硬质合金刀具材料发展现状与趋势_陶国林

第18卷　第3期2011年6月 金属功能材料M etallic Functional M aterials

Vol .18,　No .3

June ,　2011

硬质合金刀具材料发展现状与趋势

陶国林

1,2

,蒋显全2,黄　靖

3

(1.重庆工商大学,重庆400067;2.重庆市科学技术研究院　新材料研究中心,重庆400020;

3.重庆机械电子技师学院,重庆400030)

摘　要:回顾了各种硬质合金刀具材料的基本性能和发展现状,并对各种刀具材料技术的研究成果及发展趋势进行了探讨,同时提出了今后的发展方向。关键词:硬质合金;刀具材料;涂层

中图分类号:T G135.5 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2011)03-0079-05

Research Status and Developing Trend of

Cemented Carbide Tool

TA O G uo -lin 1,2,JIA NG Xian -quan 2,H U A NG Jing 3

(1.Chongqing Technolo gy and Business U niv ersity ,Chongqing 400067,China ;2.Cho ng qing A cademy o f Science and T echno lo gy ,Chongqing 400020,China ;3.Chongqing M echanical Elec trical A rtificer Co llege ,Cho ng qing 400030,China )

Abstract :Co nventio na l pe rfor mances and resea rch status o f many kinds of cemented car bide cutting too l material are rev iewed ,and the resea rch achievement o f cemented ca rbide too ls in recent year s are discussed ;M eanw hile ,develop -ment trend in the future is put fo rw ard .

Key words :ceme nted ca rbide ;cutting to ol ma te rial ;coa ting

作者简介:陶国林(1975-),男,四川德阳人,硕士,助理研究员,主要从事碳化钨硬质合金方面的研究。

随着加工业的发展,难加工材料的使用日益增多,对加工效率的要求也不断提高。刀具的发展对

提高生产效率和加工质量具有直接影响。材料成分和结构以及几何形状是决定刀具性能的3要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。目前虽然可供使用的品种很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金是最受欢迎的一种刀具材料[1]。

硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物(WC 、TiC 等)微米级粉末采用Co 、Mo 、Ni 等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品,。其高温碳化物含量超过高速钢,允许的切削温度高达800～1000℃,常温硬度达89～93H RA ;在540℃时为82～87H RA ,与高速钢常温时硬度(83～86H RA )相同;760℃时硬度达77～85H RA ,并具有化学稳定性好、耐热性高等优点。硬质合金刀具切削速度可达

100～300m /min ,远远超过高速钢,寿命是高速钢的几倍到几十倍[2]

。发达国家90%以上的车刀和

55%以上的铣刀都采用硬质合金材料制造,目前使用比重仍在增加[3]。另外,硬质合金也用来制造钻头、铣刀、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具,硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料,现在已成为主要的刀具材料之一。

目前世界上硬质合金刀具已占刀具主导地位,占比达70%;金刚石、立方氮化硼等超硬刀具占比约为3%左右;而高速钢刀具正以每年1%～2%速度缩减,目前所占比例已降至30%以下。我国目前年产硬质合金1.6万t ,占全球总产量40%左右。但硬质合金制品附加值最高的切削刀片产量只有

3000余t ,只占20%[4,5]

。

从经济效益方面比较,我国刀具年销售额为

145亿元,硬质合金销售收入约5.6亿美元,其刀具所占比例不足25%;日本的刀具产量仅为我国40%,但销售收入高达26.33亿美元,其刀具占比高达72%。我国刀具产品与国际市场刀具产品结构相去甚远,不仅不能满足国内制造业对硬质合金刀具日益增长的需求,也使我国宝贵的硬质合金资源未得到充分利用。

下面就硬质合金刀具材料的现状和发展趋势进行分析和探讨。

1　碳化钨(WC)基硬质合金

碳化钨(WC)基硬质合金主要成分为WC,主要分为钨钴(WC-Co)类硬质合金(YG类)、钨钛钴(WC-TiC-Co)类硬质合金(Y T类)、钨钛钽(铌)钴(WC-C-TaC(NbC)-Co)类硬质合金(YW)等3类。

YG类(国际上统称为K类),硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等,主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。与YT类合金相比,有较高的抗弯强度和冲击韧性,同时导热性较好。

YT类(国际上统称为P类)由于加人TiC,使材料的硬度和耐磨性有所提高,但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性,抗粘结、抗氧化能力较好,适用于加工钢材,切削时刀具磨损小,耐用度较高。高温时的硬度和抗压强度比YG 类高,但YT类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。

YW类(国际上统称为M类)硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力,兼具YG、YT类合金的良好性能,特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁[6]。

近年,ISO又增设了3类硬质合金[7]:(1)H类,用于切削高硬材料:(2)S类,用于切削高温合金、耐热材料;(3)N类,用于切削有色金属。应当注意的是,立方氮化硼PCBN用于切削淬硬钢,被列入H 类。热压聚晶金刚石PCD主要用于切削有色金属,被列入N类。故当今硬质合金已分为K、P、M、H、S、N6大类。

2　碳(氮)化钛基硬质合金

TiC(N)基硬质合金是以TiC为主体,以Ni-Mo 作粘结剂,不含或少含WC,并添加少量其他碳化物的合金,密度低,硬度高(H RC可达到94～95)。此外,它的抗氧化性好、耐热性好(1000℃以上)及化学性能稳定。与WC基合金相比,TiC(N)在碳化物中硬度最高,对金属的摩擦系数较小,切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强,高温时硬度降低较小,有较好的耐磨性。

TiC(N)基硬质合金的性能介于陶瓷和硬质合金之间,所以又被称为金属陶瓷。由于TiC(N)基硬质合金具有接近陶瓷材料的硬度和耐热性,且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高,因此,可以用来作为高速切削加工刀具材料[8]。

金属陶瓷刀具材料也存在抗塑性变形性能差(低于WC基合金)、抗磨料磨损性能差等缺点,不适用于加工耐磨材料(如铸铁、纤维玻璃等)和耐热合金。

日本在TiC(N)基硬质合金应用方面居世界领先地位,其用量占硬质合金和陶瓷刀具总量的28%。为了解决金属陶瓷材料韧性差的问题,很多学者进行了相关研究,并取得了一定的成效。如日本京瓷(Ky ocera)公司研究和使用了TiCN-NbC和TiC-TiN基金属陶瓷,其性能得到了进一步提高;发展了超细晶粒金属陶瓷,其平均晶粒粒径为0.6μm,抗弯强度达到2.5GPa;采用PVD涂层技术进一步发展了TiA1N涂层的金属陶瓷,性能高于无涂层陶瓷[9,10]。

3　超细晶粒硬质合金

超细晶粒硬质合金是一种高硬度和高强度兼备的硬质合金,由超细晶粒碳化钨即0.5μm的WC、金属钴Co、碳化钒VC和碳化铬Cr3C2组成,适合在高速钢刀具耐磨性不够,以及由于振动引起传统的硬质合金磨损或因切削速度过低而不宜使用传统硬质合金的情况下使用。

超细晶粒硬质合金的WC粒度一般为0.2～1.0μm,大部分在0.5μm以下,是普通硬质合金WC粒度的几分之一到几十分之一,其硬度一般为90～93H RA,抗弯强度为2000～3500M Pa,比含钴量相同的一般WC-Co硬质合金高,与加工材料的相互吸附-扩散作用较小,特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢以及其它难加工材料[11～13]。超细晶粒硬质合金的分类及不同晶粒度的硬质合金刀具切削性能如表1、表2所示。

80金属功能材料 2011年