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行業新聞

硬質合金刀具材料的研究現狀與發展思路

點擊次數:  更新時間:2015-10-23 16:58:04  【打印此頁】  【關閉

  材料、結構和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素,其中刀具材料的性能起著關鍵性作用。國際生產工程學會(CIRP)在一項研究報告中指出:“由于刀具材料的改進,允許的切削速度每隔10年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀初的高速鋼、硬質合金發展到現在的高性能陶瓷、超硬材料等,耐熱溫度已由500——600℃提高到1200℃以上,允許切削速度已超過1000m/min,使切削加工生產率在不到100 年時間內提高了100多倍。因此可以說,刀具材料的發展歷程實際上反映了切削加工技術的發展史。


  常規刀具材料的基本性能


  1) 高速鋼


  1898 年由美國機械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)發明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加入了較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼,其含碳量為0.7%——1.05%。高速鋼具有較高耐熱性,其切削溫度可達600℃,與碳素工具鋼及合金工具鋼相比,其切削速度可成倍提高。高速鋼具有良好的韌性和成形性,可用于制造幾乎所有品種的刀具,如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是,高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷,已難以滿足現代切削加工對刀具材料越來越高的要求;此外,高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內日漸枯竭,據估計其儲量只夠再開采使用40——60年,因此高速鋼材料面臨嚴峻的發展危機。


  2) 陶瓷


  與硬質合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此,加工鋼材時,陶瓷刀具的耐用度為硬質合金刀具的10——20倍,其紅硬性比硬質合金高2——6倍,且化學穩定性、抗氧化能力等均優于硬質合金。陶瓷材料的缺點是脆性大、橫向斷裂強度低、承受沖擊載荷能力差,這也是近幾十年來人們不斷對其進行改進的重點。


  陶瓷刀具材料可分為三大類:①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分,經熱壓制成復合陶瓷刀具,其硬度可達93——95HRC,為提高韌性,常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為Si3N4+TiC+Co復合陶瓷,其韌性高于氧化鋁基陶瓷,硬度則與之相當。③氮化硅—氧化鋁復合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷,其化學成分為77%Si3N4+13%Al2O3,硬度可達1800HV,抗彎強度可達1.20GPa,最適合切削高溫合金和鑄鐵。


  3) 金屬陶瓷


  金屬陶瓷與由WC構成的硬質合金不同,主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結劑Ni、Co、Mo等構成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質合金,低于陶瓷材料;其橫向斷裂強度大于陶瓷材料,小于硬質合金;化學穩定性和抗氧化性好,耐剝離磨損,耐氧化和擴散,具有較低的粘結傾向和較高的刀刃強度。


  金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質合金、涂層硬質合金刀具,加工出的工件表面粗糙度??;由于金屬陶瓷與鋼的粘結性較低,因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質合金刀具加工鋼制工件時,切屑形成較穩定,在自動化加工中不易發生長切屑纏繞現象,零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較差,易碎裂,因此使用范圍有限。


  4) 超硬材料


  人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料統稱為超硬材料。金剛石是世界上已知的最硬物質,并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩定性、高溫半導體特性等多種優良性能,可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密加工,特別適合加工非金屬硬脆材料。1955年,美國GE公司采用高溫高壓法成功合成了人造金剛石,1966年又研制出人造聚晶金剛石復合片(PCD),自此人造金剛石作為一類新型刀具材料得到迅速發展。但由于金剛石中的碳在高溫下易與鐵元素作用而迅速溶解,因此金剛石刀具不適合加工鐵基合金,從而大大限制了金剛石在金屬切削加工中的應用。


  立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石,但其氧化溫度高達1360℃,且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此,雖然目前CBN還是以燒結體形式進行制備,但仍是適合鋼類材料切削、具有高耐磨性的優良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高熱穩定性、高化學穩定性等優異性能,因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。如采用CBN可轉位刀片干式精車淬硬齒輪,每個齒輪的加工成本可降低60%;采用配裝球形CBN刀片的立銑刀精銑大型硬質磨具,磨削時間可比傳統工藝減少80%。CBN材料的不足之處是韌性較差的問題尚待解決。


  4) 硬質合金


  硬質合金由Schroter于1926年首先發明。經過幾十年的不斷發展,硬質合金刀具的硬度已達98——93HRA,在1000℃的高溫下仍具有較好的紅硬性,其耐用度是高速鋼刀具的幾十倍。


  硬質合金是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等難熔金屬碳化物以及作為粘結劑的鐵族金屬用粉末冶金方法制備而成。與高速鋼相比,它具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性;與超硬材料相比,它具有較高的韌性。由于硬質合金具有良好的綜合性能,因此在刀具行業得到了廣泛應用,目前國外90%以上的車刀、55%以上的銑刀均采用硬質合金材料制造。


  硬質合金牌號通??煞譃槿悾孩資G類(WC-Co類):該類硬質合金制造的刀具具有較好的韌性、耐磨性、導熱性等,主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬。②YT類(WC-TiC-Co類):由于材料中加入了TiC,使材料的硬度和耐磨性有所提高,但抗彎剛度有所降低。該類硬質合金具有高硬度和高耐熱性,抗粘結、抗氧化能力較好,適用于加工鋼材,切削時刀具磨損小,耐用度較高。③YW類(WC-TiC-TaC-Co類):在YT材料中加入TaC是為了提高刀具的強度、韌性和紅硬性。該類硬質合金材料具有很高的高溫硬度、高溫強度和較強的抗氧化能力,特別適于加工各種高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。


  雖然近年來各種新型刀具材料層出不窮,但在今后相當長一段時間內,硬質合金刀具仍將廣泛應用于切削加工,因此需要研究開發新的材料制備技術,進一步改善和提高硬質合金刀具材料的切削性能。


  硬質合金刀具材料的研究現狀


  由于硬質合金刀具材料的耐磨性和強韌性不易兼顧,因此使用者只能根據具體加工對象和加工條件在眾多硬質合金牌號中選擇適用的刀具材料,這給硬質合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質合金刀具材料的綜合切削性能,目前的研究熱點主要包括以下幾個方面:


  1) 細化晶粒


  通過細化硬質相晶粒度、增大硬質相晶間表面積、增強晶粒間結合力,可使硬質合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時,材料的硬度、韌性、強度、耐磨性等均可提高,達到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質合金晶粒度為3——5μm,細晶粒硬質合金晶粒度為1——1.5μm(微米級),超細晶粒硬質合金晶粒度可達0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質合金與成分相同的普通硬質合金相比,硬度可提高2HRA以上,抗彎強度可提高600——800MPa。


  常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子體沉積法、機械合金化法等。等徑側向擠壓法(ECAE)是一種很有發展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中,并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出,且擠壓時的橫截面積不變。經過ECAE工藝加工的粉體晶??擅黠@細化。


  由于上述晶粒細化工藝方法仍不夠成熟,因此在硬質合金燒結過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒,而晶粒普遍長大將導致材料強度下降,單個的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面,細晶粒硬質合金的價格較為昂貴,對其推廣應用也起到一定制約作用。


  2) 涂層硬質合金


  在韌性較好的硬質合金基體上,通過CVD(化學氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(HighVelocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物,可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結合而提高硬質合金刀具的綜合性能。涂層硬質合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性,特別適合高速切削;由于其耐用度高、通用性好,用于小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數,提高加工效率;涂層硬質合金刀具抗月牙洼磨損能力強,刀具刃形和槽形穩定,斷屑效果及其它切削性能可靠,有利于加工過程的自動控制;涂層硬質合金刀具的基體經過鈍化、精化處理后尺寸精度較高,可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。上述特點決定了涂層硬質合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機集成制造系統)等自動化加工設備。


  但是,采用涂層方法仍未能根本解決硬質合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題。


  3) 表面、整體熱處理和循環熱處理


  對強韌性較好的硬質合金表面進行滲氮、滲硼等處理,可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質合金進行整體熱處理,可改變材料中的粘結成分與結構,降低WC硬質相的鄰接度,從而提高硬質合金的強度和韌性。利用循環熱處理工藝緩解或消除晶界間的應力,可全面提高硬質合金材料的綜合性能。


  4) 添加稀有金屬


  在硬質合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物,可使添加物與原有硬質相WC、TiC結合形成復雜固溶體結構,從而進一步強化硬質相結構,同時可起到抑制硬質相晶粒長大、增強組織均勻性等作用,對提高硬質合金的綜合性能大有益處。在ISO標準的P、K、M類硬質合金牌號中,均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質合金(尤以M類牌號中較多)。


  5) 添加稀土元素


  在硬質合金材料中添加少量釔等稀土元素,可有效提高材料的韌性和抗彎強度,耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強化硬質相和粘結相,凈化晶界,并改善碳化物固溶體對粘結相的潤濕性。添加稀土元素的硬質合金最適合粗加工牌號,亦可用于半精加工牌號。此外,該類硬質合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質合金工具中亦有廣闊應用前景。我國稀土資源豐富,在硬質合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。


  硬質合金刀具材料的發展思路


  應用晶須增韌補強、納米粉復合強化技術全面提高硬質合金刀具材料的硬度、韌性等綜合性能,是硬質合金刀具材料研究今后發展的重要方向。


  1) 晶須增韌補強技術


  a. 增韌機理


  由于硬質合金刀具材料的斷裂韌性欠佳,因此很難應用于一些對刀具韌性要求較高的加工場合(如微型深孔鉆削等)。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補強技術。


  加入硬質合金材料中的晶須能吸收裂紋擴展的能量,吸收能量的大小則由晶須與基體的結合狀態決定。晶須增韌機制主要表現為:①晶須拔出增韌:晶須在外界負載作用下從基質中拔出時,因界面摩擦而消耗掉一部分外界負載能量,從而達到增韌目的,其增韌效果受晶須與界面滑動阻力的影響。晶須與基體界面之間必須有足夠的結合力,以使外界負載能有效傳遞給晶須,但該結合力又不能太大,以便保持足夠的拔出長度。②裂紋偏轉增韌:當裂紋尖端遇到彈性模量大于基質的第二相時,裂紋將偏離原來的前進方向,沿兩相界面或在基質內擴展。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有更大的斷裂表面,因此可吸收更多外界能量,從而起到增韌作用。在基質內加入高彈性模量的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉增韌機制。③晶須橋接增韌:當基質斷裂時,晶須可承受外界載荷并在斷開的裂紋面之間起到橋梁連接作用。橋接的晶須可對基質產生使裂紋閉合的力,消耗外界載荷做功,從而提高材料韌性。


  b. 晶須的選用及添加方式


  目前常用的晶須材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化硼、莫來石等。但研究重點應放在單晶SiC晶須材料上,這是由于SiC本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀(針狀)SiC粉末體較易獲得。


  SiC晶須的添加方式主要有兩種:①外加晶須方式:將一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮化物等為基體的粉末材料中,通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方式目前使用較廣泛。②合成晶須方式:將粉末基體與SiO2、碳黑、燒結助劑等混合后,在一定溫度和壓力下合成SiCw晶須,然后通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方法目前尚在進一步研究開發之中。一般選用SiCw晶須的直徑范圍為0.01——3μm,長度范圍為0.1——300μm,晶須的長徑比取值為10,SiCw晶須添加量為5%——40%。我國目前使用的SiCw晶須特性見表1。


  c.晶須的取向與含量


  晶須增韌硬質合金材料熱壓成形后,晶須的分布呈現出明顯的方向性,在不同方向上因晶須取向不同而表現出不同的增韌效果。因此,在制造硬質合金刀片時應考慮晶須取向對刀具切削性能的影響。此外,WC-Co-SiCw材料中的晶須含量不同,其增韌效果也有較大差異。如晶須含量過多,會因燒結困難而難以獲得致密度高的材料組織,從而影響硬質合金材料強度;如晶須含量過少,則晶須增韌效果不明顯,材料斷裂韌性提高有限,晶須可能非但起不到增韌作用,反而成為多余夾雜物甚至缺陷源。因此,存在一個最佳晶須配比,按此配比添加晶須,不僅可獲得致密度高的材料,而且外載能通過界面傳給晶須,有效實現晶須的增韌作用。為達此目的,應根據刀具損壞方式的不同,分別優選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的WC-Co-SiCw刀具進行切削加工,以充分實現這種刀具材料的增韌補強作用。


  2) 納米復合強化技術


  a.強化機理


  納米技術是近年來發展迅速的一門新興技術。當材料的晶粒尺寸達到納米級,就會產生許多特異性能。由于納米材料具有較大界面,界面上的原子排列相當混亂,在外力變形條件下極易遷移,因此使材料表現出良好的韌性與延展性。納米刀具材料的顯微結構物相具有納米級尺度,由于尺寸效應的作用,晶界面積增大,抗裂紋擴張阻力提高,從而可獲得優異的力學性能(如斷裂韌性、抗彎強度、硬度等),表現出良好的切削性能。


  由于生產工藝不成熟、價格昂貴以及燒結過程中納米晶粒容易發生瘋長等原因,迄今世界上還沒有一家公司實現100nm粒度硬質合金材料的工業化規模生產。因此,納米硬質合金材料的工業化應用還有待時日。但是人們發現,在細晶粒硬質合金基體中加入納米顆粒,也可使硬質合金基體材料的硬度、韌性等綜合性能有較大提高。因此,采用納米復合強化是改善細晶粒硬質合金材料性能的有效途徑。


  納米復合強化機理主要是因為彌散在硬質合金基體材料中的納米顆粒具有彌散增韌作用。當在基質材料中加入高彈性模量的第二相粒子(納米顆粒)后,這些粒子在基質材料受到拉伸作用時將阻止橫向截面收縮,而要達到與基體相同的橫向收縮,就則增大縱向拉應力,這樣就可使材料消耗更多能量,起到增韌效果。同時,高彈性模量顆粒對裂紋可起到“釘扎”作用,使裂紋發生偏轉、繞道,從而耗散裂紋前進的動力,起到增韌作用。此外,彌散在硬質合金基體材料中的納米顆??梢种朴操|合金晶粒在燒結過程中的長大,綜合提高硬質合金材料的機械性能。


  b. 抑制劑的選擇


  制備納米復合細晶粒硬質合金時,一個重要問題是在燒結過程中如何抑制晶粒的長大。細晶粒硬質合金在燒結時極易快速長大,晶粒長大會導致材料強度下降,單個的粗大WC晶粒常常是硬質合金發生斷裂的重要誘因。通過添加抑制劑能有效阻止燒結過程中WC晶粒的長大,而消除WC晶粒局部長大的關鍵在于抑制劑的均勻分布。晶粒長大現象主要發生在WC的溶解沉淀過程中,即WC溶解在液相中并沉淀在較大WC晶體上而導致晶粒長大。抑制劑可抑制晶粒長大的一個重要機理在于加入抑制劑可降低WC在粘結相中的溶解度,使WC晶粒的溶解—析出機制受到阻礙,從而破壞晶粒長大的條件;同時,加入的抑制劑可沉積在WC晶粒的活化長大晶粒上,從而阻止晶粒進一步長大。


  通常用于控制WC晶粒長大的抑制劑有VC、Cr3C2等,此外,添加的難溶碳化物還有TiC、ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC等。圖1所示為制備WC-X-20%Co(X為添加的碳化物)硬質合金時(1400℃下燒結1小時)WC的平均晶粒度與各種碳化物單獨添加量之間的關系。由圖可見,各種碳化物抑制劑控制WC晶粒長大的效果順序為:VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC>ZrC>HfC,其中VC的抑制效果最明顯,而添加微量Mo2C和Cr3C2則幾乎沒有抑制WC晶粒長大的作用。


  c. 抑制劑添加方式


  抑制劑的添加方式對超細硬質合金性能影響極大。在添加量相同的條件下,以單質形式加入抑制劑通??墒褂操|合金材料的孔隙度更高、晶粒更細;而以固溶體形式加入抑制劑時,硬質合金材料的孔隙相對較少、晶粒較粗。按不同方式添加抑制劑的WC-8%Co硬質合金的性能指標見表2??芍?,以固溶體形式添加抑制劑的硬質合金各項性能指標較好,材料抗彎強度有較大提高。以VC為例,如以單質形式添加,VC更容易溶解于Co相中,從而減少了W的溶解量;VC排列在WC/Co界面上,可阻止晶粒長大,并使晶粒生長不完整;在冷卻過程中,#0 向!0 晶粒擴散,形成(W,V)C固溶體,由于形成固溶體時間短,在晶粒內造成較大微觀應變,從而影響硬質合金的機械物理性能。如以固溶體形式添加VC抑制劑,WC、VC同時向Co相內擴散,V的溶解量有所減少,而W的溶解量增加,孔隙充填更為容易,但同時也使VC的抑制作用下降;在冷卻過程中,由于部分VC已經以(W,V)C的形式存在,使晶粒內部的應變減小,晶粒生長更趨完整,從而提高了硬質合金的機械物理性能。


  結語


  本文通過對硬質合金刀具材料研究現狀的綜合評述,提出采用晶須增韌補強、納米復合強化的協同增韌作用提高和改善硬質合金綜合性能的研究發展思路??梢灶A計,由于晶須增韌補強、納米復合強化工藝在改善硬質合金性能方面具有的顯著優勢,它們必將在新型高性能硬質合金刀具材料的研究開發中得到廣泛應用。


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