文档介绍：硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路
    据中国钢铁新闻网2007年11月8日报道:材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出:“由于刀具材料的改进,允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等,耐热温度已由500~600℃提高到1200℃以上,允许切削速度已超过1000m/min,使切削加工生产率在不到100 年时间内提高了100多倍。因此可以说,刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。
常规刀具材料的基本性能
1) 高速钢
    1898 年由美国机械工程师泰勒()和冶金工程师怀特()发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢,%~%。高速钢具有较高耐热性,其切削温度可达600℃,与碳素工具钢及合金工具钢相比,其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性和成形性,可用于制造几乎所有品种的刀具,如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是,高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷,已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求;此外,高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭,据估计其储量只够再开采使用40~60年,因此高速钢材料面临严峻的发展危机。
2) 陶瓷
    与硬质合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此,加工钢材时,陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10~20倍,其红硬性比硬质合金高2~6倍,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差,这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。
    陶瓷刀具材料可分为三大类:①氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分,经热压制成复合陶瓷刀具,其硬度可达93~95HRC,为提高韧性,常添加少量Co、Ni等金属。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为Si3N4+TiC+Co复合陶瓷,其韧性高于氧化铝基陶瓷,硬度则与之相当。③氮化硅—氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷,其化学成分为77%Si3N4+13%Al2O3,硬度可达1800HV,,最适合切削高温合金和铸铁。
3) 金属陶瓷
    金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同,主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金,低于陶瓷材料;其横向断裂强度大于陶瓷材料,小于硬质合金;化学稳定性和抗氧化性好,耐剥离磨损,耐氧化和扩散,具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。
    金属陶瓷刀具的切削效率和工作寿命高于硬质合金、涂层硬质合金刀具,加工出的工件表面粗糙度小;由于金属陶瓷与钢的粘结性较低,因此用金属陶瓷刀具取代涂层硬质合金刀具加工钢制工件时,切屑形成较稳定,在自动化加工中不易发生长切屑缠绕现象,零件棱边基本无毛刺。金属陶瓷的缺点是抗热震性较差,易碎裂,因此使用范围有限。
4) 超硬材料
    人造金刚石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料统称为超硬材料。金刚石是世界上已知的最硬物质,并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性能,可用于铝、铜等有色金属及其合金的精密加工,特别适合加工非金属硬脆材料。1955年,美国GE公司采用高温高压法成功合成了人造金刚石,1966年又研制出人造聚晶金刚石复合片(PCD),自此人造金刚石作为一类新型刀具材料得到迅速发展。但由于金刚石中的碳在高温下易与铁元素作用而迅速溶解,因此金刚石刀具不适合加工铁基合金,从而大大限制了金刚石在金属切削加工中的应用。
    立方氮化硼(CBN)是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然CBN的硬度低于金刚石,但其氧化温度高达1360℃,且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此,虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备,但仍是适合钢类材料切削、具有高耐磨性的优良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能,因此特别适合加工高硬度、高韧性的难加工金属材料。如采用CBN可转位刀片干式精车淬硬齿轮,每个齿轮的加工成本可降低60%;采用配装球形CBN刀片的立铣刀精铣大型硬质磨具,磨削时间可比传统工艺减少80%。CBN材料的不足之处是韧性较差的问题尚待解决。
4) 硬质合金
    硬质合金由Schroter于1926年首先发明。经过几十年的不断发展,硬质合金刀具的硬度已达98~93HRA,在