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切割刀片的材质分类以及说明介绍国外高速切削刀具材料的进展和应用 高速切削时, 对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件, 才能获得最佳的切削效果。据此, 针对目前生产中广泛应用的铝合金、铸铁、钢及合金和耐热合金等的高速切削, 已发展的刀具材料主要有: 金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具和TiC (N) 基硬质合金刀具(金属陶瓷) 等。金刚石刀具金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵, 加工、焊接都非常困难, 除少数特殊用途外( 如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工) , 很少作为切削工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展, 例如微型机械的微型零件, 原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺, 计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件的加工, 单晶天然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术, 使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易, 因此, 在超精密镜面切削的高技术应用领域, 天然金刚石起到了重要作用。 20 世纪 50 年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后, 70 年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石 (PCD) , PCD 晶粒呈无序排列状态, 不具方向性, 因而硬度均匀。它有很高的硬度(8000 12000HV) 和导热性, 低的热胀系数, 高的弹性模量和较低的摩擦系数, 刀刃非常锋利。它可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料, 如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。 PCD 刀具所含金刚石晶粒平均尺寸不同, 对性能产生的影响也不同, 晶粒尺寸越大, 其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下, 晶粒尺寸越小, 则刃口质量越好。例如, 选用晶粒尺寸 10 25Lm 的 PCD刀具, 可以500 1500m/ min的高速粒尺寸8 9Lm 的PCD 加工Si 含量小于 12% 的铝合金; 晶粒尺寸4 5Lm 的 PCD 加工塑料、木材等。而超精密加工, 则应选用晶粒尺寸小的PCD 刀具。通常PCD 刀具是烧结成金刚石_硬质合金复合刀片焊接在刀体上使用。利用超高压装置, 在5 6 万个大气压, 1400 1600e 的高温下, 可人工合成形状整齐、杂质非常少的单晶金刚石, 质量均匀稳定, 结晶面非常清晰, 识别容易。它具有所有物质中最高的导热率及与天然金刚石同等以上的强度。目前最大尺寸可达 8mm。这种单晶金刚石的尺寸、形状和性能的良好一致性, 在天然金刚石产品中是不可能实现的。它具有比 PCD 更好的耐磨性。PCD 的耐磨性超过700e 时会减弱, 因其结构中含有金属Co, 它会促进/ 逆向反应0 即由金刚石向石墨转变。但有较好的断裂韧性, 可以进行断续切削。例如, 可以 2500m/min 的高速端铣 Si 含量 10%的铝合金。当前, 人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的发展, 其新应用领域是木材加工业。对表面有氧化铝涂层的高耐磨层状木地板需求量越来越大。加工时, 木板耐磨层会引起刃口钝化, 导致氧化铝耐磨层碎裂, 必须经常磨刀或更换刀片, 而人工单晶金刚石性能显著优于PCD 刀具。目前正在研究和开发化学气相沉积 CVD 金刚石, 沉积出的是交互生长极好的PCD, 呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同, CVD 金刚石也呈现不同的晶粒尺寸和结构, 它不需金属催化剂, 因此它的热稳定性接近天然金刚石。根据不同的应用要求, 可选择不同的 CVD 沉积工艺以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的 PCD。作为刀具的 CVD 金刚石因其应用不同, 要求有多种不同的晶粒尺寸。CVD 金刚石制成两种形式: 一种是在基体上沉积厚度小于30Lm 的薄层膜( CVD 薄膜); 另一种是沉积厚度达 1mm 的无衬底的金刚石厚层膜 ( CVD 厚膜) 。目前CVD 薄膜金刚石应用不多。 CVD 厚膜可以通过特殊的但简易可行的技术钎焊在基体上, 但要保证钎焊点的强度。它与PCD 相比, 热稳定性好但脆性较高, 且不导电。不能用于放电加工( EDM) 技术中。CVD 厚膜金刚石在木材加工刀具和修整刀具中得到推广应用。由于CVD 厚膜金刚石的高纯度和高的耐磨性和热稳定性, 在高耐磨性材料的高速切削加工领域具有很大的潜力。目前可用于EDM 切削的CVD 厚膜金刚石刀具材料也已制造成功, 还有待于继续试验和评价。CVD 厚膜金刚石目前的成本较高, 随着技术的发展, 成本逐渐降低, 它将是PCD 有力的竞争对手。三种主要金刚石刀具材料- PCD、 CVD 厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为 5 : PCD 焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高, 抗磨损性和刃口质量居中, 抗腐蚀性最差。CVD 厚膜抗腐蚀性最好, 机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中, 可焊接性差。人工合成单晶金刚石刃口质量, 抗磨损性和抗腐蚀性最好, 焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。金刚石刀具是目前高速切削(2500 5000m/min) 铝合金较理想的刀具材料, 但由于碳对铁的亲和作用, 特别是在高温下, 金刚石能与铁发生化学反应, 因此它不宜于切削铁及其合金工件。 立方氮化硼立方氮化硼( CBN) 是纯人工合成的材料。它是20 世纪50 年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料-CBN 微粉。由于CBN 的烧结性能很差, 直至70 年代才制成立方氮化硼烧结块( 聚晶立方氮化硼PCBN), 它是由CBN 微粉与少量粘结相( Co、Ni 或 TiC、TiN、 Al2O3) 在高温高压下烧结而成。CBN 是氮化硼的致密相, 有很高的硬度(仅次于金刚石) 和耐热性(1300 1500 e ), 优良的化学稳定性( 远优于金刚石) 和导热性, 低的摩擦系数。PCBN 与Fe 族元素亲和性很低, 所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN 组织中各微小晶粒呈无序排列, 硬度均匀, 没有方向性, 具有一致的耐磨性和抗冲击性, 克服CBN 易解理和各向异性缺点。CBN 含量、晶粒尺寸和粘结相等会影响PCBN 的性能。CBN 含量高, PCBN 的硬度和导热性高, CBN 晶粒尺寸大, 其抗破损性就弱, 刀刃锋利性就差, 金属材料 Co、Ni 作粘结相时, PCBN 有较好的韧性和导电性, 陶瓷材料作粘结相时, 则有较好的热稳定性。目前多将 0. 5mm 左右的PCBN 层直接烧结或钎焊在硬质合金基体上, 做成PCBN 复合片, 有利于提高强度, 可焊性也好, 便于制造PCBN 刀具。 PCBN 刀坯从组织上看, 大致有两种。一种是高含量PCBN(CBN, 质量80% 90%) , 以 CBN 晶粒之间直接结合为主, 具有高硬度、高导热性。另一种是低 CBN 含量的 PCBN, 它是用少量金属或陶瓷粘结相牢固地结合起来的, 有较好的强度和韧性。一般较低CBN 含量( 50% 65% ) 的 PCBN 刀具适于精加工 45 65HRC 的淬硬钢, 高含量( 80% 90% ) 的适于加工镍铬铸铁, 粗和半粗断续切削淬硬钢, 高速切削铸铁, 加工硬质合金、烧结金属和重合金等。选择合适CBN 含量的 PCBN 刀具可以在500 1500m/min 高速下加工铸铁, 在100 400m/min 下加工45 65HRC 的淬硬钢, 在100 200m/ min 下加工耐热合金。但不宜加工以铁素体和45HRC 以下的钢及合金钢、合金铸铁、耐热合金, 特别不宜于加工 35HRC 以下的工件。涂层 CBN 刀具尚在研究中。 陶瓷刀具陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一。目前各国陶瓷刀片生产数量占可转位刀片的比例约为: 美国 3% 5% , 俄罗斯5% 7% , 日本7% 9% , 德国9% 12% , 英国、法国、瑞典等也在大力推广应用。由于现代陶瓷刀具原材料、组分和制备工艺取得了长足进步, 近 5 年来, 陶瓷刀具的销售额增长率达 20% 。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4) 两大系列, 添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物, 形成不同品种的氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。现有 40 多个品种, 200 多个牌号, 其中氧化铝基为25 种多, 氮化硅基的近15 种。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性, 其硬度达 93 95HRA, 耐磨性好, 适于加工50 65HRC 的高硬度材料, 如冷硬铸 铁和淬硬钢。高 温性能好, 在1200e 的高温下仍能进行切削。具有良好的抗粘结性能, Al2O3 与金属的亲和力小, 它与多种金属的相互反应能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低, 不容易与金属产生粘结, 化学稳定性好, Al2O3 在铁中的溶解率约为WC 的1/5, 扩散磨损小, Al2O3 的抗氧化能力特别好, 即使刀刃处于炽热状态, 也能长时间连续使用, 适于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系数也低于硬质合金。Al2O3 基陶瓷刀具的主要缺点是强度和断裂韧性较低, 脆性较大, 导热性差, 抗热震性不高。但几十年来, 在提高陶瓷刀具的力学性能上做了大量卓有成效的研究工作, 如采用热压和热等静压工艺, 加入各种增韧补强相, 如在 Al2O3 中加入金属碳化物、氮化物、硼化物及纯金属和晶须等, 如 Al2O3+ TiC、Al2O3+ ZrO2、Al2O3+ SiCw( 晶须) 、Al2O3+ TiN, Al2O3+ TiCN 等, 有的在这些组合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni 等金属和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化铝基陶瓷刀具可以高速切削钢、铸铁及其合金等, Al2O3+ SiCw 适于加工镍基合金。氮化硅( Si3N4) 基陶瓷与 Al2O3 基陶瓷比较, 其最显著的特点为强度和断裂韧性较高, 热胀系数低, 弹性模量也低, 故其抗热震性能高。Si3N4 基陶瓷刀具适于加工铸铁, 连续和断续切削都优于 Al2O3 基陶瓷刀具, 也可以用于冷硬铸铁、高硬轧辊等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其与铁的化学亲和性明显超过Al2O3 基陶瓷, 化学反应生成的低熔点化合物会使刀刃在短时间内破坏, 因此 Si3N4 基陶瓷刀具加工钢件就比 Al2O3 基的差得多。Si3N4 基陶瓷刀具也是在Si3N4 中加入各种增韧补强相形成多品种的陶瓷刀具。 Si3N4_Al2O3(Sialon) 陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品种, 它是在Si3N4 基础上通过用氧部分置换Si3N4 中的氮, 并以铝部分置换其中的硅的方法研制成功的, 是由 Si_Al_O_N 各种构成的多种化合物群的总称。Sialon 陶瓷刀具的强度和断裂韧性较高, 化学稳定性、抗氧化能力和高温抗蠕变能力都很好, 导热性高, 热胀系数小, 故有很高的抗热震性能。由于其抗蠕变强度高, 因而在刀尖处受到反复集中的高应力和热的作用时, 也没有因塑性变形而明显增大损坏的现象, 它是高速粗加工铸铁及镍基合金优良的刀具材料。在精车和半精车镍基合金等难加工材料时, 晶须增韧陶瓷刀具有优越性。粗车和铣削时, Sialon 陶瓷刀具更具适应性, 但它的溶解磨损速率比Al2O3 基陶瓷刀具高很多, 因而不适于加工钢件。陶瓷刀具选择合适的品种可以用 500 1000m/min 的高速切削铸铁, 用300 800m/min 的速度切削钢件, 用 100 200m/min 的速度切削高硬材料( 50 65HRC), 用100 300m/min 的速度切削耐热合金。 TiC( N)基硬质合金 TiC( N) 基硬质合金的主要成分是 TiC(碳化钛) 、TiN( 氮化钛) 和TiCN(碳氮化钛) , 它们是以高耐磨性的TiC+ Ni 或 Mo、高韧性的TiC+ WC+ TaC + Co、强韧的TiN 为主体, 以高强韧的 TiCN+ NbC 等TiC(N) 为基的硬质合金。与WC 硬质合金相比, 硬度、强度、韧性、抗塑性变形和抗崩刃性能得到显著改善, 主要是高温强度、高温硬度、导热性、抗氧化性和抗热震性能都有提高, 与钢的亲和力小, 摩擦系数也小, 抗月牙洼磨损和抗粘结能力强, 现在已发展成独立系列的刀具材料。近几年来发展的高氮含量、均匀微细硬质组织的TiC( N) 基硬质合金, 由于抗磨损性能和抗崩刃性良好, 适于在 200 400m/min 的高速下切削一般钢和合金钢, 也可用于铸铁的精加工。涂层刀具涂层刀具发展很快, 目前80% 以上都是涂层刀具。广泛应用的是在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等, 其中氧化铝(Al2O3)、碳氮化钛(TiCN) 、氮化铝钛(TiAlN) 、碳氮化铝钛(TiAlCN) 等, 有优异的高温性能。从单涂层发展为多涂层, 涂层工艺有化学气相沉积法( CVD 法) 和物理气相沉积法(PVD 法) 。PVD 法主要用于高速钢刀具, CVD 法和PVD 法均可用于硬质合金刀具涂层。PVD 法的硬质合金刀具有较好抗破损性能, 适于断续切削, 但耐磨性不如CVD 法的硬质合金刀具。涂层刀具随涂层物质不同, 其性能也有差别, 涂层硬质合金刀具具有: 高的硬度和耐磨性 (2100 4200HV) 、高的耐热性( 1000 1200e ) 、高的抗粘结性能、高的化学稳定性和摩擦系数低等, 优异的WC 基、TiC (N)基硬质合金和陶瓷都可作为涂层刀具的基体。目前适于高速切削的涂层硬质合金刀具的涂层物质主要有 CVD 的 TiCN+ Al2O3 + TiN、TiCN+ Al2O3、TiCN+ Al2O3+ HfN、TiN+ Al2O3 和TiCN 以及PVD 的复合涂层TiAlN/TiN、TiAlN 等。单涂层的TiC 或TiN 已经不用了。选择不同涂层物质的涂层硬质合金刀具可以 200 500m/min 的速度加工钢、合金钢、不锈钢、铸铁和合金铸铁等。近年来开发的氮化碳( CN )、氮化物(TiN/NbN、TiN/ VN) 等, 在高温下有良好的热稳定性, 适合于高速切削。软涂层刀具( 如 MoS2、 WS2 涂层的高速钢刀具) 主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属等。日本最近开发的纳米TiN/AlN 复合涂层铣刀片, 涂层达2000 层, 每层厚度为 2. 5nm, 可在高速下进行切削。目前复杂刀具(钻头、齿轮刀具、拉刀等) 主要是在高性能高速钢基体上涂层TiCN、TiN 等硬涂层。涂层刀具不适于特别重载下的粗加工和冲击大的断续切削以及高硬度材料 (如淬硬钢、冷硬铸铁) , 涂层刀具低速切削时, 容易产生剥落、崩碎等, 表面涂层的刀具重磨后, 涂层效果降低。粉末冶金高速钢 近几年来, 工业发达国家大力发展粉末冶金高速钢, 它是从高压氩气或纯氮雾化熔融的高速钢钢液中直接得到的细小高速钢粉末, 然后在高温高压下热等静压成钢锭, 从而再制成高速钢材 8 。与熔融法制造的高速钢相比, 它的优点是: 无碳化物偏析, 晶粒粉细小均匀, 可达2 3Lm, 热处理后, 硬度可达 67 70HRC, 抗弯强度高0. 5 1 倍, 在600 e 时的高温硬度高出 2 3HRC, 同样的切削条件, 刀具寿命提高0. 5 2 倍。由于物理力学性能各向同性, 可减小热处理变形与应力, 适于制造钻头、拉刀和齿轮刀具等复杂刀具。这类高速钢刀具, 其切削速度可成倍增加, 在其表面 PVD 涂层TiN、TiCN、TiAlN 后, 切削速度可达150 200m/ min。在复杂刀具高速切削领域, 粉末冶金高速钢涂层刀具将会进一步发展而占有重要地位。国内高速切削刀具材料面临的挑战国内高速切削刀具材料与国外差距较大, 目前在进口的和国内生产的高速机床上使用的刀具主要依靠进口, 所以国内高速切削刀具材料面临严峻的挑战。目前国内最常用的通用刀具主要是高速钢(W18Cr4V) , 多由较小厂家生产, 高性能高速钢如铝高速钢、钴高速钢品质较差, 也很少用。粉末冶金高速钢刀具仍在研究, 切削速度一般在 25 40m/ min。车、铣、镗和端铣刀普遍应用硬质合金, 但焊接刀居多, 主要是普通硬质合金(TG、YT) 。可转位刀片虽然有WC 加 TaC、NbC 或Hf_Nb, 以及超细硬质合金的产品, 但应用仍不普遍, 切削速度在 100 200m/min。硬质合金如深孔钻、螺纹刀具等近年也有产品, 但应用较少, 加工效率普遍偏低。国内高速切削刀具最具有优势的是陶瓷刀具, 研究开发的水平与国际相当。目前已有陶瓷刀具 30 多个品种, 其中氧化铝基20 多个, 氮化硅基近10 个, 包括带孔和不带孔陶瓷刀具的生产能力也很大10 。我们几十年来把切削学和刀具材料学紧密结合在一起, 经过深入研究 9、10 , 已建立了基于切削可靠性, 融合陶瓷刀具切削理论与刀具材料研究开发于一体的陶瓷刀具研究新体系。现在可以以切削可靠性为优化目标, 通过优化设计, 获得优异性能的陶瓷刀具材料, 并正在迈向陶瓷刀具材料的计算机辅助设计和热压工艺过程仿真相结合的国际前沿阵地, 突破了/ 炒菜式0 的研究开发传统模式, 加速了陶瓷刀具研究开发的进程。基于这种理论, 我们已开发成功 6 个品种12 个牌号的Al2O3 基陶瓷刀具材料, 先后投放市场, 其中包括铝钛(LT)、晶须 (JX)、硼钛(LP) 、添加特殊粉末与稀土 LD 系列、梯度功能( FG) 和陶瓷_硬质合金复合片(FH)系列。FG 和FH 系列的力学性能和抗磨损与抗破损性能有显著提高, 延长了刀具寿命。在 6 个品种中的晶须与颗粒协同增韧的JX_2, LP_2, 梯度功能FG, 陶瓷_硬质合金复合片( FH) 和添加特殊粉末的 LD_1 不仅填补了国内空白, 国外也未见报导。国内的陶瓷刀具产品的力学性能和切削性能与国外相当, 有的还好一些。国内陶瓷刀具可在 300 1000m/min 的高速下车削或铣削钢、合金钢、铸铁和合金铸铁等, 在这些 Al2O3 基品种中, SG_4、FG_2 和 FH_2 三种是目前国内外高速加工淬硬钢( 55 65HRC) 的理想刀具材料 10 。国内研制的氮化硅基陶瓷刀片性能优异, 在加工铸铁方面显出了优越性。Sialon 陶瓷刀具也有产品。陶瓷刀具存在的主要差距是高精度陶瓷刀片精度和外观质量还欠佳, 有的品种还没有, 推广应用也远不如发达国家普遍。国内高速切削用的立方氮化硼(PCBN)于1973 年、聚晶金刚石( PCD) 于 1980 年研制成功, 发展较快, 已开发出可分别用于车、镗、铣削等加工领域的多种不同CBN 含量的 PCBN 刀具和不同晶粒尺寸的PCD 刀具。其中PCBN 刀具目前主要用于加工淬硬钢、高硬铸铁和某些难加工材料。PCD 刀具主要用于高硅铝合金加工。目前主要是国内的多家合资公司研究和生产的超硬刀具(PCBN、PCD 和天然金刚石ND) 主导着市场。两类刀具应用还不普遍。人工合成单晶金刚石和涂层金刚石还在研究中。碳化钛(TiC(N) ) 基硬质合金国内于 60 年代末开始研制, 最早的是TiC 基硬质合金, 最近几年研制成功含TiN 的TiC_ TiN 和TiCN 的TiC(N)基硬质合金几种产品, 可用于200 400m/min 高速精和半精加工钢、合金钢和不锈钢。近来国内初步研制成功加入TiN 纳米粉的TiC+ TiN 纳米改性Ti( C, N) 基硬质合金。试验表明, 在200m/min 速度下加工45 钢, 比未加纳米改性的刀具提高寿命1 倍, 目前尚无产品。Ti( C, N) 基刀具材料存在的主要问题是品种较少, 应用也不多。国内在20 世纪70 年代初开始研制涂层刀具, 最初研制 CVD TiC 单涂层硬质合金, 80 年代初研究PCD TiN 单涂层高速钢刀具。经过多年的努力。从国外进口了一批涂层设备, 近年来开发成功 CVD TiC_TiN、Al2O3_TiN 多涂层硬质合金刀片和PVDTiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN 复合多涂层高速钢复 杂刀具。低温 ( 600e )的外热式直流脉冲等离子体增强化学气相沉积技术( PCVD)也开发成功, 具有设备简单、涂层厚度均匀、结合强度高、涂层材料种类多、工件不变形等优点。但目前市场上涂层刀具的主要产品是CVD Al2O3 和TiN 复合涂层硬质合金刀片以及 PVD TiN 涂层高速钢刀具。 TiCN、TiAlN 和TiAlCN 商品化涂层产品由于技术原因, 难于及时供应, 质量与国外还有差距。PVD 硬质涂层如氮化碳( CN ) 、Al2O3、氮化物 TiN ( NbN) 、TiN/VN 等 以及金刚石 PCD 膜涂层和软涂层 (MoS2, WS2)和纳米涂层等有待开发。国外在国内的代理公司大力热销涂层刀具, 剧烈冲击着国内市场。 高速切削刀具材料的未来未来超高速切削的目标是: 铣削铝为10000m/min, 铸铁为 5000m/ min, 普通钢为2500m/ min; 而钻削铝、铸铁和普通钢分别为30000、20000 与10000r/ min。因此, 今后要发展具有更加优异高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性的刀具材料。 (1) PCD 刀具将继续发展提高性能, 广泛使用于加工铝合金和高硬度非金属材料, 但人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层将发展更快, 视其成本, 将逐步取代PCD。高速超精密镜面切削领域, 天然金刚石刀具仍有重要作用, 但部分将被人造单晶金刚石代替。目前限制 PC