（机械制造及其自动化专业论文）纳米改性金属陶瓷刀具的研制及其几何参数的数字化设计.pdf

摘要 t i ( c ，n ) 基金属陶瓷是一十世纪七十年代出现的一种新型刀具材料。由于其具 有密度低、硬度和红硬性高于硬质合金、化学稳定性和抗氧化性好、对钢的摩擦 系数小、热膨胀系数高于硬质合金等性能特点，再加上其不含或少含资源有限、 价格昂贵的w c 、c o 物质应用于工业生产有利于提高工效、降低成本，因而国 内外对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷进行了大量的研究同时其作为新型的刀具材料在金属 切削领域内也得到了广泛地麻用。但该类刀具材料表现出来的问题是强韧性不足， 因此如何提高t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的强韧性就成为材料和切削加工工作者所关注 的问题。 本文正是围绕着该问题而开展研究的，作者采用纳米技术研制出了纳米t i n 改性的t i c 基金属陶瓷刀具材料：然后对所研制出的纳米改性金属陶瓷刀具的切 削性能进行了研究，并对造成其磨损的原因及该刀具材料磨损的规律进行了分析 晟后采用有限元的方法对维金属切削过程进行了数值模拟，并据此得出所研制 刀具材料体内的受力状况，优化出刀具的最佳几何参数。 本论文的主要内容币创新点如下： 在第一章里首先综述了金属陶瓷刀具材料的发展和研究概况，对其材料特 性、组织和性能特性、制备工艺和其在工业上的应用进行了分析：介绍了纳米技 术及纳米材料所固有的特性，重点对在常规材料中通过添加纳米粉末使材料性能 改善( 纳米改性技术) 的原理和研究状况进行了阐述：随后介绍了有限元技术在 金属切削研究中的应用及最新进展。晟后对本论文的来源、研究目的及主要研究 内容进行了说明。 第二章为制备性能优异的纳米改性t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具材料，就纳米粉 体合适的分散手段及其台适的分散介质进行了研究，并对纳米改性t i ( c ，n ) 基金属 陶瓷刀具材料的制备工艺进行了探讨和制订，以充分发挥纳米粉体的改性效果。 利用研究得到的分散手段和制各工艺，研究了纳米t i n 改性的与纳米一微米t i n 复合改性的两种添加方式下t i c 基金属陶瓷刀具材料的性能，发现两种改性方式 对其力学性能均有一定的改善，并通过实验得出合适的纳米添加量；同时对纳米 颗粒添加所引起刀具材料韧性提高的机制进行了分析。本章最后用优化出的分散 工艺及纳米添加量制备出纳米改性t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具材料，对其力学性能进 行测试和分析。 第三章用所制备的纳米改性金属陶瓷刀具进行了实际的切削试验，并参考国 内外相关的文献报道，对其与加工对象的台理匹配问题以及其切削加工时的磨损 等问题进行全面的阐述。通过切削试验表明：所研制的纳米改性金属陶瓷刀具在 加工塑性材料时表现出较优异的切削性能；但在切削铸铁类脆性材料时，优势 不明显。在本章还通过切削实验得出纳米改性金属陶瓷刀具在加工4 5 钢时，切削 用量三要素对该刀具使用寿命的影响规律并对造成刀具磨损的原因进行了分析。 第四章在充分分析了金属切削过程的变形原理之后，建立了直角自由切削过 程的有限元模型，并利用国际通用的大型有限元计算软件对其进行了数值模拟； 并研究了数值模拟过程中所涉及到的非线性、切屑分离标准、刀具前后刀面的摩 擦等问题。为了验证所使用的数值模拟方法的计算精度作者用应变式测力仪测 出了切削过程中刀具从起始阶段到稳定阶段切削力的变化，并用快速落刀的方式 得出变化不同前角时剪切角的数值；将这些实验结果与数值模拟出的结果进行比 较，发现两者表现出较好的一致性。 第五章采用有限元的方法同时结合具体的切削实螗对所研制的纳米改性金 属陶瓷刀具的儿何参数进行了优化。从增强刀具强嚏鸭角度来看，发现对纳米改 性金属陶瓷刀具而言，正前角下带负倒棱的刀具刃e j 形式。是一个较为合理的选 择。井分析了用所研甫的金属陶瓷刀具进行断续切削时，最佳的刃区倒棱参数及 刀具刃区的强化机理。 第六章总结了本文主要的研究结果和结论对该刀具在实际生产应用的情况 进行了说明，并对该谍题以后进一步的1 二作进行了展望。 关键词：t i c 基金属陶瓷，纳米t i n 改性，金属陶霞制备，金属切削，刀具 使用寿命，刀具磨损，有限元方法，金属切削过群数值模拟，刀具几何参数优化 a bs t r a c t t i ( c ，n ) b a s e d c e r m e ti san e wk i n d o ft o o lm a t e r i a la n dw a s d e v e l o p e d i n 1 9 7 9 s b e c a u s ei to w n s m a n y e x c e l l e n t p r o p e r t i e s s u c ha sl o w d e n s i t y ，h i g h e r h a r d n e s sa n dr e d - h a r d n e s st oc a r b i d e ，c h e m i c a ls t a b i l i t y ，g o o d i n o x i d i z a b i l i t y , l e s s f r i c t i o nc o e f f i c i e n tt o s t e e l ，h i g h e rt h e r m a le x p a n s i o nt oc a r b i d e ，a n dc o n t a i n sn oo r l e s sr e s o u r c e i i m i t e da n de x p e n s i v ew ca n dc o ，i tisa p p i i e dt oi n d u s t r i a lp r o d u e t i o n t op r o m o t ew o r ke f f i c i e n c ya n dd e c r e a s e st he c o s t t h e r e f o r e ，t i ( c ，n ) b a s e dc e r m e t i ss t u d i e dd e e p l yh o m ea n da b r o a d 。a n dh a sw i d eu s ei nm e t a lc u t t i n ga s an e w t y p e o fc u t t i n gt o o l sm a t e r i a l i t sd is a d v a n t a g eist h a ti th a sl e s s s t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ， s ot h e p r o b i e mf o r r a is i n gi t s s t r e n g t h a n d t o u g h n e s sh a s b e e n p a i da t t e n t i o nb y m a t e r i a la n dm e t a l - c u t t i n gr e s e a r c h e r s i t i st h isp r o b i e mt h a t iss t u d i e di nt h isd is s e r t a t i o n t h ea u t h o rd e v e l o p san e w k i n do ft o o lm a t e r i a lo fn a n o - t i nm o d i f i e dt i c - b a s e dc e r m e t sb yn a n ot e c h n o l o g y ， t h e nr e s e a r c h e st h e c u t t i n gp r o p e r t i e sf o ru s i n gt h i sc u t t e ra n da n a l y z e si t s w e a r i n g r e a s o n s ，a p p r o a c h e s i t s w e a r i n gr u l e s ，i nt h ee n ds i m u i a t e st h e2 - dm e t a l - c u t t i n g p r o c e s sa d o p t i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，g e t st h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e d e v e l o p e dc u t t e rb o d y ，a n do p t i m i z e si t sg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s m a i ns t u d ya n dc r e a t i v ew o r ki n c i u d et h ef o l l o w i n gp a r t s ： c h a p t e ro n ef i r s t l yo v e r v i e w st h ed e v e l o p m e n to fc e r m e tc u t t era n di t sg e n e r a l s i t u a t i o ni n r e s e a r c h ，a n a l y z e si t s m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e sc h a r a c t e r i s t i c s s t a t e s i t s a p p l i c a t i o n s i n i n d u s t r y ，i n t r o d u c e s t h ei n h e r e n t p r o p e r t i e s o w n e d b y n a n o t e c h n o l o g y a n d n a n o m a t e r i a l ，e s p e c i a l l yr e p r e s e n t s t h em e c h a n i s m sa n d r e s e a r c h i n g s t a t u so nn a n o - m o d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y ( m o d i f y i n g t h em a t er i a l s p r o p e r t i e sb ya d d i n gn a n o - p o w d e ri nc o n v e n t i o n a lm a t e r i a l ) i nt h ef o l l o w i n gp a r ti t s u m m a r i z e st h e a p p l i c a t i o n a n d u p d a t ed e v e l o p m e n t o ff e mi n m e t a l c u t t i n g p r i n c i p l e f i n a l l y ，t h eb a c k g r o u n d so ft h er e s e a r c h p r o j e c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ， p u r p o s e sa n dm a i nj o b so ft h ep r n j e c ta r eg i v e n i n c h a p t e rt w o ，i no r d e rt od e v e l o pe x c e l l e n tn a n o t i nm o d i f i e dt i c b a s e d c e r m e n tc u t t e r ，t h ed i s p e r s i o np r o c e s sa n ds u i t a b l ed i s p e r s i n gm e d i a t o ra r es t u d i e d ， a n di t s f a b r i c a t i n gt e c h n i q u ei sa l s oe x p l o r e da n ds p e c i f l e dt oe x p l o i tt h ea d v a n t a g e s o fn a n o - p o w d e rm o d i f i c a t i o ne f f e c t u s i n g t h e d e v e l o p e d d is p e r s i n g a n d m a k i n g p r o c e s s ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ep r o p e r t i e so ft i c - b a s e dc e r m e tc u t t e rm a t e r i a l w h e nn a n o - t i nw a sa d d e ds o l e l ya n dm i x e dw i t h “m t i n d is c o r e r st h a tb o t ho ft h e t w on a n o p o w d e rm o d i f i c a t i o n sc a nm a k ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t t e rt os o m e e x t e n d ，f i n d st h eo p t i m a la m o u n to ft h ea d d i t i v en a n o t i np o w d e rb ye x p e r i m e n t s ，i n t h es a m et i m ea n a l y z e st h ef u n d a m e n t a l sf o rp r o m o t i n gt h et o u g h n e s so fd e v e i o p e d c u t t e rb y a d d i n gn a n o - p o w d e r i nt h ee n dt h en a n o - t i nm o d i f i e dt i c - b a s e dc e r m e t c u t t e ri sf a b r i c a t e dt ou t ili z et h eo p t i m i z e dd i s p e r s i n gp r o c e s sa n da d d i t i v ea m o u n t o fn a n o - p o w d e r ，a n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ft h e d e v e l o p e d c u t t e ra r ea l s o t e s t e da n da n a l y z e d i nc h a p t e rt h r e e ，v a r i o u sc u t t i n gt e s t sa r ed o n eu s i n gd e v e l o p e dc e r m e tc u t t e r d e p e n d i n g o nt h e p r e s e n ts t u d y s i t u a t i o na th o m ea n d a b r o a d ，t h e r e a s o n a b l e m a t c h i n g o f d e v e l o p e dc u t t i n g t o o lw i t h w o r k p i e c e m a t e r i a lsa n di t s w e a r i n g m e c h a n is mw h e nm a c h i n i n ga r ed i s c u s s e df u l i y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e d e v e l o p e dc e r m e tc u t t e ri ss u i t a b i et om a c h i n ep l a s t i cm a t e r i a l sa n ds h o w se x c e l l e n t t u t t i n gp r o p e r t i e s ，b u ti t h a sn oa d v a n t a g ew h e nm a c h i n i n gb r i t t l em a t e r i a l ss u c ha s g r a yc a s ti r o n b e s i d e s ，t h r o u g hc u t t i n gt e s t st h e1 i f e sp a t t e r no ft h ec e r m e tc u t t e r w h i c hi sa f f e c t e db yt h r e ec u t t i n gp a r a m e t e r si s g o t t e nw h e nt h e ya r eu s e df o rc u t t i n g n o r m a i i z e d4 5s t e e i a n dt h ec a u s e st og e n e r a t et h ec u t t e r sw e a ra r ea l s od i s c u s s e d i n c h a p t e rf o u r ，a f t e rt h e d e f o r m i n gp r i n c i p i e o f m e t a l c u t t i n gp r o c e s s i s s u f f i c i e n t l yi n v e s t i g a t e d ，t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h et w o d i m e n s i o n a l m e t a l - c u t t i n gp r o c e s si sb u i l ta n ds i m u l a t e dt h r o u g hu s i n g t h ei n t e r n a t i o n a l l a r g e s c a l eu n i v e r s a lf e ms o f t w a r e s o m ep r o b l e m sm e ti nt h es i m u l a t i o n a r ea l s od i s c u s s e ds u c ha sn o n - l i n e a r i t y ，c h i pd e p a r t i n gc r i t e r i a ，f r i c t i o no n t h et o o lf a c ea n dt 0 0 1f l a n k a n ds oo n i no r d e rt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f s i m u l a t e dr e s u l t ，t h ev a r i a t i o n a lp a t t e r no fc u t t i n gf o r c ef r o mt h e s t a r t i n g p r o c e s so fm e t a lc u t t i n gt ot h es t e a d yp r o c e s so fm e t a lc u t t i n gi so b t a i n e dt o u s et h es t r a i nt y p ed y n a m o m e t e r ，a n dt h es h e a ra n g l ev a l u e si nd i f f e r e n tt o o l r a k e sa r ea l s o g o t t o a p p l yf a s tt o o l - d r o p p i n ge q u i p m e n t c o m p a r e dt h e s i m u l a t e dd a t aw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ev a l i d i t yo fs i m u l a t e dr e s u l ti s p r o v e d c h a p t e r f i v e a d o p t s f e ma n dr e a l c u t t i n g t e s t st o o p t i m i z e t h e g e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sf o rt h ed e v e l o p e d n a n om o d i f i e dc e r m e tc u t t e r i ti s d i s c o v e r e dt h a tf o rt h ec e r m e tc u t t e ri t i sar e a s o n a b l et o o l sc u t t i n ge d g e s h a p et oh a v eal a n do ni t st i p a sw e l la sp o s i t i v er a k ea n g l e ，a n dt h isw i l l e n h a n c et h et o o l s s t r e n g t h t h e t o o l s c u t t i n g t e s t si n i n t e r r u p t e d m a c h i n i n ga r ea l s od o n e ，a n df r o mt h i s t h eo p t i m a lc h a m f e r i n gp a r a m e t e r s o ft o o lt i pa r eg i v e na n di t ss t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mi sa n a l y z e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t b e e ns u m m a r i z e di n c h a p t e r p r o d u c t i o np r a c t i c eh a v eb e e n t h i sr e s e a r c hs u b jc o ti nt h el a t e sa n dc o n c l s i x t h ed e i n t r o d u c e d rw o r ka r ea u s i o n so ft h i sd i s s e r t a t i 0 v e l o p e d c u t t e r s a p p l i c a t t h ek e y s t o n e sa n dd i r e c t i l s op o i n t e do u t k e y w o r d ：t i c b a s e dc e r m e t ， n a n o - t i nm o d i f i c a t i o n ，c e r m e td e v e l o p m e n t m e t a l c u t t i n g ，t o o l sl i f e ，t o o l s w e a r ， f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ， m e t a l - c u t t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o no fg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s o f c u t t i n gt o o l i 缸 h 坫“ n k o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 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，也不包含为获得盒蟹互些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一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谢意。 学位论文作者签名：字 专 签字日期：一；年， 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解虫国堂盔翅王! | ( 出宣题2 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权虫亘鲎查翅9 ( 当窒题2 电王盘查扯可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索。可以采用影印、索引或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：沏瞎导师签名： 、 厕驴 签字日期：；年t 2 月厂日 签字日期：一舜i 月j 、日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通信地址： 电话： 邮编： 致谢 在论史完成之际，谨向我的导师刘正士教授表示深深的敬意和裹心的感谢 在攻读博士的这些年里，自始自终都得到了刘老师的关心和鼓励。导师在论文的 选题、研究、撰写等方面都给予了悉心指导，刘老师缜密的科学态度、渊博的学 术水平、严谨的治学思想、认真细致的工作作风和诲人不倦、为人师表的道德品 质，深深地感染着作者，是作者完成学位论文最有力的保障，并将永远鞭策着我 将来在事业上的发展。 在论文的研究中，同样一直得到张崇高教授和刘宁教授的悉心指导和帮助 并为我提供了良好的研究条件和课题来源保证，两位老师认真、细致的工作作风 和坚忍不拔的研究毅力是我除学业外又一珍贵的收获，在此表示真挚的感谢。 论文的顺利完成与整个课题组的支持和帮助是分不开的。谢谢曾经在一起做 课题研究的我校机汽学院杨海东工程师及硕士生赵吉文、钱昌明和材料学院的许 育东老师及硕士生李华、李振红的支持和帮助。在实验过程中，我院的许少平， 王从周、邢庭元、茅庭章高级实验师，材料学院的王强老师、程娟文老师、郑玉 春老师，电气学院的叶铭博士等都给予了很大帮助，在此一并表示感谢i ， 在调研和实验过程中，作者还得到了德国斯图加特大学a l u n k 教授、山东 大学机械学院张建华教授、清华大学紫光集团仇启源教授、上海交通大学袁人炜 博士，华南理工大学的汤勇教授，中科院固体研究所李广海研究员及中国科技大 学力学和机械工程系傅玉灿博士后的极大支持，在此致以深切的谢意! 最后，谢谢我爱人的鼓励和我家人的全力支持。正是因为有他们作为强大的 后盾，使我能够抛开一切家庭琐事，一心一意地潜心于学习和研究工作中，论文 里同样浸透着他们的心血和汗水。 谢谢所有关心和帮助过我的老师和朋友! 谢峰 2003 年1 0 月20 日 本论文的研究得到国家。九五”科技攻关项目( 编号9 9 - d0 49 ) 和安徽省 自然科学基金项目( 编号0 10 44 107 ) 的资助，在此，谨向国家科技部及安徽省科 技厅表示深深的感谢。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 金属陶瓷刀具的研究和发展概况 1 1 1 切削刀具的研究进展 刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的基本因素。刀具新 材料的出现，往往能成倍的提高生产率，并能解决某些难加工材料的加工。同时，随着切 削技术的不断发展，人们对刀具材料的性能也提出了越来越高的要求，因此研制高性能 的刀具材料一直是刀具研究的热点。 如新型高速钢刀具材料的研制，在普通高速钢w 1 8 c r 4 v 成分基础上可改进得到高碳 高速钢、高钴高速钢、高钒高速钢和铝高速钢。如我国研制的无钴廉价含铝高速钢5 0 1 ， 切削3 0 g r m n s i a 时加工零件数为w 1 8 c r 4 v 刀具的3 2 倍i i “j 。 粉末冶金高速钢也是近2 0 年来研制出的先进刀具材料，用粉末冶金方法制造高速钢。 可消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性，当钒含量高时亦能较好地被刃磨成形1 1 4j ，在加 工高强度高温合金、钛合金和其它难加工材料中有很大的优越性。如粉末冶金高速钢g f 3 被认为是拉削膛线最好的刀具材料。 物理气相沉积涂层高速钢是近十余年发展起来的。在高速钢基体上，用物理气相沉积 ( p v d ) 法涂覆耐磨材料薄层，可显著提高刀具寿命和加工表面质量，降低切削力。 此外，硬质合金刀具材料也在不断发展，在几种普通硬质台金刀具材料y t 、y g 系列 产品基础上，推出了一系列新型硬质合金。如；添加t a c 、n b c 的硬质合金，添加后能有 效地细化晶粒，提高其高温强度和高温硬度以及抗扩散和抗氧化的能力：细晶粒和超细晶 粒硬质合金，晶粒细化后可提高合金的硬度与耐磨性：t i c 基和t i ( c ，n ) 基硬质合金，与 w c 基合金相比，这类合金的密度小硬度更高；添加稀土元素的硬质合金，添加少量铈、 钇等稀土元素，可以有效地提高台金的韧性与抗弯强度。耐磨性亦有一定提高：表面涂层 硬质合金，用c v d 或p v d 等方法，在硬质合金刀片表面上涂覆t i c 、t i n 、t i ( c n ) 、a 1 2 0 l 等薄层，以提高刀具寿命和加工效率：梯度硬质合金，使硬质合金从芯部到表面具有不同 的硬质相和粘接相的成分，以达到硬质合金的表面硬度高。芯部抗弯强度高的目的【i o 】。 与此同时，近年来陶瓷刀具也得到了广泛地应用，陶瓷刀具材料主要分为三类，氧化 铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷和复合氮化硅一氧化铝陶瓷( 又称赛阿龙一s i a l o n ) 。工业发达国 家的陶瓷刀具发展很快，品种多且性能稳定。美国陶瓷刀具约占刀具总量的2 3 ，德国占 8 ，个别汽车制造厂甚至占4 0 【i 1 】。美、日已研制成功加入w c 的黑色陶瓷其断裂韧 性提高约3 0 。德国产高密度混合陶瓷刀具的切削刃强度极高可与c b n 媲美。日本在氮 化硅上涂覆氧化铝而研制的陶瓷刀具s p 4 用于铣削时。可比a 1 2 0 3 + t i 陶瓷刀具的耐用度提 高3 “倍，崩刃率仅5 i “i 。 金刚石和立方氮化硼( c b n ) 刀具的研制和应用也有很大进展。自六十年代研制成功 人造聚晶金刚石以来。经过近三十年大发展，现在已推出了可整体或剖成小块用的聚晶金 刚石片；在k ( y g ) 类硬质合金刀片基体上铺设人造聚晶金刚石细粉再经高温高压可制成 新型金刚石刀具复合片；此外还可采用在硬质合金刀片基体上涂覆金刚石薄膜。以及在硬 2合l e t 业大学博士学位论文 质合金刀片上焊金刚石厚膜等各种金刚石刀具形式。另外，当今常用的金刚石为c - 1 2 ：而 美国g e 公司已研制出同位素c 一1 3 的金刚石，其硬度、强度等均高于现有的金刚石。 立方氯化硼刀具的制造方法与金刚石刀具的制造方法相似，它在加工钢铁及其它铁族 金属具有优势。近年来武汉大学采用r f p e c v d 法在麻花钻上涂覆c 3 n 4 薄膜膜的硬度 接近超硬材料，使钻头的使用寿命大为提高”。i 。 上述这些刀具材料方面的新发展都能在一定程度上解决由于兼顾刀具材料的高硬耐磨 性与强韧性而存在的矛盾，故很有发展前途。 据有关专家预计，在2 1 世纪刀具材料的发展中，刀具的硬度、耐磨性与其强度、韧性 间难以兼顾仍是主要矛盾。有可能在2 1 世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧 性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料i l 。j 。在未来，刀具材料将接受工件方面( 如 新的难加工材料的出现) 及制造系统方面( 如高速切削i 】叫等新型加工方式的采用) 更新、 更严峻的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面， 将成为未来刀具材料发展的特点。 1 1 2 金属陶瓷刀具的发展简史及其在工业上的应用 硬质合金是用粉末冶金方法生产，由难熔金属化合物和粘缩金属所构成的组合材 料【l 。7 】。1 9 2 3 年k 施律泰尔( k s c h r l c s t e r ) 用粉末冶金方法研制成w c - c o 硬质合金1 1 4 j 。硬 质合金具有很高的硬度、耐磨性、弹性模量和抗压强度。较稳定的化学性、低的热膨胀系 数和高的导热系数。由于硬质合金具有上述特点，使得它在现代工具材料、耐磨材料、耐 高温和耐腐蚀材料等方面占据了重要地位。硬质合金刀具的使用引起了金属切削加工工业 的技术革命，大大地提高了工具寿命及加工效率”4 j 。 金属陶瓷是指用粉末冶金方法制取的金属与陶瓷的复合材料。英文c e r m e t ( 金属陶瓷) 就是由c e r a m i c s ( 陶瓷) 中的c e r 与m e t a l ( 金属) 中的m e t 结合起来构成的p 1 0 。现在一 般将用n i 粘结的t i ( c n ) ( 碳氮化钛) 基硬质合金称作金属陶瓷，仍将c d 粘结的w c 基 材料称为硬质台金。 t i c - n i 金属陶瓷问世于1 9 2 9 年，但直到二十世纪中期仍发展很少。五十年代为了研 制喷气发动机的叶片所用的高温材料，发现t i c - n i 系金属陶瓷具有优良的高温强度和韧性、 适当的抗氧化性及抗热震性等许多重要的高温材料所需的性能i l j 。与此同时。对t i c 基 金属陶瓷的研究工作已经深入液态金属对碳化物相的润湿性的阶段。美圈研究发现，用c o 、 n i 或f e 粘结的t i c 基金属陶瓷在烧结时的晶粒过分长大现象与湿润性有关。在不完全湿 润的情况下，碳化物颗粒园表面张力作用而发生聚集，然后再由溶解析出机理使聚集颗粒 长大“。 1 9 5 6 年美国福特汽车公司发现在t i c - n i 基金属陶瓷中添加m o 之后可改善液态金属 n i 对t i c 的润湿性，使t i c 晶粒变细，井使合金强度大大提高 1 2 - 1 4 这极大地推动了t i c 基金属陶瓷在相关领域，特别是工具领域的应用。美国在1 9 5 9 年就制成一个精加工用的 t i c - n i 基金属陶瓷刀具材料牌号。随后，在1 9 6 0 年到1 9 6 3 年间，美国的维尔伟松公司、 肯纳金属公司和亚当斯碳化物公司分别制成了牌号为v r 6 5 、k 6 5 、t i t a n $ 0 的金属陶瓷刀 具。同时，日本的东芝公司、三菱公司和住友公司也分别研制成功了t i c - n i 基金属陶瓷刀 具。通过合适的成分优选、严格的工艺条件和组织控制。可使金属陶瓷刀具材料的力学性 能。特别是韧性，得到了较大的改善其应用场合也从单一的钢材精1 j n - r 扩展到了钢材及 可锻性铸铁的半精加工、租加工和间断加工中1 1 “”。 进入七十年代以后，金属陶瓷的发展日新月异。由于w 资源的缺乏及w 价格的不断 上涨，以及机械工业上高速切削的发展要求：同时由于机夹不重磨刀具的推广应用。避免 了t i c 基金属陶瓷所存在的焊接、刃磨性差的缺点等原因l 再加上t i c 基金属陶瓷刀具比 第一章绪论 重比w c 系硬质合金轻，用作不重磨刀具在成本上有利，因而国外对t i c 基金属陶瓷的研 究十分重视品种牌号也迅速增加，t i c 基金属陶瓷由原来的基本组成为t i c - n i m o 系发 展成t i c n i m o w c 系和t i c - n i m o - w c - c o 系等多种系列”“。 1 9 7 1 年奥地利维也纳工业大学教授k i e f e e r e 等人i 】“”率先报道了添加t i n 会对t i c 基 金属陶瓷的物理力学性能造成影响，并且指出t i ( c , n ) 基金属陶瓷将成为一种大有发展前途 的工具材料，由此导致t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的面世，氨的引入可以起到明显的细化晶粒的作 用，其余的各力学性能都有明显提高“”。此后不久，美国的r u d y 教授l l 。8 l 也报道了细晶 粒的( t i ，m o ) ( c ，n ) - n i m o 金属陶瓷刀具在钢材切削中具有优异耐磨性、高韧性和良好的 抗塑性变形能力的试验结果，从而促进了金属陶瓷的发展。 日本是对此项科研成果最为重视的国家。1 9 8 8 年t i ( c , n ) 基金属陶瓷已占日本硬质材 料工具总量的2 7 1 3 ，其余的比例是w c 系硬质台金占3 1 1 ，a 1 2 q 系陶瓷占5 6 p v d 或c v d 涂层工具为晟多，占3 6 。从增长速度来看，t i ( c ，n ) 基金属陶瓷增长最快，由1 9 7 8 年占总量的1 l 增长为1 9 8 8 年的2 7 3 目前已达三分之一以上”“。 除日本外，其它一些国家也对金属陶瓷刀具进行了研制和开发。如瑞典的山德维克公 司( s a n d v i kc o r o m a n t ) 就推出了一系列性能优异的金属陶瓷刀具，进一步扩展了其使用领 域。表1 1 列出了国外一些公司生产的金属陶瓷刀具材料的牌号和性能表1 2 列出了国 内生产的一些金属陶瓷刀具材料的牌号和性能。 表1 1 某些国家生产的金属陶瓷刀具材料的成分和性能9 】 化学成分( 质量分数) 惕性能 牌号 制造厂家 峦宣 硬度抗弯强 t i ct i nn im o其它 电钾 h r a度，m p a 7 g 美f o r d 6 7 2 2 4 1 00 6 c5 89 1 01 9 0 0 v r 6 5 美v r w c s s o l l 7 5 n q i + m o ) 2 5 5 99 2 11 4 0 0 v c - 8 5 美v a l c n i t e 7 881 0 l w , 3 t a c 5 89 3 09 0 0 m c t a l s h i m ct s l h日三菱金属矿业f e 和其它金属 5 59 3 51 1 0 0 h i m et s 3 h l ：i 三菱金属矿业 f e 和其它金属56 59 2 o1 3 0 0 h i m et s 4 h 日兰菱金属矿业 其它碳化物 5 7 9 1 51 5 0 0 t t m 鲥c t c l 日东芝坦葛洛依 9 0555 39 嗡哪9 0 0 t 州c t c 2日东芝坦葛洛依 8 01 01 05 69 2 9 31 2 0 0 t 删c i l - 3 日东艺坦葛洛依 7 5 1 5j 0 5 8 9 l 9 2 5 1 3 0 0 x 4 0 75 0m g 坩岍q 删6 59 i 9 21 6 0 0 d u x 4 0 一日本钨 t a n 6 69 i ，9 1 7 0 0 t 2 3 a 日本住友电气t a n w c7 39 1 d1 8 0 0 t i z i f 0 5 t 奥地利金属公司 7 5 ( t i c + t a c ) 2 5 ( n i + m o ) 6 0h v1 4 0 0 1 7 0 0 wz i f l 0 t奥地利普兰西 7 0 ( t i c + t a c ) 3 0 ( n i + m o ) 6 0h v1 7 0 0 公司 1 7 0 0 t m 俄罗斯 9 0 55n b c5 78 0 0 t h m - 2 0俄罗斯8 01 64 5 59 l1 1 5 0 k r r - 1 6 俄罗斯7 41 96 58 9 01 1 5 0 删帆 俄罗斯2 64 2 3 2 ( n i + m 曲8 8 01 5 0 0 i m 栅 俄罗斯4 32 5 3 2 ( n i + m o ) 8 7 51 7 0 0 4 台肥工业大学博士学位论文 表1 2 国内生产的一些金属陶瓷刀具材料的成分和性能m 9 】 化学成分( 质量分数) ，性能 合金牌号 w c前c t a c f n b c ) n i - m o 蜮g 甜 抗弯强度i v l p a硬度h r a y n 0 5 8 7 l - n i 7 m o - 1 45 5 “o9 5 09 3 y n l 01 56 2ln i - 1 2 m o 1 06 2 巧41 1 0 09 2 1 h 7 - - 余一n i 7 m o 一1 45 5 68 0 肚9 5 09 33 1 1 1 2 - _ 余一n i 12 m o - 1 05 61 2 0 0 1 3 0 0 9 2 j 近年来，美国、欧洲和我国对t i c 基金属陶瓷材料的研究和应用急剧增多，各种新工 艺、新配方层出不穷，理论研究也进一步深入【j “。圳。如新加坡南洋理工大学的s z h a n g 等 人抛开了传统配方和工艺路线，对无m o 金属陶瓷的烧结动力学、工艺过程、机械合金化 和烧结中的反应、力学性能等进行了系统研究【l “”j 。合肥工业大学的刘宁等人系统地研究 了y 、e r 等稀土元素对材料性能的影响，并提出了稀土在材料中的分布和作用机理4 。2 ”。 清华大学的苗赫濯通过加入s i ，n 4 或a 1 2 0 3 ，来有效提高t i ( c ，n ) 基金属陶瓷刀具材料的硬 度和切削能力，解决了一系列超硬难加工材料的加工问题i l 。北京有色金属研究总院的 余明、贺从川等人也研制出了两种具有应