刀具材料 工件材料

硬质合金刀具材料及其加工性能 摘 要 讨论了硬质合金刀具材料以及其加工适用范围 重点讨论了 硬质合金刀具加工一些难加工材料时的加工性能及其主要失效原因 关键词 硬质合金 刀具材料 加工性能 难加工材料 硬质合金是由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方 法而制成的 它的硬度为 HRA89 94 远远高于高速钢 在 540 时为 82 87HRA 与高速钢常温时硬度 83 86HRA 相同 并且 它还具有 化学稳定性好 耐热性高等优点 所以 目前虽然供使用的刀具材料 品种很多 新型的刀具材料也不断出现 但硬质合金仍是很受欢迎的 一种刀具材料 它所切下切屑的比重高达 68 以上 据报道 有的国 家有 90 以上的车刀 55 以上的铣刀都采用了硬质合金制造 而且这 种趋势还在增加 它还是制造钻头 端铣刀等通用刀具的常用材料 同时 铰刀 立铣刀 加工硬齿面的中 大模数齿轮刀具 拉刀等复 杂刀具使用硬质合金的也日益增多 我国常用的硬质合金为碳化钨 WC 基硬质合金 常用的硬质合金可分为六类 1 P 类硬质合金 其以 WC TiC 为基 以 Co 或 Ni Mo Ni Co 作 结合剂 主要用来加工长切屑的各种钢材 但不适宜加工 含 Ti 的不锈钢 2 M 类硬质合金 其以 WC 为基 以 Co 做粘结剂并添加少量的 TiC TaC NbC 常用来切削钢或铸铁 故又称通用合金 3 K 类硬质合金 其以 WC 为基 以 Co 为粘结剂 主要用于短 切屑的铸铁 冷硬铸铁可锻铸铁等的加工 4 N 类硬质合金 以 WC 为基 以 Co 为粘结剂 或添加少量 TaC NbC 或 CrC 的合金 主要用于有色金属 非金属材料 的加工 如 铝 镁 塑料 木材等 5 S 类硬质合金 其以 WC 为基 以 Co 作粘结剂 或添加少量 TaC NbC 或 TiC 的合金 主要用于耐热和优质合金材料的 加工 如 耐热钢及含镍 钴 钛的各类合金材料等 6 H 类硬质合金 其以 WC 为基 以 Co 作粘结剂 或添加少量 TaC NbC 或 TiC 的合金 主要用于硬切材料的加工 如淬 火钢 冷硬铸铁等材料 随着生产发展的需要 又出现了碳化钛 TiC 基硬质合金 超细 晶粒硬质合金 表面涂层硬质合金等新品种 1 碳 氮 化钛基硬质合金 碳 氮 化钛 TiC N 硬质合金通 常是以 TiC 为主要成分的 TiC Ni Mo 合金 这类合金具 有硬度高 一般可达 91 93 5HRA 个别的为 94 95HRA 达 到了陶瓷刀具的硬度水平 耐磨性好和理想的抗月洼磨 损能力 高速切削钢料时有较低的磨损率 此外 它还有较 高的抗氧化能力 耐热性好 1100 1300 高温下尚能进 行切削 化学稳定性好等优点 TiC N 基硬质合金具有 接近于陶瓷的硬度和耐热性 但抗弯强度却比陶瓷高得多 可用来制作高速精加工用的刀具材料 填补了 WC 基硬质合 金与陶瓷材料之间的空白 2 超细晶粒硬质合金 超细晶粒硬质合金是一种高硬度 高 强度兼备的硬质合金 它具有硬质合金的高硬度和高速钢 的强度 超细晶粒硬质合金适合于在高速钢刀具耐磨性不 够及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削速度过低 而不宜使用传统硬质合金的情况下使用 超细晶粒硬质合金特别适合于下述的一些特殊用途 1 因其具有高的硬度 强度和耐磨性 与加工材料的相互吸 附 扩散作用也较小 适用于加工航空工业的超级合金 耐热合金 高强度合金和其他难加工材料 2 加工喷涂 焊 材料 很多喷涂 焊 件用一般刀具无法加工 近 几年国内外都在推行用立方氮化硼 CBN 刀具来加工 效果 很好 但成本昂贵 因此 国内在推广喷涂 焊 工艺过程中 试 验和生产了很多新牌号硬质合金如 YD05 YM051 YM052 YD15 YG600 YG610 YG643 等 用 于加工喷涂 焊 件都取得了很好效果 3 涂层硬质合金 涂层硬质合金刀具 是通过物理或化学气 相沉积技术或其他方法 在硬质合金基体上涂覆一薄层 一 般只有几个微米 耐磨性高的难熔金属 或非金属 化合物 它是提高刀具材料耐磨性而不降低其韧性的有效途径之一 也 是解决刀具材料发展中的一对矛盾 材料硬度和耐磨性愈 高 强度及韧性就愈低 的很好方法 涂层硬质合金刀具比 未涂层硬质合金耐用度高 一般可提高 1 3 倍 高的可达 5 10 倍 切削速度高 进给量及切削深度大 在用涂 层刀片车削中 进给量高达 0 51 0 76mm r 同时切削深 度达 6 35 7 6mm 也是不罕见的 因此 能极大提高效率 改善工件表面质量 是近些年来硬质合金领域中取得的最 大成就之一 以下将重点介绍硬质合金刀具在加工一些较难加工材料时的加 工性以及刀具失效主要原因 一 Q460 高强板 在铣削加工 Q460 高强板材质的压块零件及连接块零件过程中 发现该材料与硬质合金铣刀的粘接现象极为严重 每完成一次走刀 几乎所有的硬质合金刀尖全部被粘掉 根据 Q460 材料的金相组织的组成成份来分析判断 由于珠光 体的强度和硬度都比铁素体高 因而 组织中完全不含珠光体的纯 铁素体 以及含铁素体较多材料 由于塑性很高 切屑不易折断 在前刀面粘刀严重 含珠光体比例愈多 塑性愈差 越不容易发生 粘结现象 对于 Q460 低碳合金钢可以通过调质或正火降低塑性 以 提高其可切削性 防止粘接现象的发生 从高强板中各种元素对相对切削性的影响关系图 1 中 可以看 出钢中加入铬 镍 钒 钼 钨 锰等元素大都能提高钢的强度和 硬度 加入硅 铝等元素易在钢中形成 SiO2 和 Al2O3 等硬质点 这些元素含量较低 约在 0 3 对钢的相对切削性能影响不大 超 过此含量 将使相对切削性降低 二 铸铁 MT 4 铸铁 MT 4 为耐磨铸铁 其性硬而脆 耐磨性能优良 常用于 矿山 水泥 冶金和水电等工业制作抗磨零件 由于 MT 4 的硬度高 加工过程中刀具磨损严重 使得这一类性能优良的新材料难以获得 更加广泛的应用 1 在切削 MT 4 铸铁材料的过程中 硬质合金刀具的磨损主要发 生在前刀面和后刀面 其中后刀面的粘结磨损较为严重 2 切削温度较低时硬质合金刀具易发生粘结磨损 温度较高时 易发生氧化和扩散磨损 前刀面的氧化磨损比后刀面的氧化磨损更 为严重 三 不锈钢 不锈钢是在钢中加入较多的铬 Cr 镍 Ni 钼 Mo 钛 Ti 等元素使其具有良好耐腐蚀性以及在较高温度 450 下具有较高 强度的合金钢 不锈钢材料属于难加工材料 由于其热强度高 导热系数低 不 锈钢的切削加工具有切削力大 切削温度高 刀具易磨损 材料加 工硬化严重 易形成积屑瘤等特点 如果以 45 钢的切削加工性为 1 马 氏体不锈钢 2Crl3 的切削加工性为 0 55 铁素体不锈钢 1Cr28 为 0 48 奥氏体不锈钢 1Crl8Ni9Ti 仅为 0 4 奥氏体 铁素体不锈钢切 削加工性则更差 加工不锈钢的硬质合金涂层刀具的磨损和失效机理主要有两个 刀刃破损和后刀面磨损 刀刃破损主要由两种原因以及两种原因综合作用造成 1 切削 力大 超过刀刃所能承受的范围而发生刀刃破损 主要是由于不锈钢 的热强度较高和严重的加工硬化现象 因此加工时比一般碳钢和低合 金钢所需的切削力大 超过刀刃所允许的强度后就会发生破损 2 在断续切削中 如铣削 刀刃破损是由两个或更多的梳状裂纹传入刀 具材料后互相作用或与机械裂纹作用的结果 梳状裂纹的产生是由 于刀刃在切削时被加热 在切削间断时被冷却 使得刀具表面产生交 替的膨胀和收缩引起裂纹 因其以规则的间距垂直于切削刃分布 形 状类似梳子的齿 故称为梳状裂纹 后刀面的磨损主要是由磨粒磨损 涂层剥落 粘附磨损 扩散 磨损和氧化磨损等综合作用的结果 但由于不锈钢的加工硬化和低 的热导率 将导致高温的产生 因此粘附磨损 扩散磨损和氧化磨损 就比加工一般的碳钢和低合金钢时所占比例要大得多 且随着切削温 度的增加磨损更加突出 随着加工业的发展 难加工材料的使用日益增多 对加工效率的 要求也不断提高 刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接 影响 材料成分和结构以及几何形状是决定刀具性能的 3 要素 其中 刀具材料的性能起着关键性作用 目前虽然可供使用的品种很多 新 型的刀具材料也不断出现 但硬质合金是最受欢迎的一种刀具材料 硬质合金材料将成为刀具行业里越来越重要的力量 参考文献 1 刘长负 柳文进 硬质合金刀具材料的发展与应用 J 农业 装备与车辆工程 2001 2 2 樊苏光 韩晋霞 张旋