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刀具材料的現狀和發展趨勢

材料資源并非“取之不盡”
縱觀各種刀具材料,除人造金剛石的原料為石墨(碳元素)外,其它品種都離不開碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。在現代刀具中,碳化物用得zui多。在刀具材料的各個組份中,以fe3c、wc、tic、mo2c、tin、al2o3、si3n4等用量zui大,此外還須用到金屬co。在發展各種新型刀具材料時,主要考慮機械、物理性能的進步和適應工件加工的需要以及刀具材料與工件材料的匹配。而在很長一段時間里,人們忽略了資源的儲存。
高速鋼和硬質合金都以w和co為主要原料,其價格昂貴。中國富w少co,而w資源除國內使用外,還大量出口,當今使用的w中約有75~80%來自中國,可是中國的w資源只夠用50年。中國使用的co主要向國外購買,價格昂貴,況且*co資源的儲存量也是有限的。這就警示我們在發展新型刀具材料時,還需充分考慮如何節約貴重資源。有些刀具材料組份,如al2o3、sl2o3、si3n4、tic等,雖然蘊藏豐富,但要付出工藝和制造的成本,故其價格亦不菲。
現代新型材料及其應用展望
1.高速鋼
在現代切削加工中,高速鋼的性能已不夠*,但因其穩定性好,能接受成形加工,目前在刀具材料總消耗量中高速鋼刀具仍占到40%。傳統的普通高速鋼以鎢系的wl8cr4v和鎢鉬系的w6mo5cr4v2為代表。所有的高速鋼中,鉻含量均保持在3.5~4.5%,它是增大高速鋼淬透性的主要元素。而如若釩含量分類增加,鋼的耐磨性將隨之提高,但會使刀具接受刃磨困難,且脆性增加。鋁元素在鋼中能生成al2o3、aln;且起釘扎作用,阻止位錯,從而提高了材料的硬度和強度。
加入鈷元素后,可形成超硬高速鋼,鈷不形成碳化物,但能提高淬火溫度,增強二次硬化效果,提高高溫硬度。中國缺鈷資源,鈷價昂貴,因而研制了無鈷或少鈷的超硬高速鋼——它們的性能都能達到m42的水平。可以說,中國在發展無鈷、少鈷超硬高速鋼方面,做出了很大貢獻。值得一提的是,用粉末冶金方法制造高速鋼,可減少有害雜質,消除碳化物偏析,提高鋼的硬度和韌性。粉末高速鋼的切能性能優于熔煉高速鋼,國內也掌握這方面的技術。
今后,中國應發展和使用性能優良的鎢鉬系或鉬鎢系高速鋼,少用鎢系高速鋼以節約w;發展和使用無鈷和少鈷超硬(高性能)高速鋼,盡量不用高鈷高速鋼中國已大量使用涂層高速鋼刀具,亦已掌握涂層工藝,但粉末合金高速鋼刀具尚屬空白。在工業*國家,粉末冶金高速鋼刀具已占高速鋼總量的10%,因其性能優越,可有效提高刀具壽命和設備利用率,所以盡管這種刀具的價格較貴,仍能在總體上降低加工成本。近年,國內個別鋼廠和工具廠已能制造粉末冶金高速鋼,如能保證質量且性能穩定,應*機械制造廠采用。筆者認為,中國應大力研制粉末冶金高速鋼。
2.硬質合金
硬質合金是碳化物(wc、tic等)的粉末冶金制品,新型硬質合金有下列6種。
①添加tac和nbc的硬質合金:添加后能有效地提高常溫硬度、高溫強度和高溫硬度,細化晶粒,提高抗擴散和抗氧化的能力。此外,還能增強抗塑性變形的能力。
②細晶粒和超細晶粒硬質合金:晶粒細化后可提高合金的硬度和耐磨性,適當增加鈷含量后還可提高抗彎強度。普通刀具牌號和合金平均晶粒尺寸為2~3mm,細晶粒合金為1~2mm,亞微細晶粒合金為0.5~1mm,超細晶粒合金為0.5mm以下。我國硬質合金刀具已達細晶粒和亞微細晶粒的水平。
③tic基和ti(c,n)基硬質合金金屬陶瓷:在yt,yg,yw合金中,wc是主要成分,并以co為黏結劑;tic基合金則以tic為主要成分,不含或少含wc,以ni-mo作黏結劑。
④添加稀土元素的硬質合金:添加少量稀土元素,可有效提高合金的韌性和抗彎強度,耐磨性亦有一定提高。這類合金zui適于粗加工刀具牌號,亦可用于半精加工牌號;在礦山工具、頂錘、拉絲模用硬質合金中亦有廣闊發展前景。我國稀土元素資源豐富,在硬質合金中添加稀土的研究有所。p,m,k類合金都已研制出添加稀土的牌號。
⑤表面涂層硬質合金:涂層硬質合金的表面硬度和耐磨性*反映tic等涂層材料自身的性能,故可提高刀具壽命和加工效率,降低切削力,提高已加工表面質量。近20年來,涂層硬質合金刀具有了很大發展,在工業*國家已在可轉位刀具中占50~60%以上。
⑥梯度硬質合金:這是近年來發展起來的新品種,各層成分可根據需要加以調節。
山特維克可樂滿的新款產品gc4220,得益于的牌號技術,拓寬了鋼銑削性能的界限。
綜述可知,各種硬質合金全都在提高水平,擴大其使用范圍。在21世紀中,硬質合金刀具材料將重點在兩方面發展:一是細化晶粒,提高韌性與抗彎強度,從而擴大應用,進一步代替高速鋼刀具。將晶粒尺寸達到納米級,抗彎強度可達到2.5~3.0gpa以上。二是發展金屬陶瓷,用tic和ti(c,n)代替wc,以節約w資源;用ni和mo代替co,節約co資源。現在的問題是,金屬陶瓷的韌性尚遜于wc基硬質合金,在這方面要加強研究,爭取突破。
3.陶瓷
陶瓷刀具材料分為3類:氧化鋁基陶瓷;氮化硅基陶瓷;復合氮化硅--氧化鋁陶瓷。陶瓷的高溫性能優于硬質合金,故適用于高速切削。
al2o3基和si3n4基復合陶瓷都適合切削淬硬鋼、高硬鑄鐵及一般鑄鐵;al2o3基復合陶瓷亦能有效地切削未淬硬鋼料,而si3n4基陶瓷切削一般鋼材時磨損迅速。
陶瓷的硬度稍高于硬質合金,但其脆性很大,韌性不足,可加工性很差,故應用受到限制。今后的發展方向在于增韌,用細化原料的粒度,添加zro2、tib2或sic晶須等方法,可在一定程度上提高陶瓷材料的韌性。
4.超硬刀具材料
超硬材料是指金剛石和立方氮化硼(cbn),它們的硬度比其它刀具材料高出好幾倍。金剛石是自然界中zui硬的物質,cbn的硬度僅次于金剛石。近年來,超硬刀具材料發展迅速。
金剛石刀具材料分為5類:天然金剛石(nd);人造聚晶金剛石(pcd)和人造單晶金剛石;人造聚晶金剛石復合片(pcd/cc);金剛石薄膜涂層刀具(cd);金剛石厚膜刀具(fcd)。nd的結晶各向異性,在進行刀磨的使用時必須選擇適宜的方向。人造金剛石各向同性,其硬度低于nd,但強度與韌性高于nd。
金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料,如銅、鎢等有色金屬及其合金、陶瓷、硬質合金、各種纖維和顆粒加強復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等,但金剛石忌切鋼鐵及其它鐵族金屬。
tfd綜合性能很好,兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優點,與基底結合牢固,便于多次重磨,故有良好應用價值和發展前景。cbn的制造方法與pcd或pcd/cc相似。以六方氮化硼為原料,經高溫高壓制成聚晶cbn或復合片cbn/cc。cbn主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵及其它硬金屬與非金屬材料。
可以預見,金剛石刀具在21世紀將有大發展,它除了不能加工鋼鐵和鐵族金屬以外,在非鐵金屬和非金屬材料的加工方面,有非常優越的應用價值。如汽車工業中的鋁硅活塞和航空航天工業中的有色金屬精密零件的加工都離不開金剛石刀具。筆者認為,今后人造單晶金則石刀具和cd、tfd金剛石鍍膜(涂層)刀具將有較大發展。
近年,cbn的制造工有了改進,成本有所降低;同時,通過改硬質相和黏結相的配比和黏結材料的種,使其韌性顯著提高。近年,在汽剎轂(灰鑄)和冶金工輥(淬硬和高硬)的加工,得到了廣泛應用。我相信,cbn刀具將有大發展,到21世紀末,可能將替代相當數量的硬質合金刀具和陶瓷刀具,成為應用zui廣的刀具材料之一。從技術角度說,cbn應改進在加工一般硬度和中硬材時效果不顯著的缺陷。
近年,還出現了一種嶄新的超硬刀具材料。用磁控濺射法在高速或硬質合金刀具上可沉積氮化碳(cxny)薄膜,根據體彈模量計算,它能達到甚至超過金剛石的硬度。其它性能也與金剛石十分相似。在高速刀具(如麻花鉆)上涂覆這種薄膜來加工鋼件,刀具命比涂前可提高8~10倍。在硬質合金刀片涂覆亦有一定的效果,但不如高速刀具顯著。因此,cxny涂層刀具也是未來刀具的重要展方向。
刀具材料發展簡史
遠古時代,曾用石材和銅合金作為刀具材料。18世紀中葉歐洲工業革命以后,切削刀具一直由碳素工具鋼制造;1865年發明了合金工具鋼。
但隨著對加工效率的要求日益提升,上述兩種工具鋼材料的性能已不敷要求。
高速鋼在1898年被發明出來,這種新材料的出現使切削速度和切削效率較碳素工具鋼、合金工具鋼分別提高4倍和2.5倍以上。從19世紀末到20世紀初,高速鋼曾使切削水平出現了一個飛躍,推動了美國及世界各國機械制造業的迅猛發展,產生了巨大的經濟效益。
人們尋求更高性能的新型刀具材料的努力從未停步,20世紀20年代中期到30年代初,出現了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質合金。第二次世界大戰期間,由于大批量、率生產兵器的需要,美英蘇德各國已部分使用硬質合金刀具。在我國,解放后曾從蘇聯引進少量硬質合金。20世紀50年代中期以后,開始自行生產并廣泛使用。
20世紀后半期,工件材料的機械性能不斷提高,產品的品種和批量逐漸增多,加工精度的要求日益提高,工件的結構和形狀不斷復雜化和多樣化,硬質合金刀具在應對這些新挑戰中發揮了重大作用。而且,硬質合金本身也涌現出許多新品種,性能不斷提高。但它較脆,韌性不足,可加工性遠遠低于高速鋼,開始時只能用于車刀和銑刀,后來才擴大到其它刀具,難以用于所有的刀具。正因為高速鋼能制造各種類型的刀具,其始終占領很大一塊陣地,而且,高速鋼也發展了很多新品種,切削性能較原有品種有了很大提高。
直至近年,高速鋼和硬質合金仍是用得zui多的兩種刀具材料,但硬質合金的占比已擴大到60%。可以看到,經過半個世紀的“攻城掠地”,硬質合金竟然占領了如此廣闊的陣地,應該也是當初人們始料不及的。但它仍不能滿足現代高硬度工件材料的超精密加工的要求,于是在20世紀30年代出現了氧化鋁陶瓷,后來又有氮化硅陶瓷。到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金剛石,它們的硬度明顯高于其它刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬質合金,但其韌性和可加工性則又遜于硬質合金。

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