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硬质合金刀具材料的研究现状与发展
2006年3月7日 15:41  
    1.引言

    切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。据统计,国外切削加工在整个制造加工中所占比例约为80%~85%,而在国内这一比例则高达90%。

    刀具是切削加工中不可缺少的重要工具,无论是普通机床,还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC),都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。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l0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。

    本文回顾了常规刀具材料的基本性能,综合评述了硬质合金刀具材料的研究现状,提出采用晶须增韧补强、纳米复合强化技术制备高性能硬质合金材料的研究发展思路。

    2.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(F. W. Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加人了较多w、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢,其含碳量为0.7%~1.05%。高速钢具有较高耐热性,其切削温度可达6000℃,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l0~20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基体材料中加人TiC、WC、SiC、TaC、ZrO2等成分,经热压制成复合陶瓷刀具,其硬度可达93~95HRA,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SiN+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氮化硅一氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷,其化学成分为77%Si3N4+13%A12O3+10%Y2O3,硬度可达1800HV,抗弯强度可达1.20GPa,最适合切削高温合金和铸铁。

 
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