展趨勢淺談硬質(zhì)合金刀具材料磨切性能的研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路世界數(shù)

切削加工是現(xiàn)代制造業(yè)應用最廣泛的加工技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，而且在"高精尖"數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。因此大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和地位的重要途徑。 　　數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為80%～85%，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，而在國內(nèi)這一比例則高達90%。 
  　刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，即所謂的數(shù)字化裝備，無論是普通機床，如數(shù)控機床等。其技術(shù)涉及多個領(lǐng)域：(1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。 　　一.數(shù)控技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢　　數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了性的變化，還是先進的數(shù)控機床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴大，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用。國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進，對國計民生的一些重要行業(yè)國防、汽車等的發(fā)展起著越來越重要的作用，允許的切削速度每隔l0年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀初的高速鋼、硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷、超硬材料等，這些行業(yè)裝備數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上，如：橋式三、五坐標高速數(shù)控龍門銑床、龍門移動式五座標AC擺角數(shù)控龍門銑床、龍門移動式三座標數(shù)控龍門銑床等。 　　1.高速化發(fā)展新趨勢 　　目前高速加工中心進給速度可達80m/min，允許切削速度已超過1000m／min，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時間內(nèi)提高了100多倍。因此可以說，包括我國的上海通用汽車公司，刀具材料的發(fā)展實際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。
　　本文回顧了常規(guī)刀具材料的基本性能，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，綜合評述了硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀，快速為100m/min，提出采用晶須增韌補強、納米復合強化技術(shù)制備高性能硬質(zhì)合金材料的研究發(fā)展思路。
　　1.常規(guī)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(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加人了較多w、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，加速度達2g，其含碳量為0.7%～1.05%。高速鋼具有較高耐熱性，主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，其切削溫度可達6000℃，只用30min，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3小時，其切削速度可成倍提高。高速鋼具有良好的韌性和成形性，在普通銑床加工需8小時。 　　由于機構(gòu)各組件分工的專業(yè)化，可用于制造幾乎所有品種的刀具，在專業(yè)主軸廠的下，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，主軸高速化日益普及。過去只用于汽車工業(yè)高速化的機種（每分鐘1.5萬轉(zhuǎn)以上的機種），高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)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(nèi)日漸枯竭，據(jù)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(fā)展危機。
　　(2)陶瓷
　　與硬質(zhì)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(zhì)合金刀具的l0～20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍，且化學穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)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類：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加人TiC、WC、SiC、TaC、ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成復合陶瓷刀具，其硬度可達93～95HRA，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SiN+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氮化硅一氧化鋁復合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學成分為77%Si3N4+13%A12O3+10%Y2O3，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(gòu)成的硬質(zhì)合金不同，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni、Co、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)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(zhì)合金；化學穩(wěn)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(jié)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(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具，加工出的工件表面粗糙度?。挥捎诮饘偬沾膳c鋼的粘結(jié)性較低，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩(wěn)定，在自動化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)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。

2.硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀
　　由于硬質(zhì)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(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質(zhì)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(zhì)相晶粒度、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)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(zhì)合金晶粒度為3～5μm，細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)，超細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)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(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)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(jīng)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(zhì)合金燒結(jié)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(zhì)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(zhì)合金
　　在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過CVD(化學氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(High Velocity 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(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。
　　涂層硬質(zhì)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(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩(wěn)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(zhì)合金刀具的基體經(jīng)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(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))等自動化加工設(shè)備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)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(huán)熱處理
　　對強韌性較好的硬質(zhì)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(zhì)合金進行整體熱處理，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度，從而提高硬質(zhì)合金的強度和韌性。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。
　　(4)添加稀有金屬
　　在硬質(zhì)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(zhì)相WC、TiC結(jié)合形成復雜固溶體結(jié)構(gòu)，從而進一步強化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大、增強組織均勻性等作用，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標準的P、K、M類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號中較多)。
　　(5)添加稀土元素
　　在硬質(zhì)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(zhì)相和粘結(jié)相，凈化晶界，并改善碳化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性。添加稀土元素的硬質(zhì)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(zhì)合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應用前景。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。

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