硬质合金刀具的加工工艺研究.doc

课题名称：硬质合金刀具的加工工艺研究摘要：硬质合金刀具材料的出现，使切削效率得以显著提高，大约为高速钢的倍，故全世界硬质合金的产量增长极快。新材料，新牌号的硬质合金刀具不断出现，硬质合金在全部的刀具中的比重越来越大。近七十年来，它作为“工业的牙齿”，伴随着工业的快速发展而得以迅速的成长，并逐步形成一套完备的产业体系，发挥越来越重要的作用。据不完全统计，年，全世界硬质合金产量达到余吨，产值估计在亿美元，可以毫不夸张的说，没有硬质合金材料作为先行，也就没有世纪现代制造技术发展的今天！今后要人力发展高新技术产业，必须重视硬质合金材料的发展。硬质合金作为独立的材料体系，近年来在切削加工方面已经研制出许多新型的硬质合金刀具材料。由于硬质合金刀具材料的耐磨性和韧性不易兼顾，因此使用者只能根据具体的加工对象和加工条件在众多的硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，进一步研究改善硬质合金刀具材料的综合切削性能已经成为热门课题。关键词：硬质合金刀具、硬质合金牌号、硬质合金材料的发展 硬质合金刀具材料 硬质合金一、硬质合金的组成硬质合金是用粉末冶金工艺制成的。它由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属粘结剂（称粘结相）组成。切削刀具用硬质合金中常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等。常用的粘结剂有Co碳化钛基合金的粘结剂常用Mo 、Ni。硬质合金的物理机械性能取决于合金的成分、粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺。含高硬度、高熔点的硬质相愈多，合金的硬度与高温硬度愈高。含粘结剂愈多，强度也就愈高。合金中加入TaC、NbC有利于细化晶粒，提高合金耐热性。下表中列出了高熔点碳化物及某些坚硬物质的性质。常用硬质合金牌号中含有大量的WC、TiC，因此硬度、耐磨性、耐热性均高于工具钢。常温硬度达89-94HRA，耐热性达800-1000摄氏度。切削钢时，切削速度可达220M/MIN左右。在合金中加入熔点更高的TaC、NbC,可使耐热性提高到1000-1100摄氏度，切削钢的切削速度进一步提高到200-300M/NIN。部分坚硬物质的性质材料 相对密度 硬度HV 熔点/摄氏度 与钢的粘结度的温度碳化物WCTiCTaCNbCVC 15.74.914.57.85.4 24003200180024002800 2870 3140 3880 3500 2830 1000 1125 1120 1250 -其它TiNAl2O3Si3N4CBNRJ5.23.953.143.53.52 2000 2500-300050008000-90001000029502050190033003750 - - - - -二、普通硬质合金分类、牌号与使用性能国产的硬质合金按其化学成分与使用特性分为四类：钨钴类（WC+Co）、钨钛钴类（WC+TiC+Co）、添加稀有金属碳化物类（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）及碳化钛基类（TiC+WC+Ni+Mo）。三、新牌号硬质合金为了解决某些难加工材料的加工，硬质合金的新品种不断增加。主要有以下几种：1.加入TaC(NbC)的合金在合金中加入适量稀有难熔金属碳化物是提高合金性能的有效方法之一。其中效果显著的是加入TaC或NbC。一般含量在4%左右TaC(NbC)在合金中所起的作用主要是提高合金的高温硬度与高温强度。在YG类合金中加入TaC，可使800摄氏度高温时强度提高约0.15-0.20GPa。在YT类合金中加入TaC，可使高温硬度提高约50-100HV。在金属中加入TaC(NbC)，可提高合金与钢的粘结温度，从而减缓合金成分向钢中扩散，延长刀具耐用度。在合金中加入TaC(NbC)，还可以提高刀片长温硬度与耐磨性，减缓刀具的机械摩损。提高YT类合金抗弯强度与冲击韧性，特别是提高合金的抗疲劳强度。能阻止WC晶粒在冲击性能），以及抗塑性变形的能力。这种合金用于断续表面加工及铣削时，不易发生崩刃。此外，TaC(NbC)可改善合金的焊接、刃磨工艺性，提高合金使用性能国产的这类合金牌号较多，例如：YT05、YW3、YW4、712、715、798、600、610、YTM30、YTS25等。它们的性能与应用范围可参阅有关硬质合金厂产品样本。2. 细晶粒和超细晶粒的硬质合金普通硬质合金中WC的力度为几个微米，细晶粒合金平均粒度在1.5m左右。超细晶粒合金WC粒度在0.2-1m之间，绝大部分在0.5m以下。细晶粒合金中由于硬质相和粘结相高度分散，增加了粘结面积，提高了粘结强度。因此其硬度与强度都比同样成分的合金要高，硬度约提高1.5-2HRA，抗弯强度约提高0.6-0.8GPa,而且高温硬度也能提高一些。生产超细晶粒的合金，除必须使用细的WC粉外，还应添加微量抑制剂，以控制晶粒长大，并采用较先进的烧结工艺才能制成，故成本略高。3. 碳化钛基硬质合金这类合金中以TiC为主要成分，用Ni、Mo作粘结金属。TiC基硬质合金的主要的特点是：硬度非常高，达90-95HRA；有较高的耐热性与抗氧化能力，在1000-1300摄氏度高温下仍能进行切削。切削速度可达300-400m/min。此外，该合金的化学稳定性好，与工件材料的亲和力小。减少刀具与工件的摩擦，不易产生机械瘤。碳化钛基合金的缺点主要是抗塑性变形能力差，抗崩刃性差，导热性低于WC基合金，切削时产生的高温易使刀具硬度下降。四、涂层硬质合金涂层硬质合金是60年代出现的新型刀具材料。它是采用化学气相沉积法或其他方法，在硬质合金表面涂复一薄层（约5-10m）耐磨的难熔的难熔金属化合物，这样便可在一定程度上提高刀片综合切削性能。实践证明，涂层合金比普通合金刀具耐用度提高1-4倍。此外，涂层刀片通用性广、可减少合金的品种。但是涂层刀片抗震性、韧性较差、切削刃锋利程度，抗崩刃性能也不及普通合金，所以一般多用于冲击不大的普通钢材的精车与普通钢材的精车与半精车，涂层材料主要有TiC、TiN、AL2O3及其复合材料。五、钢结硬质合金钢结硬质合金是由WC、TiC作硬质相，高速钢或合金钢做粘结相，通过粉末冶金工艺制成它可以进行锻造、切削加工、热处理与焊接。淬火后变形小，硬度高于高性能高速钢，强度、韧性胜过硬质合金。钢结硬质合金可用于制造模具及拉刀、铣刀等形状复杂的刀具。六、稀土元素的硬质合金添加少量的铈，钇等稀土元素，可以有效的提高合金的韧性和抗弯强度。耐磨性亦有一定提高，这是因为稀土元素强化了硬质相和粘结相，净化了晶界，并改善了碳化物固溶体对粘结相的湿润性。近年研究表明，加入微量的稀土元素和（镨）对提高硬质合金的使用性能具有明显作用。当合金中加入和（镨）时，其高温抗断性和抗弯性以及刀片抗月牙磨损，抗后刀面磨损和抗崩刃性等均有提高。在矿山工具，顶锥，拉丝模用硬质合金中有广阔前景。我国稀土元素资源丰富，在硬质合金中添加稀土的研究有所发展。并已经有一些添加稀土元素的硬质合金新牌号投入市场。 硬质合金牌号一、牌号分类不同种类的碳化钨粉、混合料成分和金属结合剂含量、晶粒长大抑制剂的类型和用量等的组合变化，构成了形形色色的硬质合金牌号。这些参数将决定硬质合金的显微结构及其特性。某些特定的性能组合已成为一些特定加工用途的首选，从而使对多种硬质合金牌号进行分类具有了意义。两种最常用的、面向加工用途的硬质合金分类体系分别为C牌号体系和ISO牌号体系。尽管这两种体系都不能完全反映影响硬质合金牌号选择的材料特性，但它们提供了一个探讨的起点。对于每种分类法，许多制造商都有它们自己的特殊牌号，由此产生了形形色色、五花八门的各种硬质合金牌号硬质合金牌号还可以按照成分来分类。碳化钨（WC）牌号可分为三种基本类型：单纯型、微晶型和合金型。单纯型牌号主要由碳化钨和钴结合剂构成，但其中也可能含有少量晶粒长大抑制剂。微晶型牌号由碳化钨和添加了几千分之一碳化钒（VC）和（或）碳化铬（Cr3C2）的钴结合剂构成，其晶粒尺寸可达到1m以下。合金型牌号则是由碳化钨和含有百分之几碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC）的钴结合剂构成，这些添加物又称为立方碳化物，因为其烧结后的显微结构呈现出不均匀的三相结构。（1）单纯型硬质合金牌号用于金属切削加工的此类牌号通常含有312的钴（重量比）。碳化钨晶粒的尺寸范围通常在18m之间。与其他牌号一样，减小碳化钨的粒度可以提高其硬度和横向断裂强度（TRS），但会降低其韧性。单纯型牌号的硬度通常在HRA8993.5之间；横向断裂强度通常在175350ksi之间。此类牌号的粉料中可能含有大量回收再用的原料。单纯型牌号在C牌号体系中可分为C1C4，在ISO牌号体系中可按K、N、S和H牌号系列进行分类。具有中间特性的单纯型牌号可以归类为通用牌号（如C2或K20），可用于车削、铣削、刨削和镗削加工；晶粒尺寸较小或钴含量较低、硬度较高的牌号可以归类为精加工牌号（如C4或K01）；晶粒尺寸较大或钴含量较高、韧性较好的牌号可以归类为粗加工牌号（如C1或K30）。（2）微晶型硬质合金牌号此类牌号通常含有615的钴。在液相烧结时，添加的碳化钒和（或）碳化铬可以控制晶粒长大，从而获得粒度小于1m的细晶粒结构。这种微细晶粒牌号具有非常高的硬度和500ksi以上的横向断裂强度。高强度与足够的韧性相结合，使此类牌号的刀具可以采用更大的正前角，从而能通过切削而不是推挤金属材料来减小切削力和产生较薄的切屑。微晶型牌号可在ISO牌号体系中可按M牌号系列进行分类，除此以外，在C牌号体系和ISO牌号体系中的其他分类方法与单纯型牌号相同。微晶牌号可用于制造切削较软工件材料的刀具，因为这种刀具的表面可以加工得非常光滑，并能保持极其锋利的切削刃。微晶牌号刀具还能用于加工镍基超级合金，因为这种刀具能够承受高达1200的切削温度。对于高温合金和其他特殊材料的加工，采用微晶牌号刀具和含钌的单纯牌号刀具，能够同时提高其耐磨性、抗变形能力和韧性。微晶牌号还适合制造会产生剪切应力的旋转刀具（如钻头）。有一种钻头采用复合牌号的硬质合金制造，在同一支钻头的特定部位，材料中的钴含量各不相同，从而根据加工需要优化了钻头的硬度和韧性。（3）合金型硬质合金牌号此类牌号主要用于切削加工钢件，其钴含量通常为510，晶粒尺寸范围为0.82m。通过添加425的碳化钛（TiC），可以减小碳化钨（WC）扩散到钢屑表面的倾向。通过添加不超过25的碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC），可以改善刀具的强度、抗月牙洼磨损能力和耐热冲击性。添加此类立方碳化物还能提高刀具的红硬性，在重载切削或切削刃会产生高温的其他加工中，有助于避免刀具发生热变形。此外，碳化钛在烧结过程中能提供成核位置，改善立方碳化物在工件中的分布均匀性。合金型牌号的耐磨料磨损性能较差，且强度较低，但其耐粘结磨损的性能更好。合金型牌号在C牌号体系中可分为C5C8，在ISO牌号体系中可按P和M牌号系列进行分类。具有中间特性的合金型牌号可以归类为通用牌号（如C6或P30），可用于车削、攻丝、刨削和铣削加工。硬度最高的牌号可以归类为精加工牌号（如C8和P01），用于精车和镗削加工。这些牌号通常具有较小的晶粒尺寸和较低的钴含量，以获得所需要的硬度和耐磨性。不过，通过添加较多的立方碳化物也能获得类似的材料特性。韧性最好的牌号可以归类为粗加工牌号（如C5或P50）。这些牌号通常具有中等大小的粒度和高钴含量，立方碳化物的添加量也较少，以通过抑制裂纹扩展而获得所需要的韧性。在断续车削加工中，通过采用上述刀具表面具有较高钴含量的富钴牌号，还可以进一步提高切削性能。二、常用牌号常用硬质合金牌号的选用牌号 用途 YG3铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工，要求无冲击 YG6X铸铁、冷硬铸铁高温合金的精加工、半精加工 YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工与粗加工 YG8铸铁、有色金属及其合金的粗加工，也能用于断续切削 YT30碳素钢、合金钢的精加工 YT15YT14碳素钢、合金钢连续切削时粗加工、半精加工及精加工。也可用于断续切削时的精加工 YT5碳素钢、合金钢的粗加工。可用于断续切削 YA6冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，也可用于合金钢的半精加工 YW1不铸钢、高温度钢与铸铁的半精加工与精加工 YW2不铸钢、高强度钢与铸铁的粗加工与半精加工 YN05低碳钢、中碳钢、合金钢的高速精车，系统刚性较好的细长轴精加工 YN10碳钢、合金钢、工具钢、粗硬钢连续表面的精加工 硬质合金材料的发展今天我们要来给大家介绍的是硬质合金未来的发展情况，我想这是很多人都会很关心的。现在采用了超细晶粒的梯度硬质合金基体，配以氮碳化钛中温化学涂层(MT-CVD)和细晶柱状a-Al2O3化学涂层，表面则采用消除表面应力的后处理工艺，即通过喷丸处理去掉前刀面CVD涂层的拉应力表层(TiN)，使露出表面的Al2O3的拉应力下降40%，内层涂层的应力下降20%，明显改善了刀片的抗微崩刃机能和抗剥落能力，在进步刀刃完整性和可靠性的同时还进步了涂层表面的光洁度，降低了刀片与切屑之间的粘结性。硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、 不锈钢 、高锰钢、 工具钢 等难加工的材料。原料按划定组成比例进行配料，加进酒精或其他介质在湿式球磨机中湿磨，使它们充分混合、破碎摧毁，经干燥、过筛后加入蜡或胶等一类的成型剂，再经由干燥、过筛制得混合料。跟着航空航天业、汽车制造业等行业的快速发展和各种新材料、新技术的广泛应用，对金属切削加工刀具提出了更高的要求。随着航空航天业、汽车制造业等行业的快速发展和各种新材料、新技术的广泛应用，对金属切削加工刀具提出了更高的要求。硬质合金类刀具作为金属切削加工刀具的主要材料，市场份额仍然占到80%-90%。国内外刀具厂商也以此为重点进行了大量研发。硬质合金刀具材料新牌号的开发，主要是围绕着硬质合金材料基体的改进和涂层工艺技术的提高而进行，二者相辅相成，共同促进了新型高性能硬质合金刀具新牌号的不断推出。在基体材料方面，除了超细晶粒、梯度合金以外，还出现了混合晶粒合金以及在基体材料中加入其它元素等高性能硬质合金基体材料，进一步提高了硬质合金基体材料的性能。由于硬质合金刀具材料的耐磨性和韧性不易兼顾，因此使用者只能根据具体的加工对象和加工条件在众多的硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，进一步研究改善硬质合金刀具材料的综合切削性能已经成为热门课题，目前硬质合金发展动向有：一、细化晶粒和超细晶粒的硬质合金通过细化硬质相晶粒度，增加硬质晶粒间的结合力，从而使合金的硬度和耐磨性得到提高。适当添加钴（）含量后还可以提高抗弯强度。加入钽，铌、铬钒等元素阻止晶粒的长大，从而获得小于的超细晶粒硬质合金。普通的硬质合金晶粒度为，细晶粒合金为，亚细晶粒合金为，超细晶粒合金为以下。超细晶粒硬质合金比同样成分的普通硬质合金的硬度可提高度以上，抗弯强度可提高，超细硬质合金由于具有优异的物理力学性能和良好的切削性能而一起人们注意。我国硬质合金刀具已经达到细化晶粒和超细晶粒的水平。目前国产的细硬质合金已经有许多的牌号问世如牌号：。适用加工范围：耐热合金，热喷涂焊件等难加工材料，可制造精密刀具及小尺寸（摘自文献国内外刀具材料的发展及其应用前景）。过去细晶粒和超细晶粒结构多用于类（）合金，近年来类（）类（或）合金也向细晶粒的方向发展。以往为提高硬质合金的韧性，通常是增加钴的含量，由此带来的硬度降低可通过细化晶粒得到补偿，并使硬质合金的抗弯强度提高到，已经达到并超过普通的高速钢的抗弯强度，改变了以往类合金适合于切削钢，而类硬质合金只适于加工铸铁和铝等有色金属的选材格局。细晶粒硬质合金的另一个优点是刀具刃口锋利，尤其适合于高速切削粘而韧的工件材料。根据所查的信息看，超细和级硬质合金的研究仍然是当今的前沿课题之一。二、表面涂层硬质合金在硬质合金基体上采用化学气相沉积和物理气相沉积等方法涂覆、等薄层，使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而成为综合性能优越的硬质合金刀具。非涂层硬质合金的机械性能，物理性能是硬质相和粘贴相的综合性能，故其硬度和耐磨性低于硬质相自身的性能。而涂层硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映等涂层材料自身的性能。故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力，提高已加工的表面质量。由于涂层硬质合金具有高耐磨性和耐热性，所以它特别适合于高速切削，其耐用度高，通用性好。用在小批量，多品种的柔性自动化加工中，可以有效地减少换刀次数，涂层刀具抗月牙洼磨损的能力强，刀具的刃形和槽形稳定，其断屑槽和其它切削性能稳定，有利于加工过程的自动控制。所有的这些，都决定了涂层刀具特别适用于柔性自动化加工设备。涂层硬质合金刀具的涂层材料从开始单一的涂层已进入到开发、，金刚石，等多种涂层材料。涂层硬质合金刀具的产品已呈现品牌化，多样化和通用化的趋势。近年来，我国在涂层技术的研究方面也向世界先进水平大大迈进了一步。在年欧洲粉末冶金会议上，株州硬质合金厂作了“金刚石涂层硬质合金的显微结构和切削性能”的报告。分析了在不同条件下沉积在，合金基体上的金刚石涂层的晶体形貌；定量地测出了金刚石涂层与基体合金刀具的切削性能。金刚石涂层刀具的使用寿命较基体合金刀具均提高倍以上，预期金刚石刀具是加工和合金的理想刀具。此项研究反映出我国刀具涂层技术的新水平。涂层硬质合金刀具在与各种新型超硬刀具材料的激烈竞争中仍处于领先发展的地位。三、表面和整体热处理通过对韧性较好的硬质合金表面渗碳、渗硼等处理提高其表面耐磨性，或对耐磨性较好而强韧性较差的硬质合金进行整体热处理来改变合金中粘结成分与结构，降低硬质相