现代刀具材料与切削加工技术 - 19~26W.doc

5、钛基硬质合金 钛基硬质合金是指以TiC或TiC、TiN为主要硬质相，以Ni-Mo 或Ni-Co-Mo等为粘结相的硬质合金。镍和钼的总含量通常为2030%，与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有更好的耐磨性，但韧性和抗塑性变形能力较弱。我国代表性牌号是YN05、YN10相当于ISO的P01和P05适用范围，主要用于碳素钢的精加工，而且还适合各种合金钢、工具钢、不锈钢、淬火钢等的连续切削精加工，尤其是对较大较长的零件和表面光洁度及公差要求较高的工件加工时显示出良好的效果。 如北京重型电机厂精加工35CrNiMo钢材多台阶轴（78个台阶）工件尺寸400500600毫米，原来YT15合金每车一个台阶需磨一次刀，加工件表面不稳定，采用YN05刀片，V=200300m/min，f=0.080.2mm/r，ap=0.10.6mm，一个刃口使用两个班不须磨刀，工件表面光洁度达到67，锥度达0.02毫米/400毫米之内，解决了多年的生产难关。再如北京理工大学，做30CrMnSiA和35CrMnSi(HRC47)高强度钢切削试验，曾收集多种牌号合金试切均不理想，只有YN05合金在切速V=150m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm的条件下切削137分钟，后刀面磨损仅0.17毫米，被认为是目前切削高强度钢最好的刀具材料。又如，为北京重型电机厂推荐用YN10合金铣削A3钢圆球，经反复多次试验成功，精铣的钢球表面光洁度经市计量部门测验，光洁度大部为7上限，局部光洁度达到8，该合金被纳入生产工艺中去。再如为成都机床修配厂攻克精铣铸铁1.5米3.0米工作平台，精铣的平行度和平面度在0.020.03mm之间，表面光洁度达到6上限和7。还有向许多用户推荐用YN10合金旋风铣削丝杆代替YT15，不仅表面光洁度高，刀具寿命也提高45倍。上个世纪后期，国内外又研发TiCN基硬质合金，它是在以TiC-Ni-Mo基础上添加TiN、TaC、WC等成分，既保留了TiC基硬质合金的高耐磨性和优良的抗氧化性能，又显著地改善了韧性和强度，使其应用范围更宽，通用性更好。当时株洲硬质合金厂研究所推出了TN系列细晶粒牌号TN05、TN10、TN20和中晶粒TN30钛基合金，其使用性能及加工实例见表5-1所示。表5-1，TN系列钛基硬质合金使用性能及范围实例 牌号ISO分类 使用性能、范围及实例TN05P05-P10M05-M10具有极好的耐磨性和红硬性，但抗崩刃能力较差。适用于碳素钢、各类高强度钢、不锈钢和耐热合金钢以及硬度HRC55淬火钢精加工。如加工30CrMnSiA(HRC35-38)时耐用度比CN25涂层刀片高2倍。加工T10A淬火钢HRC55、耐磨性比YG600合金提高4倍以上。宜于长轴类零件的微量切削。TN10P10-P15M10-M20具有很好的耐磨性和红硬性、抗月牙洼磨损和后刀面磨损特强。可用于TN05适宜加工材料的精加工和半精加工，尤其对不锈钢、高强度钢的半精加工效果最佳。如加工3Cr2W8高强度钢（HB-400）耐用度比YT726合金提高4倍；加工1Cr12NiWMoVNb耐热不锈钢，V=200m/min，f=0.10mm/r，ap=1.2mm，切削速度和耐用度比YG8合金提高2倍。TN20P10-P20M10-M20具有很好的综和性能、通用性比较强。可用于合金钢、不锈钢、高强度钢的半精加工，一定条件下可用于球铁。灰铁的精加工和半精加工，耐用度比YT类、YW类提高1-4倍。TN30P20-P30M10-M20具有良好的耐磨性和抗崩刃能力，韧性、强度较高，红硬性好。用于合金钢、高强度钢、不锈钢和球铁的高速精铣和半精铣，也可用于这类材料的精车加工。如精铣平面2Cr13(HB260)，V=125m/min，f=0.4mm/r，ap=5mm，加工效率比YT14提高20%，耐用度提高50%。精加工70Mn2Mo(HB200)，V=46m/min，f=0.08-0.1mm/r，ap=3mm，耐用度比YT15提高2.5倍，切削效率提高1倍。由于种种原因该系列后来停止生产。近年来，株洲钻石又开发了细晶粒TiCN基金属陶瓷和PVD涂层金属陶瓷（钛基硬质合金）显示出很好的红硬性和优异的抗月牙洼磨损能力，是钢材高速加工和半精加工较为理想的刀具材料，其高温强度比WC-Co硬质合金高，而韧性又比Al2O3、Si3N4陶瓷刀具好，填补了WC基硬质合金与Al2O3、Si3N4陶瓷在高速精加工和半精加工领域的空白。这种合金有两个牌号即YNG151对应于ISOP05-P20/M05-M20/K05-K20;YNG151C(为PVD涂层合金)对应于ISOP01-P20/M10-M20/K01-K20的使用范围，无论是高速精车、精镗和精铣加工均优于目前国产钛基硬质合金使用效果，而涂层钛基合金YNG151C的切削性能又高于YNG151牌号。日本是TiC（N）基硬质合金研发、应用增长速度最快，1971年日本生产了添加TiN的TiC-TiN基合金，使用范围扩大到P01-P30，抗弯强度增加到1600MPa，1983年高性能TiN基合金将抗弯强度提高到18002000MPa，硬度HRA90-95，使用范围从精加工扩展到粗加工领域。据报导，目前日本在切削加工中，金属陶瓷约占28%，在汽车行业的切削加工中，金属陶瓷所占份额更是高达32%，美国、欧洲金属陶瓷约占切削工具总量的10%左右，目前在我国切削工具中，应用钛基硬质合金的比例不到1%，因此，应用钛基硬质合金很有发展前景。五国十厂钛基硬质合金分类对照表见表5-2.1技术信息所示。二、陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性、优良的化学稳定性和低摩擦系数等一系列优点。在常温下，陶瓷于硬质合金的显微硬度大致接近，但在790的高温下，陶瓷仍能保持较高的硬度（HSS和硬质合金常温硬度），而高速钢、硬质合金的硬度则明显降低。同时在高温高压下、陶瓷于被加工材料的化学亲和性小，热容量也有所降低，故能用于高速切削或高速重切削。它对应于ISO标准的S、H类，主要用于加工各种高硬度铸铁、淬硬钢、高强度钢、高锰钢、高温合金、工程塑料和复合材料。不宜切削一般钢材料、铝合金等。2.1 陶瓷刀具材料的种类陶瓷刀具材料按化学成分主要有纯Al2O3系列，Al2O3碳化物系列和Si3N4基系列三大类，这三大类陶瓷材料各有特点：2.1.1 纯氧化铝陶瓷，其成分几乎全是Al2O3，添加很少量的MgO或者Cr2O3、TiO2等，它的硬度为HRA9192，主要用于普通钢材的精车、半精车和HRCS35钢件的粗车，但因抗弯强度很低，难以推广应用。2.1.2 Al2O3碳化物复合陶瓷，以Al2O3为基加入TiC、WC、Mo2C、SiC、TaC或NbC等成分，使韧性得到改善，提高了使用性能，是近年来发展最快的一种刀具材料，不仅能在低高速下工作，也可以在断续切削条件下工作。2.1.3 氮化硅系列陶瓷。这类陶瓷分有三种类型：是Si3N4TiCCO复合型陶瓷，以纯氮化硅为主体，TiC和CO添加量很少，该陶瓷刀片的性能好，韧性和抗弯强度高于Al2O3基陶瓷，而硬度又不下降。所以，在生产中用的比较广泛，除了不能加工出长屑的钢材（如正火，热轧状态）其它加工范围与氧化铝系列陶瓷近似。是Si3N4MgOAl2O3成分的氮化硅氧化铝系列陶瓷，被称为赛龙陶瓷（SiaLon）。是晶须强化陶瓷其成分Al2O350%，Si3N450%，并添加微量碳化物结晶体。和两种陶瓷刀具材料的物理机械性能、切削性能和应用范围基本相同，具有强度和韧性高，耐磨损、抗蠕变性、抗热振性、化学稳定性和极小的摩檫系数，常温硬度可达HRA92.594.2，高温硬度好，切削温度在1000-1200时，它的硬度和强度几乎不降低。而晶须强化陶瓷另一个特点是Si3N4的粉末晶粒结构系玻璃纤维状（长须型）。晶粒体结合力极好，抗断裂性高于其它陶瓷，仅次于硬质合金，无论是干切还是湿切，甚至间歇冷却，都不会因产生裂纹而崩刃，可以用于断续切削粗加工。 陶瓷刀具几何参数的选择选择较大的刀尖圆弧半径（r），一般为0.81.6mm.刀片刃口需作倒棱，其参数为0.10.21545倒棱后需作钝化处理。一采用负前角和负刃倾角，前角的负值-5-10，刃倾角值(ls)-10-15，这两个角度的选择宜视工件硬度、状态来确定参数值的大小，硬度高、状态不佳的宜取大值，反之取小值。 在用作铣刀或镗刀时，避免使用大的后角，最好能使用0后角。2.2 例举陶瓷刀片的使用实例：2.2.1 切削高镍铬合金铸铁（HRC53）对比试验。早些年在黑龙江勃利农机厂攻关时，曾用细晶粒硬质合金YG6X,超细颗粒合金YSIO(YMO53)和氮化硅赛龙陶瓷TT100三种不同结构不同刀片材料试切。首先用YG6X合金车削，V=20m/min,f=0.4-0.5mm/r,ap=5mm，打刀现象严重，每刃磨一次勉强能加一个工件，须重新刃磨。再用YSIO合金车削，v=35m/min,其它参数相同，在提高切削速度同时，一个刃口可加工3个工件，刀具耐用度成倍提高，加工效率也有很大提高。随后又推荐陶瓷刀片试切，V=165m/min,其它用量同上，连续车削6个工件，刀口刃口完整无损。加工效率和刀具耐用度成倍提高。充分说明新型刀具材料有着巨大的发展潜力。2.2.2 采用须晶强化陶瓷车削镍基高温合金，其切削速度比硬质合金提高50%，而耐用度比未涂层合金刀具延长8倍，是涂层硬质合金刀片的4倍以上。三 、立方氮化硼刀具材料 立方氮化硼是非金属硼化物晶体结构。有CBN单晶粉，用于制作磨具（磨料）；PCBN聚晶陶瓷复合片，用于制作刀具及其它工具。PCBN是采用热压工艺法，将六方氮化硼（HBN）粉加入结合剂，压制成CBN单晶粉，再将CBN单晶粉加入结合剂，压制烧结成PCBN聚晶片，并同WC基硬质合金基体上合成一层约1.0mm厚的CBN而成。它既有硬质合金基体的耐冲击性能，又具有CBN的高耐磨性。 PCBN刀具适用于加工各种淬硬钢、高强度钢、冷硬铸铁、高温合金、硬质合金及表面喷涂材料等。对应于ISO标准中的H类，宜用于H01H30的使用范围、粗加工和精加工。 3.1 立方氮化硼刀具材料的性能 3.1.1 具有很高的硬度和耐磨性 CBN晶体结构与金刚石相似，金刚石是目前刀具材料中硬度最高，而CBN的硬度仅次于金刚石，CBN显微硬度HV70008000，其烧结体PCBN地硬度为HV30003500。 3.1.2 具有很高的热稳定性CBN的耐热性可达14001500，CBN在800时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。 3.1.3 具有优良的化学稳定性 由于PCBN耐高温，切削温度在1300时也能顺利切削，而且不与大多数金属、铁系材料发生亲和及扩散。如Fe、Ni、Co等也几乎无反应，能广泛用于高速和超高速切削作业。 3.1.4 具有较好的导热性在各种刀具材料中，CBN的导热性仅次于金刚石，大大高于硬质合金，而且随着切削温度的升高，PCBN 的导热系数是增加的，有利于延长刀具使用寿命和加工质量。 3.1.5 具有很小的摩擦系数 CBN的摩擦系数为0.10.3，而硬质合金的摩擦系数为0.40.6，随着切削速度的提高，摩擦系数是减小的，使切削力减少，切削温度降低等。 PCBN 刀具几何参数与陶瓷刀片几何参数基本相同参照选择即可。 3.2 介绍用立方氮化硼刀具切削对比实例 1、聚晶立方氮化硼（ PCBN ）刀具切削淬硬钢 用 PCBN刀具车削淬硬钢T10A(HRC60-63)与硬质合金YS8进行对比，YS8合金的切削速度在v=44m/min以内，若切削速度再提高，刀具加剧磨损，不利于切削。而PCBN则可发挥其优势，在切削速度高达v=84m/min时，后刀面磨损量大为减缓，切削时间近30min,VB=0.25-0.3mm.2、 聚晶立方氮化硼（ PCBN） 刀具车削冷硬铸铁3、 用 PCBN 刀具车削球磨冷硬铸铁，硬度为58-68HS与硬质合金YG6X进行对比；切削用量，V=60m/min,f=0.22mm/r,ap=0.3mm。 PCBN 刀具的耐用度相当长，切削路程达8000m时，VB值仅为0.16mm，而YG6X硬质合金刀具切削速度只能采用610m/min,其刀具耐用度和加工效率均比PCBN刀具低得多。4、 金刚石工具材料金刚石分为天然金刚石、人造金刚石和金刚石涂膜，其性能用途如下：4.1天然金刚石刀具材料性能及应用范围 天然金刚石、和聚晶金刚石属于ISO的N类（其适用于ISO的N01-N30）.而天然金刚石是最硬的刀具材料（也是自然界最硬的材料，硬度达10000HV）其性能特点是： 耐磨性好，能在长时间保持刃口锋利，从而使工件加工精度高，尺寸稳定性好，并能进行微量切削。 摩擦系数小（0.1-0.3）排屑顺利 热导率高（0.35），热膨胀系数小（仅1.18是所有刀具材料最小者）刀具热变形小，能进行高速切削且表面粗糙度可达Ra0.04um以下，可达到镜面光加工。 由于金刚石约在650度开始碳化，在700-800则容易被碳化，完全失去硬度。故其工作温度应低于700。 天然金刚石有沿某晶面解理特点，因而各向异性。使用时应秉取特殊的刀具几何形状及选定合适的刀面和切削刃的方位，这样便可使寿命提高几十至上百倍。天然金刚石车刀已广泛用于仪表，钟表，计算机，激光加工装置及宇航等工业有色金属零件的精密，超精密加工。金刚石还大量用于制作拉丝模，砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头。还用于各种耐磨零件。4、2 复合金刚石刀具材料性能及使用范围 聚晶复合金刚石原料成分是碳（石墨），石墨片与触媒剂Ni-Mn片置于模体中，压制成PCD的单晶粉，再将PCD单晶粉加入结合剂Ni、Si、Co等元素制成PCD聚晶片与作为基体的硬质合金会在高温高压下烧结而成的复合体。由于它把金刚石的高硬度和耐磨性同硬质合金的高强度和韧性巧妙地结合在一起，因而获得极优良的综合性能，能承受较大的冲击，可用于断续切削和采用较大的切削深度。而且其性能具有各向同性，故使用时不必调整刀片方位，并可交次重磨，这类刀具适于加工有色金属及石墨，塑料等作金属材料，其寿命比硬质合金刀具高50100倍。但在高温条件下，它将与铁族元素产生化学反应，故不宜用于切削铁系金属。注意无论使用哪种金刚石刀具，切削深度均不宜太大，应在高精密机床加工。 此外，金刚大涂层工具技术也有较快的发展，它的涂层材料为纯金刚石，因不含结合剂，只是金刚石膜层厚