现代刀具材料讲座

现代刀具材料讲座现代刀具材料讲座 现代刀具材料系列讲座高性能熔炼高速钢摘要介绍了高性能熔炼高 速钢的种类与性能 列出了某些切削试验数据 关键词高性能高速钢 熔炼 金属切削高速钢材料发明于19世纪末 一般用熔炼方法制成 普通高速钢的典型牌号是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2 在加工效率和加工质量要求日益提高的现代切削加工中 它们的性 能已嫌不足 在20世纪后期 逐步出现了许多高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢基础上 通过调整基本化学成分并添 加其他合金元素 使其常温和高温机械性能得到显著提高 附表中列出了国内外有代表性的高性能高速钢的化学成分和机械性 能 现分述其特点于下1高碳高速钢在W18Cr4V基础上 增加0 2 含碳量 形成95W18Cr4V 根据化学平衡碳理论 可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳 量 加强回火时的弥散硬化作用 从而提高了常温和高温硬度 与W18Cr4V相比 95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高 刃 磨性能相当 这个钢种的切削性能虽不及高钴 高钒高速钢 但价格便宜 切削 刃可以磨得很锋利 故有应用价值 同样 还有100W6Mo5Cr4V2 CM2 高碳高速钢 2高钴高速钢在高速钢中加钴 可以促进回火时从马氏体中析出钨 钼碳化物 提高弥散硬化效果 并提高热稳定性 故能提高常温 高温硬度及耐磨性 增加含钴量还可改善钢的导热性 降低刀具 工件间的摩擦系数 M42是美国这方面的代表性钢种 其综合性能甚为优越 瑞典的HSP 15也是这一类的钢种 但其含钒量为3 刃磨加工性不如M42 钴含量高 价格昂贵 不适合中国国情 我国研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si 性能优越 价格低于M42和H SP 15 但Co5Si含钒量亦达3 刃磨加工性亦较差 故不宜用其制造 刃形复杂的刀具 3高钒高速钢高钒高速钢 如B 201 B 211 B212 的钒含量为3 5 同时加大碳含量 形成VC与V4C3 使高速钢得到高的硬度和耐磨性 高钒高速钢的耐热性也好 但高钒高速钢的刃磨加工性差 导热性 也不好 冲击韧性较低 故不宜用于复杂刀具 在高钒高速钢中也可加入适当的钴 成为高钒含钴高速钢 我国研制的高钒含氮高速钢V3N 价格便宜 切削性能也好 唯刃磨 较难 后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N W12Mo3Cr4VCo3N 切削性能很 好 刃磨性能亦佳 但价格高于V3N 4含铝高速钢我国研制出无钴 价廉的含铝高性能高速钢501 其中铝含量约为1 铝能提高钨 钼在钢中的溶解度 而产生固溶强化 由于铝化合物 在钢中能起 钉扎 作用 故钢的常温 高温硬度和耐磨性均得以 提高 强度和韧性也都比较高 切削性能与M42相当 501的钒含量为2 刃磨性能稍逊于M42 5F6也是含铝1 的高性能高速钢 B 201 B 211 B212中也含铝 含锚高速钢是中国的一个独创 501在国内得到广泛应用 在国外也得到应用 其他含铝高速钢的应 用不如501广泛 在切削难加工材料时 应当合理选用不同牌号的高性能高速钢 切削常见的难加工材料 如高强度钢 奥氏体不锈钢 高温合金 钛合金等 上述各种高性能高速钢都可以选用 选用时主要应考虑 高速钢的机械性能和刃磨性能在粗加工或断续切削条件下 应选用 抗弯强度与冲击韧性较高的高性能高速钢 在精加工时 对高速钢 的抗弯强度与冲击韧性的要水较低 这时主要考虑其耐磨性 工艺 系统刚性差时 选用高速钢的牌号与粗加工时相同 工艺系统刚性 好时 选用高速钢的牌号与精加工相同 刃型复杂的刀具 应选用 刃磨性能较好的低钒高钴或低钒含铝高速钢 刃型简单的刀具 可 选用刃磨性能差的高钒高速钢 高性能高速钢的化学成分和机械性能表作者曾做过多种高性能高速 钢车刀与普通高速钢 W18Cr4V 车刀切削高强度钢36CrNi4MoVA 调质 HRC43 46 的对比试验 刀具几何参数 前角 0 4 主偏角 r 45 刀尖圆弧半径 0 2mm 切削深度 p 1mm 进给量f 0 1mm 部分刀具的磨损曲线见图1 T 曲线见图2 由图可见 各种高性能高速钢刀具的耐磨性和使用寿命均高于W18Cr 4V甚多 而V3N与Co5Si尤为领先 36CrNi4MoVA是难加工材料 高性能高速钢在切削难加上材料时其优 势尤为显著 图1高性能高速钢与普通高速钢车削高强度钢的磨损曲线图2高性能 高速钢与普通高速钢车削高强度钢的T 曲线工件材料36CrNi4MoVA刀具材料1 V3N2 Co5Si3 Bxx M425 W18 Cr4V粉末冶金高速钢摘要介绍了粉末冶金高速钢刀具的切削性能 并列出了这类刀具与熔炼高速钢刀具的对比切削数据 关键词粉末冶金 高速钢 刀具 切削性能 1前言普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的 它们经过 冶炼 铸锭和锻轧等工艺制成刀具 熔炼高速钢容易出现的严重问 题是碳化物偏析 硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀 且晶粒粗大 可达几十个微 米 对高速钢刀具的耐磨性 韧性及切削性能产生不利影响 粉末冶金高速钢的制造过程是将高频感应炉熔炼出的钢液 用高压 气体 氩气或氮气 喷射使之雾化 再急冷而得到细小均匀的结晶组 织 粉末 上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末 再将所得的粉末在高温 约1100 高压 约100MPa 下压制成刀坯 或先制成钢坯再经过锻造 轧制成刀具形状 2粉末冶金高速钢的优点粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷 不 论刀具截面尺寸有多大 其碳化物分布均为1级 碳化物晶粒尺寸在 2 3 m以下 因此 粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高 一般比熔炼高 速钢高出20 50 它适用于制造承受冲击载荷的刀具 如铣刀 插齿刀 刨刀以及小 截面 薄刃刀具 在化学成分相同的情况下 与熔炼高速钢相比 粉末冶金高速钢的 常温硬度能提高1 1 5HRC 高温硬度 550 600 提高尤为显著 故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高 由于碳化物细小均匀 粉末冶金高速钢的可磨削性能较好 含钒5 时其可磨削性能相当于含钒2 的熔炼高速钢 故粉冶高速钢中允许 适当提高钒含量 且便于制造刃型复杂的刀具 粉冶高速钢的热处理变形亦较小 3粉末冶金高速钢的切削试验作者用粉末冶金高速钢GF3制成车刀 在相同的切削条件下与普通高速钢W18Cr4V及熔炼高性能高速钢Co5S i V3N进行切削对比 切削用量 40m min p 3mm f 0 15mm r 刀具几何参数 0 20 r 75 r l5 1mm 刀具磨损曲线如图1所示 由图1可以看出 粉末冶金高速钢GF3的耐磨性不仅高出普通高速钢W 18Cr4V甚多 且高于熔炼高性能高速钢Co5Si与V3N 作者又用GF3制成拉制膛线的拉刀 在相同切削条件下 与Co5Si拉 刀进行切削对比 工件材料为高强度钢38CrNi3MoVA HRC36 切削用量 12m min p 6 2mm f 0 025mm 双行程 刀具几何参数 0 18 r 90 加硫化切削油 刀具磨损曲线如图2所示 由图2可见 GF3拉刀的耐用度高于Co5Si 4国内外情况20世纪70年代初 国外已有粉末冶金高速钢刀具商品 20余年来发展较快 在高速钢刀具材料中已占有一定份额 以ERASTEEL 国际工业集团 瑞典与法国为主 为例 它的各种高速 钢产品的总和在世界高速钢市场中占有30 的份额 它的高速钢产品中 熔炼高速钢有20个牌号 粉末冶金高速钢有8个 牌号 后者称为ASP2000系列 其钢号与化学成分见表1 表1ERASTEEL集团粉末冶金高速钢ASP2000系列的化学成份 我国 自20世纪70年代中期以来 亦对粉末冶金高速钢进行了研制 如冶金工业部钢铁研究总院有粉末冶金高速钢FW12Cr4V5 牌号为FT1 5 和FWl0Mo5Cr4V2Co12 FR71 北京工具研究所有水雾化的W18Cr4V GF1 W6Mo5Cr4V2 GF2 W10 5Mo5Cr4V3Co9 GF3 上海材料研究所有粉末冶金高速钢W18Cr4V PT1 和W12Mo3Cr4V3N PV N 机械性能和切削性能俱佳 在加工高强度钢 高温合金 钛合 金和其他难加工材料中 发挥了优越性 但是 近年来 我国因市场 效益等因素的困扰 粉末冶金高速钢 的研制和生产 一度陷于停顿 随着经济形势的改变 相信粉末冶金高速钢在国内将大有发展前景 涂层高速钢刀具摘要介绍了涂层高速钢刀具的切削性能 并列出了 涂层与未涂层高速钢刀具的对比切削数据 关键词涂层高速钢 刀具 切削性能1概述在高速钢刀具的基体上 用物理气相沉积方法 PVD 涂覆耐磨材料薄层 可以大幅度地提高 高速钢刀具的使用性能 般 涂层材料用TiN TiC等 但多采用TiN 涂层后 刀具表面呈金黄色 涂层厚度为5 10 m 涂层高速钢刀具约在1980年出现在国际市场 发展极为迅速 20年来 它已在高速钢刀具中占有一定比重 在美国 日本 德国 近一半的齿轮加工刀具及立铣刀 钻头等采 用涂层 提高了切削效率 获得了显著的经济效益 我国对涂层高速钢刀具的研究从80年代开始 近十年中 刀具制造行业已从美国 日本引进了近10套PVD涂层设备 已出售各种涂层高速钢刀具产品 在各地区和各部门 拥有数量众多的国内制造的涂层设备 所用的 物理气相沉积方法不同 有电弧发生等离子体气相沉积法 等离子 枪发射电子束离子镀法 中空阴极枪发射电子束离子镀法 e形枪发 射电子束离子镀法等 各有特色和优缺点 涂层产品质量亦有差异 电弧发生等离子体气相沉积法用得最多 2涂层高速钢刀具的优点TiN的硬度为HV1800 2000 密度为5 44g c 热导率为29 31W m 线膨胀系数为 9 31 9 39 10 6 而高速钢基体的硬度仅为HV800 850 故涂层后的高速钢刀具 表面有硬层 耐磨性好 与被加工材料之 间的摩擦系数小 基体材料的韧性不降低 实用情况表明 与未涂层的高速钢刀具相比 涂层后高速钢刀具的 切削力可降低5 10 由于涂层材料有热屏障作用 刀具基体切削 部分的切削温度也有所降低 工件已加工表面粗糙度减小 刀具使 用寿命显著提高 3切削实验数据作者用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢车刀与涂层后的 刀具进行切削实验对比 主要对比它们的刀具磨损与使用寿命 实验一工件材料60Si2Mn 调质 HRC40 车刀几何角度 0 16 0 8 r 45 4 0 5mm 切削用量 p 0 5mm f 0 2lmm r 25m min干切削 磨损曲线如图1所示 实验二工件材料60Si2Mn 调质 HRC40 车刀几何角度 0 10 0 8 r 45 0 0 5mm 切削用量 p O 5mm f 0 21mm r 25m min 干切削 磨损曲线如图2听示 实验三工件材料38CrNi3MoVA 调质 HRC36 40 车刀几何角度 0 8 0 8 r 75 4 0 8ram 切削用量 p 1mm f 0 2mm r VB 0 5mm 干切削 T 曲线如图3所示 图3中 T 公式的Taylor方程如下 58 T0 37 W18Cr4V 57 T0 21 W18Cr 4V TiN 式中 切削速度 m min T 刀具使用寿命 min 由图1至图3可见 涂层高速钢刀具的使用寿命是未涂层刀具的2 3 倍 甚至更多 4使用经验涂层高速钢刀具可用于车刀 铣刀 钻头 铰刀 丝锥 拉刀 齿轮滚刀和插齿刀 刀具使用寿命有不同程度的提高 涂层高速钢车刀用得较少 其使用寿命的提高也不是最显著的 涂层高速钢麻花钻 立铣刀 丝锥等刀具应用最广 使用寿命提高 显著 这些刀具经过重磨 涂层仍起作用 例如 涂层高速钢钻头在涂层后第一次使用时 与未涂层钻头比 使用寿命可提高3倍以上 重磨时已将后刀面的涂层磨掉 但前刀面 上尚保留涂层 寿命尚可提高2倍以上 第二次重磨后刀面后 其寿 命仍有一定幅度的提高 对于刃磨前刀面的刀具 如涂层齿轮滚刀 插齿刀 在刃磨后 仍 有延长刀具使用寿命的效果 涂层高速钢刀具在国内的应用尚不够广泛 但是 可以肯定地说 它对难加工材料的切削以及在先进制造设备 上 如数控机床 加工中心 将发挥重要作用 新型硬质合金 添加钽 铌的硬质合金摘要主要介绍了添加钽 铌硬质合金的种类 和性能 并引入一些切削试验数据 关键词硬质合金 钽 铌 切削刀具1概述高速钢只能承受600 以 下的温度 高速钢刀具受耐热性的限制 切削速度不能过高 只在20 25m min 左右 故其切削效率尚处于较低的水平 高速钢的硬度仅为HRC62 65 不能切削淬硬钢和冷硬铸铁 硬质合金刀具材料的问世 使切削加工水平出现了一个飞跃 硬质合金刀具能实现高速切削与硬切削 硬质合金是高硬度 难熔的金属化合物粉末 WC TiC等 用钴或镍 等金属作粘结剂压坯 烧结而成的粉末冶金制品 其中 高硬度 耐高温的碳化物比高速钢耍多得多 故能承受很高 的切削湿度 允许采用很高的切削速度 但由于硬质台金的可加工性差 且较脆 过去主要只用于车刀和面 铣刀 近年来已扩展到整体和镶齿的钻头 铰刀 立铣刀 三面刃 铣刀和螺纹 齿轮刀具等 WC TiC的常温硬度分别为HV1780和3200 熔点分别为2900 和3200 这些性能刘切削难加工材料和提高加工效率非常有用 德国是世界上首先生产硬质合金的国家 1923年用粉末冶金法研制 成功钨钴合金 WC Co 1931年又制成钨钛钴类合金 WC TiC Co 到20世纪30年代中后期 美国 日本 英国 瑞典均能生产硬质合 金 第二次世界大战期间 硬质合金刀具已开始应用 战后50年来 硬质合金作为刀具 模具和耐磨件材料 得到突飞猛 进的发展 品种繁多 质量不断提高 在刀具方面 硬质合金成为与高速钢并驾齐驱的最主要的刀具材料 与高速钢相比 硬质合金的种类和牌号非常多 因此对它的合理选 择和应用应给予足够的重视 在20世纪50年代初 中期 我国引进前苏联技术 建成了株洲硬质 合金厂 后来又建成了自贡硬质合金厂 当时 作为刀具材料的产品比较单调 只有切削钢材的钨钛钴系列 YT 5 YT 14 YT 15 YT30和切削铸铁与有色金属的钨钴系列 YG 8 YG 6 YG3 随着科技事业的发展 各种难加工材料不断涌现并得到广泛应用 用上述普通硬质合金牌号作为刀具切削各种难加工材料已不能满足 全部要求 于是我国硬质合金工业大力发展研制技术 生产出多种 新型硬质合金 第一是采用高纯度的原料 如采用杂质含量低的钨精矿及高纯度的 三氧化钨等 第二是采用先进工艺 如以真空烧结代替氢气烧结 以石蜡工艺代替橡胶工艺 以喷雾或真空干燥工艺代替蒸汽干燥工 艺 第三是改变合金的化学组分 第四是调整合金的结构 第五是 采用表面涂层技术 新型硬质合金分为五大类 即 1 添加钽 铌的硬质合金 2 细晶粒与超细晶粒硬质合金 3 Ti C N 基与TiC基硬质合金 4 表面涂层硬质合金 5 添加稀土元素硬质合金 本文介绍添加钽 铌的硬质合金 其余四类将陆续闸述 2添加钽 铌硬质合金的类别与性能硬质合金中添加TaC NbC后 能 够有效提高常温硬度 高温强度和高温硬度 细化晶粒 提高抗扩 散和抗氧化磨损的能力 从而提高了耐磨性 此外还能增强抗塑性变形的能力 因此 切削性能得以改善 通常使用添加钽 铌的硬质合金 是为了提高硬质合金的耐磨陛 抗冲击能力和使用中的通用性 添加钽 铌的硬质合金分为两大类 1 WC Ta Nb C Co类即在YC类合金的基础上又加入了TaC NbC 如株洲硬质合金厂研制的YG6A和YG8N就属于这类合金 表1 YG6A和YG8N的耐磨性与抗冲击性均优于YG6和YG8 这类合金主要用于加工铸铁和有色金属 2 WC TiC Ta Nb C Co类即在YT类合金的基础上又加入了TaC NbC 用以加工钢料 个别牌号也能加工铸铁 这类合金品种繁多 但归纳起来可分为三种 通用类TiC含量为4 1 0 TaC NbC含量为4 8 Co含量为6 8 综合性能较好 适 用范围宽 既可加工钢材 又可以加工铸铁和有色金属 但其单项 性能指标并不比普通的YT YG合金强 YWl YW 2 YW3等牌号就是通用类合金 见表1 铣削牌号类TiC含量 般少于10 TaC含量高达10 14 Co含 量亦达10 主要用于铣刀 添加较多的TaC后 能有效地提高合金的抗机械冲击和抗热裂的性能 配以较高的含Co量 抗弯强度亦高 株洲硬质合金厂的YS 30 YS 25 YDS15及自贡硬质合金厂的YT798属于此类合金 表1 高碳化 钛添加TaC NbC类TiC含量一般在10 以上 个别的有低于10 者 直到30 添加TaC NbC约5 以下 可用以替代各个等级的YT类普通合金 耐 磨性能显著提高 株洲硬质合金厂的YT30 TaC和自贡硬质合金厂的YT 712 YT715等都属于这类合金 表1 注除YT 798 YT 712 YT715为自贡硬质合金厂产品外 其余牌号均为株洲硬质合金 厂产品 但YW 1 YW2两厂都生产 除添加TaC NbC外 有些新型埂质合金还添加了Cr3C 2 VC和W粉 Nb粉等 Cr3C2和VC的加入 可以抑制合金晶粒长大 W粉和Nb粉则可强化粘 结相 株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂近年在引进外国设备与技术后 又分别建立了添加钽 铌的硬质合金新系列 如表 2 表3所示 YC25S亦属于铣削牌号 添加钽 铌的硬质合金牌号最多 令人眼花缭乱 然而根据P M K的国际类别与级别 是不难理解和选用的 3切削实验作者用普通未加Ta Nb的硬质合金YT15 P10 切削高强度 钢60Si2Mn 调质 HRC39 42 与P10 Ta Nb硬质合金作对比 切 削用量 p 1mm f 0 2mm r 刀具几何参数 0 4 0 8 r 45 rE 0 8mm s 4 其刀具磨损曲线及T 曲线如图l 图2所示 T 曲线的Taylor方程如下 174 7 T0 12m min YT15 176 2 T0 11m min P10 Ta Nb 作者又用未添加Ta的P01硬质合金切削60Si2Mn 高强度钢 与YT30 P01 TaC硬质合金作对比 p 0 5mm f 0 2mm r 115m min 刀具几何参数同上 其刀具磨损曲线见图3 由图1 3可见 在添加Ta Nb后 硬质合金刀片的耐磨性与使用寿 命均有显著的提高 新型硬质合金 细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti C N 与Ti C基硬质合金摘要主要介绍了细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti C N 基与TiC基硬质合金的种类和性能 并列入一些试验数据 关键词硬质合金 细晶粒 超细晶粒 金属陶瓷 切削刀具1概述本 文介绍两类新型硬质合金的种类与性能 1 细晶粒与超细晶粒硬质合金 2 Ti C N 基与TiC基硬质合金 这类硬质合金又可称为 金属陶 瓷 英文叫 Cermet 应当注意 金属陶瓷 的成分仍是碳化物 与人们熟知的氧化铝 氮化硅陶瓷不是等同的东西 细化晶粒是改变硬质合金的结构 而Ti C N 基与TiC基硬质合金则 是改变台金的化学成分通过这两种方法都能改善硬质合金的性能 2细晶粒和超细晶粒硬质合金硬质合金的晶粒细化后 使硬质相尺寸 变小 粘结相更均匀地分布在硬质相周围 可以提高硬质合金的硬 度与耐磨性 如适当增加钴含量 还可以提高抗弯强度 矿用或钴探用的合金为粗晶粒 平均晶粒尺寸为4 5 m 普通牌号 的刀具用合金YT 15 YG6等均为中晶粒 平均晶粒尺寸为2 3 m细晶粒合金的平均 晶粒尺寸为1 2 m 亚微细粒合金为0 5 1 m 超细晶粒合金则 为0 5 m以下 日本等国很重视这类合金的研制 我国在20世纪60年代就有了细晶 粒合金的牌号 如YG3X YG6X 70年代末期开始研制亚微细粒合金 株洲硬质合金厂的亚微细粒牌 号有YS2T YS 8 YS10及YD15 自贡硬质合金厂的YG 643 YG 600 YG 610 YG640等都是亚微细粒牌号 见表1 早先的细晶粒和亚微细粒结构多用于WC Co的合金 即K类合金 近年来M类和P类 WC TiC Co 合金也向晶粒细化的方向发展 80 90年代 各国已研制出超细晶粒合金 用细品粒 亚微细粒硬质合金代替普通中等晶粒的硬质合金 如以Y G3X YG6X代替YG 3 YG6 以YS 8 YS10代替YG6 能够显著提高刀具使用寿命 近年 自贡硬质合金厂已研制出亚微细粒硬质合金牌号ZK10UF和ZK3 0UF 相当于K10和K30 硬度为HRA92 5 91 5 抗弯强度为2 2 5G Pa 其平均品粒尺寸为0 6 0 8 m 该厂又研制出超细品粒硬质合金牌号Zcx 10 Zcx30和Zcx40 相当于K 10 K30和K40 硬度为HRA93 92 抗弯强度为2 5 3 5GPa 其平 均品粒尺寸为0 4 0 5 m 3Ti C N 基与TiC基硬质合金 金属陶瓷 不论是YT类 YG类 或在 它们的基础上添加了TaC NbC的新型合金 都属于WC基合金 因为在它们当中 WC是主要成分 含量达65 97 并以Co为粘结 剂 TiC基合金是后来发展起来的 其主要成分为TiC 占60 80 以上 少含或不含WC 以Ni Mo作粘结剂 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 但韧性和抗塑性变彤的能力稍弱 我国代表性牌号是YN 05 YN10 株洲硬质合金厂研制 用以切削正火和调质状态下的钢 材 其切削性能优于WC基合令YT 30 YT15 近年 我国又开发Ti C N 基合金 它具有与TiC基合金相同的特性 与优点 但其韧性 抗塑性变形能力高于TiC基合金 有发展前景 应用范围略同于TiC基合金 主要是切削钢料 但加工范围较宽 表2列出了WC TiC TiN Ti C N 等物质的机械性能 可以看出 TiC和Ti C N 的硬度高于WC Ti C N 的各项性能均介于TiC TiN之问 故Ti C N 的弹性模量 大于TiC 由此可以解释 Ti C N 綦与TiC基硬质合金的硬度和耐磨性高于WC 基合金 Ti C N 基合金的抗塑性变形的能力高于TiC基合金表2几 种化合物的机械性能WC TiCTiN Ti C N 常温硬度24003xx9502600弹性模量E 104MPa 7232 161 6 株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂生产的Ti C N 基与TiC基硬质合 金的牌号如表 3 表4所列 有色金属研究总院还研制成功了Ti C N 基硬质合金NT7 4切削试验作者用国产不同牌号的Ti C N 基硬质合会刀片 与相同 级别的WC基硬质合金刀片进行对比切削实验 1 用有色金属研究总院研制的NT7刀片及株洲硬质合金厂生产的TN2 0刀片 与WC基YT14刀片 做对比车削试验 工件材料为38CrNi3MoVA高强度钢 HRC36 40 切削用量 p 1mm f 0 21mm r 刀具几何参数 0 6 0 6 Kr 45 s 4 O 8mm 所得的T 曲线如图1所示 相应的Taylor公式为NT7 440 T0 48 m min TN20 440 T0 48 m min YT14 275 T0 35 m min 从图1可见 TN7与TN20的水平相同 它们的使用寿命高于YT14甚多 2 用株洲硬质合金厂生产的Ti C N 基硬质合金刀片TN320刀片 与YT14刀片做对比铣削试验 工件材料为中碳钢45 HB187 切削用量 p 1mm f 0 125mm r 147m min 刀盘直径125mm 工件宽度50mm 刀具几何参数 p 2 r 0 Kr 75 Kr 15 所得到的刀具磨损曲线如图2所示 可见TN320优于YT14 3 用NT 7 TN 20 YT14三种刀片进行抗冲击对比车削试验 工件为合金钢齿轮 HB320 p 1mm f 0 2mm r 冲击频率为4kHz 所得的试验曲线如图3所示 到崩刃之前 NT7刀片与TN20刀片能承 受的冲击次数分别比YT14刀片高出约30 与50 由此可见 Ti C N 基硬质合金刀片有较好的抗冲击能力 新型硬质合金 表面涂层硬质合金摘要主要介绍了涂层硬质合金的性能 类别和涂 层工艺 并列出一些试验数据 关键词硬质合金 涂层刀片 切削刀具1概述通过化学气相沉积 CVD 等方法 在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN HfN Al2 O3等薄层 形成表面涂层硬质合金 这是现代硬质合金研制技术的重要进展 1969年 西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合 金刀片初次投入市场 1970年后 美国 日本和其他国家也都开始生产这种刀片 三十余年来 涂层技术有了很大的进展 涂层硬质合金刀片由第一代 第二代已发展到第三代 第四代产品 涂层硬质合金刀片一般均制成可转位的式样 用机夹方法装卡在刀杆或刀体上使用 它具有以下优点1 由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性 故与未涂层硬质合金相比 涂层硬质合金允许采用较高的切削速度 从而提高了加工效率 或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀 具耐用度 2 由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小 故与未涂层刀 片相比 涂层刀片的切削力有一定降低 3 涂层刀片加工时 已加工表面质量较好 4 由于综合性能好 涂层刀片有较好的通用性 一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围 2涂层工艺硬质合金涂层最常用的方法是高温化学气相沉积法 简称H TCVD法 是在常压或负压的沉积系统中 将纯净的H 2 CH 4 N 2 TiCl 4 AlCl 3 CO2等气体或蒸气 按沉积物的成分 将其中的有关气体 按一 定配比均匀混合 依次涂到一定温度 一般为1000 1050 的硬 质合金刀片表面 即在刀片表面沉积TiC TiN Ti C N 或Al2O3或 它们的复合涂层 反应方程式概括如下TiCl4 CH4 H2 TiC 4HCl H2TiCl4 N2 2H2 T iN 4HCl TiCl4 CH4 N2 H2 Ti C N 4HCl H22A1Cl3 3CO2 3H2 Al2O3 3C O 6HCl用PCVD 等离子体化学气相沉积 法在硬质合金刀片表面进行 涂层也得到应用 因涂层工艺温度较低 700 800 故刀片的 抗弯强度降低的幅度较小 对铣刀片比较适宜 涂层前 基体刀片表面须净化 切削刃部位应钝化 涂层后 因涂层材料与基休材料的线膨胀系数存在差异 故涂层刀 片表面不可避免地产生残余张应力而使刀片抗弯强度降低 通常用TiC薄层先涂在基体表面上 因TiC的线膨胀系数与基体材料 最接近 外面再涂TiN Al2O3等 过去 单涂层材料均用TiC 双层涂层材料多用TiC TiN TiC A12O3 等 三层涂层材料多用TiC Ti C N TiN Tic Al2O3 TiN等 近年 随着基体材料的改进 涂层材料也有用TiN垫底的 即TiN Ti C TiN等涂层材料还有HfN MoS2等 3国内研制涂层硬质合金情况国内研究硬质合金CVD涂层技术并研制 刀片 从70年代初就开始了 但真正形成生产能力并大量推广应用 还是80年代的事 1983年 株洲硬质合金厂从瑞士Bernex公司引进了HTCVD涂层炉及精 磨 刃口钝化等配套设备 生产了系列和CA系列的涂层硬质合金刀 片 基体刀片采用国产牌号 见表1 稍后 该厂又从瑞典Sandvik公司引进了设备和涂层技术 生产了YB 系列涂层硬质合金刀片 基体则采用特殊专用材料 表2 其中YB 120 YB320是铣削牌号 其他主要用于车削加工 自贡硬质合金厂引进美国等国涂层设备 也有ZC系列的涂层硬质合 金刀片产品 表3 近年 自贡硬质合金厂推出了牌号为ZC21的涂层刀片 它的基体为具有梯度结构的材料 涂层材料为TiC TiN 密度为13 0 14 0g cm3 抗弯强度 1 6GPa 可用于间断切削 亦可用于连续 切削 4涂层硬质合金刀具应用范围由于经过涂层工艺 基体刀片的韧性和 抗弯强度不可避免地有所下降 加上涂层材料的化学性质等原因 故涂层硬质合金刀片仍只有一定的适用范围 它可以用于各种碳素结构钢 合金结构钢 包括正火和调质状态 易切钢 工具钢 马氏体不锈钢和灰铸铁的精加工 半精加工以及 较轻负荷的粗加工 涂层刀片最适用于连续车削 但在切深变化不大的仿形车削 冲击 力不太大的间断车削及某些铣削工序中亦可采用 近年在切断 车螺纹中也已使用涂层刀片 但是 TiC和TiN涂层刀片不适宜于加工下列材料高温合金 钛合金 奥氏体不锈钢 有色金属 铜 镍 铝 锌等纯金属及其合金 沉重的粗加工 表面有严重夹砂和硬皮的铸件的加工也不宜使用涂 层刀片 5切削实验涂