刀具材料的发展与应用.doc

刀具材料的发展与应用刘承桓摘要：随着材料工业及精密机械工业的发展，精密切削、超精密切削和难切削材料使用的增多，目前常用刀具材料种类已经难以满足生产需求。本文通过分析刀具材料的发展状况，对主要品种的应用及发展前景进行探讨。关键词： 刀具材料 切削加工 发展一 前言金属切削过程中，切削层金属在刀具的作用下承受剪切滑移而塑性变形，刀具与工件、切屑之间挤压与摩擦使刀具切削部分产生很高的温度，在断续切削加工中还会受到机械冲击及热冲击的影响，加剧刀具的磨损，甚至使刀具破损。因此刀具切削部分的材料必须具有较高的耐磨性，较高的强度，较高的冲击韧性，较高的热硬性及良好的加工工艺性。二 常用刀具材料现状通常当材料硬度高时，耐磨性也高，抗弯强度高时，冲击韧性也高，但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。虽然目前可供使用的刀具材料品种较多，但由于高速钢在强度、韧性、热硬性、工艺性等方面具有优良的综合性能，因此在切削某些难加工材料以及在复杂刀具(尤其是切齿刀具、拉刀和立铣刀等)制造中仍占有较大比重。由于高速钢中的主要元素钨、钴等资源紧缺，所以高速钢的发展方向为：发展各种少钨的通用型高速钢；扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al、W12Mo3Cr4VCo3N等钢种；推广使用粉末冶金高速钢和涂层高速钢。由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不易兼顾，因此使用者只能根据具体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。为进一步改善硬质合金刀具材料的综合切削性能提高硬质合金的韧性，通常采取增加Co含量的方法，由此引起的硬度降低现在可通过细化晶粒得到补偿。三 硬质合金刀具发展方向硬质合金刀具材料的发展主要体现在两个方面：细晶粒和超细晶粒硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大提高，可替代高速钢用于制造小规格钻头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。整体硬质合金刀具的使用可使原来采用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率显著提高。过去细晶粒多应用于K类(WC+Co)硬质合金，近年来P类(WC+TiC+Co)和M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。涂层技术的发展从过去只能涂覆单一的TiC、TiN涂层，已进入开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型抗塑性变形基体的应用，在改善涂层韧性、涂层与基体结合强度、涂层耐磨性方面已有重大进展，全面提高了硬质合金刀具材料的切削性能。目前，在硬质合金可转位刀片表面涂覆金刚石的技术已获得突破，从而使硬质合金刀具不仅在加工黑色金属领域而且在加工有色金属领域的切削效率全面提高。 四 现有陶瓷刀具种类及发展方向与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的l020倍，其红硬性比硬质合金高26倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。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，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加人TiC、WC、SiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达9395HRA，为提高韧性，常添加少量Co、Ni等金属。氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为SiN+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。氮化硅一氧化铝复合陶瓷。其化学成分为77Si3N4+13A12O3+10Y2O3，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。金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度大于陶瓷材料，小于硬质合金；化学稳定性和抗氧化性好，耐剥离磨损，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；由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，在自动化加工中不易发生长切屑缠绕现象，零件棱边基本无毛刺。金属陶瓷的缺点是抗热震性较差，易碎裂，因此使用范围有限。五 目前超硬刀具及发展趋势市场上聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具按成分和制造方法可分为3种：整体聚晶立方氮化硼刀具、聚晶立方氮化硼复合片以及电镀立方氮化硼刀具。它具有极高的硬度与耐磨性，具有很高的耐热性，具有良好的化学稳定性和导热性，摩擦系数也较低，PCBN与PCD、PDC刀具材料有着相似的结构与性质，但耐磨性比PCD、PDC要差。然而PCBN具有良好的抗化学腐蚀性，且在1200的高温下，表现出良好的热稳定性。目前50%的PCBN刀具用于汽车制造业， 包括用于加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等，另外，约20%用于重型设备(如轧辊)的加工。近年来，随着计算机加工技术的迅猛发展以及数控机床普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的PCBN刀具的应用也日益普及，同时还引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、以车代磨、干式切削等。PCBN刀具材料已成为现代切削加工中不可缺少的重要的刀具材料。金刚石烧结体（PCD）是在高温、高压下，通过钴等金属结合剂将许多金刚石单晶粉聚晶成的多晶体材料。虽其硬度稍低于天然单晶金刚石，但它是随机取向的金刚石晶粒的聚合，属各向同性，无解理面。因而它不像大单晶金刚石那样在不同晶面上的强度、硬度及耐磨性有很大的差别，以及因解理面的存在而呈脆性。在切削时，切削刃对意外损坏不很敏感，抗磨损能力也较强，可长时间保持锋利的切削刃，加工时可采用很高的切削速度和较大的背吃刀量，使用寿命一般高于WC基硬质合金刀具1050倍，而且PCD原料来源丰富，其价格只有ND的几十分之一至十几分之一，PCD刀具具有极高的硬度及寿命、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、优异的导热性和低膨胀系数等特点，现已成为传统WC基硬质合金刀具的高性能替代品。聚晶金刚石复合片(PDC)刀具材料是在PCD研究的基础上发展起来的。硬质合金作为PCD的基体材料既有好的韧性和一定的硬度，同时又具有可焊性以及与PCD的某种兼容性。所以它既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有硬质合金的韧性和可焊性之优点。CVD金刚石是在低压下制备的，它不同于大单晶金刚石，而PCD、PDC是在高温高压下合成的。CVD金刚石包括三类：第一种是在适当基体上沉积的CVD金刚石涂层(包括类金刚石DLC涂层)；第二种是沉积厚度达1mm的无支撑的CVD金刚石厚膜；第三种是在金刚石晶种上外延生长的CVD金刚石单晶膜或准单晶膜。CVD金刚石由于是不含任何金属催化剂的纯金刚石，因此它的热稳定性接近天然金刚石。同高温高压人工合成聚晶金刚石一样，CVD聚晶金刚石晶粒也呈无序排列，无脆性解理面而呈各向同性。CVD涂层刀具与PCD、PDC刀具相比，具有刀具形状复杂、成本低、一片多刀刃等优点。然而，也存在金刚石涂层与基体之间结合强度低以及对有CVD金刚石涂层的刃口进行研磨处理时容易分层剥落的缺陷。 到目前为止，CVD金刚石的应用市场还不大；CVD金刚石厚膜与PDC相比，主要优点是其热稳定性好，缺点是晶粒间的内聚强度低，内应力大、相对脆性大和不导电性。特别是缺乏导电性， 阻碍了它在电火花(EDM)切割、抛光加工技术中的应用。六 参考文献1.邓福铭，陈启武.PDC超硬复合刀具材料及其应用M.北京：化学工业出版社，20032.陆剑中，周志明.金属切削原理与刀具M.机械工业出版社，20063.姚学祥，张桂香.超硬材料刀具研究现状和趋势J.硬质合金，2001，18 (3)：182186.4.叶伟昌，程伟.超硬刀具材料的新进展J.世界制造技术与装备市场，2002，(1)：6769.5.侯世香等. PCB刀具的特点及实际应用J. 现代制造工程，2002，(5)6.戚正风，任瑞铭.国内外刀具材料发展现状J. 金属热处理，2008，01:（5） 金属切削原理及刀具 3 刀具材料的发展近十年来，随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多，现代刀具已不再局限于目前广泛使用的高速钢刀具和硬质合金刀具，陶瓷刀具、金刚石与立方氮化硼等超硬材料刀具、涂层刀具、复合材料刀具已成为今后的发展趋势，新型刀具材料的应用预示着切削效率将提高到一个新水平。虽然目前可供使用的刀具材料品种较多，但由于高速钢(HSS)在强度、韧性、热硬性、工艺性等方面具有优良的综合性能，因此在切削某些难加工材料以及在复杂刀具(尤其是切齿刀具、拉刀和立铣刀等)制造中仍占有较大比重。由于HSS中的主要元素钨、钴等资源紧缺，所以HSS的发展方向为：发展各种少钨的通用型高速钢；扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al(501)、W12Mo3Cr4VCo3N(Co3N)等钢种；推广使用粉末冶金高速钢(PM HSS)和涂层高速钢。例如，用ERASTEEL公司生产的ASP2030 PM HSS钢加TiN涂层制造的插齿刀插削12Cr2Ni钢制齿轮时，刀具寿命比普通熔炼高速钢W6Mo5Cr4V2(M2)提高34倍。高速钢是铁磁性材料，具有较高的剩磁感应和较大的矫顽磁力，而正常的切削温度不超过650，因此高速钢刀具可进行磁化切削。浙江大学提交的“磁化切削研究”论文中，详细介绍了磁化原理与方法，分析比较了磁化切削与普通切削在切削力、切削功率、切削热、加工精度等方面的差别。结果表明，磁化切削可显著改善高速钢的切削性能，延长刀具使用寿命，提高加工质量。硬质合金刀具材料的发展主要体现在两个方面：细晶粒(10.5m)和超细晶粒(0.5m)硬质合金材料及整体硬质合金刀具的开发，使硬质合金的抗弯强度大大提高，可替代高速钢用于制造小规格钻头、立铣刀、丝锥等量大面广的通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。整体硬质合金刀具的使用可使原来采用高速钢刀具的大部分应用领域的切削效率显著提高。过去细晶粒多应用于K类(WC+Co)硬质合金，近年来P类(WC+TiC+Co)和M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。为提高硬质合金的韧性，通常采取增加Co含量的方法，由此引起的硬度降低现在可通过细化晶粒得到补偿，并可使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa，已达到并超过了普通HSS钢的抗弯强度，从而改变了过去普遍认为P类硬质合金适于切削钢，而K类硬质合金只适于加工铸铁和铝等有色金属的刀具选材格局。细晶粒硬质合金的另一优点是刀具刃口锋利，尤其适于高速切削粘而韧的材料。涂层技术的发展从过去只能涂覆单一的TiC、TiN涂层，已进入开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型抗塑性变形基体的应用，在改善涂层韧性、涂层与基体结合强度、涂层耐磨性方面已有重大进展，全面提高了硬质合金刀具材料的切削性能。目前，在硬质合金可转位刀片表面涂覆金刚石的技术已获得突破，从而使硬质合金刀具不仅在加工黑色金属领域而且在加工有色金属领域的切削效率全面提高。此外，陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬刀具材料也得到了迅速发展，其脆性有了重大改进，韧性明显提高，使用可靠性大大改善，已可作为常规刀具材料应用于实际生产。作者及北京理工大学提交的“超硬刀具材料的新进展”等论文，阐述了超硬刀具材料的发展、性能及应用场合，重点介绍了近年来出现的几种超硬刀具材料新品种及其实验研究数据，对超硬刀具的推广应用具有现实意义。(2)陶瓷 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的l020倍，其红硬性比硬质合金高26倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。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，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加人TiC、WC、SiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达9395HRA，为提高韧性，常添加少量Co、Ni等金属。氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为SiN+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。氮化硅一氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77Si3N4+13A12O3+10Y2O3，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构成的