机加工中刀具材料的应用及发展趋势

机加工中刀具材料的应用及发展趋势

金属切削加工是现代机械制造工业中一种最基本的加工方法,在其过程中，刀具直接完成切削余量和形成已加工表面的任务，而刀具材料又是决定刀具切削性能的根本因素,它对加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度的影响极大。就拿切削速度来说,在最初使用碳素工具钢作为刀具材料时,切削速度只有每分钟10米左右；19世纪末20世纪初出现了高速钢刀具材料,切削速度提高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金,切削速度提高到每分钟100~５００米;20世纪中叶以后又出现了复合陶瓷、金刚石、CBN超硬刀具材料等,高速钢和硬质合金则发展了许多新品种。迄今，已使切削速度提高到每分钟一千米以上。历史事实表明，在切削加工的发展过程中,刀具材料始终是最积极的因素。同时,被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。因此,我们应当重视刀具材料的正确选择和合理使用,关注新型刀具材料的研制和发展趋势。1刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料,是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作,应具备如下的基本要求:一是高硬度和高耐磨性;二是足够的强度与冲击韧性;三是高耐热性、导热性和小的膨胀系数；四是良好的工艺性和经济性。2常用刀具材料常用刀具材料有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、超硬刀具材料和陶瓷。碳素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷和超硬刀具材料则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因,目前尚在有限的范围内使用。当今,用得最多

的为高速钢和硬质合金, 几乎各占一半。2．１高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢,有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单,容易刃磨成锋利的切削刃,锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中,仍占有主要地位。２.2硬质合金硬质合金是高强度难溶的金属化合物(主要是WＣ、TｉＣ等,又称高温碳化物）微米级的粉末,用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其中高温碳化物的含量超过高速钢,绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、钻孔绞刀等均已采用其制造,切削速度可达到100~２00m/miｎ以上,是最主要的刀具材料之一。但因其工艺性较差,用于复杂刀具尚受到很大限制。3新型刀具材料3.1涂层刀具涂层刀具材料是近20年出现的一种新型刀具材料。它是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上,涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的，是刀具材料发展中的一项重要突破。涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展的一次革命。从上世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛（TiC)后,到19８1年就把普通硬质合金刀具的切削速度从80m ／ｍin提高到３00ｍ/ｍin。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN,常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆,相当于一般硬质合金的硬度,耐用度可提高2～5倍，切削速度可提高２０%~40％;在韧性较好的硬质合金基体上,涂层多为高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学

气相沉积法(ＣＶD法)涂覆,表面硬度可达２5０0~4200HV。目前,各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用发展非常迅速。处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70%~８0％,在铣削方面已达到５0%以上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料,也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。3．2稀土硬质合金稀土硬质合金是硬质合金材料的一个新品种。它是在各种硬质合金刀具材料中,添加了少量的稀土元素。稀土元素是指化学元素周期表中原子序数为5７~7１(从Lａ到Lu),再加上２1和3９（Sc和Y）的元素,共1７个元素。将某些稀土元素,以一定方式，微量添加到传统的硬质合金牌号中,即可有效地提高它们的机械性能与切削性能。添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密;室温和高温硬度都有所改善；断裂韧性和抗弯强度显著提高,分别提高２０％和１0%以上；其耐磨性和使用寿命也均有不同程度的提高。稀土硬质合金刀片在切削时表层有富钴现象，故能降低切屑、工件与刀具间的摩擦系数，从而可以降低切削力。因此,它在机械加工中发挥着重要作用。我国对稀土硬质合金的研究开发,领先于其他国家。3.3超硬刀具材料超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和CＢＮ(立方氮化硼)。由于天然金刚石价格比较昂贵,所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD)、聚晶立方氮化硼（ＰＣBN),以及它们的复合材料。上世纪中叶,美国利用人造金刚石微粉和人造ＣBＮ微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后,南非戴比尔(D eBeers)公司、前苏

联和日本也相继研制成功。后来又推出了金刚石或ＣBN和硬质合金的复合片。目前,又出现了人工合成大单晶金刚石，以及用CVD(化学气相沉积)法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料,大大拓宽了超硬刀具材料的应用领域。我国超硬刀具材料的研究与应用开始于上世纪７0年代，现跃居世界上超硬材料生产大国之首。金刚石的优点是具有极高的硬度和耐磨性,是刀具材料中最硬的材料。同时它的摩擦系数小,与非铁金属无亲和力,切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好,能有效地加工非铁金属材料和非金属材料。其缺点是韧性差,热稳定性低。三种主要金刚石刀具材料—PCＤ、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为:PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高,抗磨损性和刃口质量居中,抗腐蚀性最差;CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量、断裂韧性和抗磨损性居中,可焊接性差;人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好,焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。各种不同形式的金刚石切削刀具能很好地相互补充,当然也存在一些相互交叉的应用领域,在这些领域需对刀具产品进行合理选择。而立方氮化硼(ＣBN)是纯人工合成的材料，它的硬度仅次于金刚石,并且热稳定性高,较适合于高速切削黑色金属。因此,超硬材料刀具不仅是加工高硬度材料的理想刀具,而且适用于高速精密和自动化加工,尤其是用超硬材料刀具进行以车代磨、以铣代磨，更具有高效、低耗、适应性强、缩短制造周期等优点,目前已在要求精度高、批量大的汽车零部件加工中得到广泛应用。3.4新型陶瓷新型陶瓷刀