展了t i n 、a l 。哦、h f n 等单涂层以及上述物质的双涂 层及三涂层，如t i c t i n 、t i c a l 。o ；t i c t i ( c n ) 一t i n 、t i c t i ( c n ) 一a 1 。0 。等。第三代涂层的开发是在7 0 年代中期，除了以上的几种涂层材料外， 还试验了新的涂层材料及超过三涂层的多涂层，并发展了与涂层材料匹配的特殊 硬质合金基体，使涂层刀片的强度性能得到了进一步的提高。第四代涂层则是新 的涂层材料的开发，包括金刚石、立方氮化硼和氮化碳等这些超碗材料涂层刀具。 随着新的涂层材料和新的涂层工艺出现，涂层刀具的综合性能大幅提高，不 仅能加工原先硬质合金不能加工的硬材料，同时也能适用于现代高速切削，由于 涂层的作用使刀具的耐高温性耐磨性得到很大提高，工件的加工表面质量也得到 很大地提高，并使干式切削在现代生产中的应用成为可能。 3 2 涂层硬质合金刀具的性能特点 1 、高的硬度及耐磨性 涂层物质硬度一般都比硬质合金基体的硬度高得多，因此涂层刀具有较高的 硬度。例如，t i c 涂层硬质台盒的硬度可达2 5 0 0 4 2 0 0 h v ，这就赋予涂层刀片较 高的抗机械摩擦和抗磨损的能力。 2 、高的耐热性 涂层刀片的耐热性可达1 0 0 0 1 2 0 0 ，高于硬质合金基体。如果在常温下涂 层川片的_ 6 | l ! 度为2 0 0 0 l l v ，在l 0 0 0 高温下仍能保持l o o o i v ，而未涂层硬质合金 的硬度这时会降到5 0 0 v 。不同碳化物的软化温度也不同，的软化温度为 9 11 0 0 ，t i c 为1 2 0 0 ，t i n 为1 3 0 0 ，如果考虑到钴的软化温度比w c 还低得 多，则r i j c 、t i c 涂层刀片的抗软化也比硬质台余基体高得多。涂层物质的导热 系数低于硬质合金，切削时使切削热大部分积聚在切屑中，传到刀片基体中的热 量减少，涂层起到了热障壁的作用，因而基体温度较低，可减少软化程度。 3 、高的抗粘结性能 a l ：o 。与工件材料的亲合性很小，其次是t i c 及t i n ，w c 与工件材料的亲合性 则大得多，因此涂层刀片与工件材料的亲合性较小，不容易产生粘结，减少刀具 与工件间产生粘吸作用，减少刀具的粘结磨损。 4 、高的化学稳定性 不同涂层物质与硬质合金和工件材料在高温下的反应特性不同，a l 。0 。涂层的 化学稳定性特别好，与工件材料几乎无反应，使刀具有较高的抗溶解于铁的能力， 在高温下对钢与铸铁的化学惰性好。t i c 与工件材料仅有轻微的反应，因此涂层 刀片比硬质合金基体有较好的抗化学磨损能力。 涂层还可明显减少刀具表面和工件材料的相互扩散作用。t i c 涂层既可阻止 工作材料中的铁扩散到硬质合金中，又可阻止硬质合金中的钨和钴扩散至钢中， 起到了扩散障壁作用。t i n 对铁族金属不易扩散，t i n 中溶解的铁量低于t i c 中 溶解的量，在高温下t j n 具有很好的阻止扩散作用，虽然t i n 涂层的硬度不及 t i c 涂层硬度高，但抗月牙洼磨损能力却较t i c 涂层优越。 a 1 ：o i 在常温时的硬度虽不及t i c ，但高温硬度高，在高速范围内其耐磨性比 t i c 涂层及t i n 涂层好，其月牙洼磨损率小于t i c 或t i n 涂层。 ( 5 ) 摩擦系数低 t i c 涂层刀片在切削时所形成的氮化钛薄膜可起润滑作用，故可降低摩擦系 数和摩擦力。t i n 与铁基材料的摩擦系数较t i c 更低。另外，其它一些涂层材料 与硬质合金相比对工件材料的摩擦系数对较低，如金刚石与铝，其摩擦系数仅为 硬质合金的一半左右“。 3 3 常用涂层材料及其特性 涂层刀具整体性能的优劣与基体材料及涂层本身的性能密切相关。常用的涂 层基体材料主要是硬质合金、高速钢等，涂层材料主要有t i c 、t n 、a l n 、a l ：魄、 余刚石等，涂层方式有单涂层及多涂层。涂层厚度通常在2 1 8 um 之间，较薄 的涂层比厚涂层在冲击切削条件下，经受温度变化的性能要好，这是凼为较薄的 涂层应力较小，不易产生裂纹。在快速冷却和加热时，厚的涂层就象玻璃杯极快 地加热冷却一样，容易碎掉，用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命高达 4 0 。表3 一l 足常见涂层的物理力学1 1 1 i ：能。 0 表3 1 常见涂层的物理力学性雌 t a b l e3 - lp h y s i c a ia n dm e c h a n ；c a p r o p e r t j e so f m a j o r c o a l i n g s 涂层种碰度( h v ) 类 比重扬氏模量 等热系数热膨胀系数摩擦氧化 ( g c 一)( 1 0 4 k g 岫3 )( w 儿)( 1 l 旷)系数温度 ( ) t i c2 9 0 0 3 8 0 04 932 4 61 6 7 5 2 5 1 2 7 4 7 80 2 51 1 0 0 t 州l b 0 0 2 8 0 05 42 6 2 0 9 3 2 9 ，3 l8 3 9 5o4 91 2 0 0 1 i 州 2 8 0 0 3 0 0 05 14 82 9 3 l 3 3 4 98 1 9 ，40 3 4 t i a l n2 3 0 0 3 5 0 04 04 3 6 5 7 00 5 0 a l 。m2 3 0 0 2 7 0 04 03 ，6 4o0 1 5稳定 1 、t 州涂层是使用最广泛，也是最成熟的涂层，具有远高于高速钢的硬度， 摩擦系数低，并且具有良好的韧性。很高的热硬度，能承受一定的弹性变形的压 力。在目前国内还没有大批量生产t i n 涂层成形刀具，但可以批量制备，因为 t i n 膜的制备方法较简单，几乎可以用所有的物理( p v d ) 和化学( c v d ) 气相沉 积法制备，在数控机床刀具上已普遍采用。在国外，t i n 涂层刀具应用非常广泛， 几乎所有知名刀具生产公司都有产品面市。 2 、a 1 ：o l 涂层。a 1 。o j 涂层具有良好的机械性能，极好的热硬性和化学稳定性， 斟此，a l ：o ，涂层刀片具有良好的抗月牙洼磨损性能，刀具寿命得到了很大的提高。 另外，a 1 。0 。涂层低的热导率，且随着温度的升高而侔低，在加工过程中，可阻碍 切削热传到刀具的切削刃，防止切削刃受热发生塑性变形所导致的突然失效。 a 1 ：o 。涂层主要用于硬质合金刀具表面，其涂层后的刀具兼有陶瓷刀具的耐磨 性和硬质合金的强度，适用于陶瓷刀具脆性大而易于崩刃场合，可用来切削加工 铸铁、高速钢。 4 如用a 1 ：仉涂层刀片加工汽车铸铁刹车盘和刹车鼓等零件时，其耐用度比t i c 涂层刀片、金属陶瓷及陶瓷高2 4 倍，比普通用来加工铸铁的硬质合金刀具高 6 8 倍。在v = 3 6 5 5 5 0 m m i n 切削速度范围内可与陶瓷刀具相比。一般在a l 。仉 涂层与基体间增加一层t i c 、t i n 或t i c n 膜，不但可以提高耐磨性，而且可阻止 高温下c o 、w 等元素从硬质合金基体中向涂层扩散，