新型刀具材料

新型刀具材料

重庆大学本科学生课题论文

新型刀具材料

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指导教师：

专业：机械制造及其自动化专业重庆大学机械工程学院

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摘要

随着科学与工业的发展，机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。于此同时，机械加工技术的运用范围也越发广泛，无论是在航空航天，模具生产和汽车制造等领域都能看到机械制造的影子。然而随着工件材料的力学性能的不断提高，加工精度的要求日益的提高，以及各种新型难以加工的材料的出现，对加工技术的要求也越来越高。要想使一样加工技术得到改革，产生质的飞跃，刀具作为基本组成之一，人们也对其提出了更高的要求。故本文，我们将着重介绍各种的新型刀具材料，及其相关知识。

关键词

稀土硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料

新型刀具材料

一、新型刀具材料的基本要求

刀具材料性能的优劣是影响切削加工能否正常运作的直接原因。为了适应当今社会更高的要求，新型刀具必须在保证提高加工效率和加工质量的同时，降低加工费用。材料、结构和几何形状是决定刀具加工性能的三个重要因素。其中，刀具材料最为重要。刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量以及刀具使用寿命等都影响很大。

性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。造成刀具损坏最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械摩擦、粘结、化学磨损、崩刃、破碎以及塑性变形等磨损和破损。

因此高速切削刀具材料最主要的要求是高温时的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性(氧化性、扩散性、溶解度等)和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。

本文主要介绍的新型刀具材料主要分为以下几类：

（一）稀土硬质合金；（二）陶瓷刀具材料；（三）超硬刀具材料。二、稀土硬质合金

添加稀土元素的硬质合金是刀具材料新品种之一。稀土元素是指化学元素周期表中原子序数57～71（从La到Lu），再加上21和39（Sc和Y），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。稀土对硬质合金的作用机理主要有：1.抑制Co 粘结相的相变和固溶强化；2. 控制 WC 晶粒的不均匀长大、细化晶粒；3. 富集杂质元素，改变其分布形态，净化界面；4. 影响合金中孔隙度和孔隙尺寸。

常见的稀土硬质合金主要有：

1.稀土硬质合金YG8R

此类合金有硬质合金YG8改进得到，YG8R主要用于铸铁和有色金属的粗加工。经过测试，用YG8R和YG8硬质合金车削灰铸铁HT200(硬度HB170～180)，v=80m/min，ap=2mm，f=0.3mm/r。YG8R的使用寿命为YG8的1.5～2倍，且抗冲击性能有所改善。

2.稀土硬质合金YT14R

在YT14硬质合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，可得到稀土硬质合金YT14R。YT14R主要用钢材的半精加工。添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密；室温硬度和高温硬度有所改善；断裂韧性和抗弯强度显著提高，分别提高20%和10%以上。

3.稀土硬质合金YW1R

YW1R和YW1刀具车削不锈钢1Cr18Ni9Ti(抗拉强度sb=0.55GPa)和高温合金GH3128(sb=0.84GPa)，v=30～60m/min，ap=0.7～1.5mm，f=0.08mm/r。YW1R的使用寿命为YW1的2倍以上，且已加工表面质量略有改善。

由此，我们可以看出稀土硬质合金的冲击韧性、抗弯强度及工作时的抗冲击

能力明显得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗扩散和抗氧化的能力亦有一定提高。同时，稀土元素在自然界蕴藏丰富，价格不高，这使得稀土硬质合金中有广阔的应用前景。

三、陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料是以人造化合物（主要成分为氧化铝和氮化硅）为原料，加微量添加剂，在高压高温下烧结而成，是一种廉价的非金属刀具材料。它有很高的硬度、耐磨性和耐热性，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3—5倍。但是陶瓷刀具材料的抗弯强度低，冲击韧性差，因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。

陶瓷刀具一般有以下几种：

1.氮化硅基陶瓷刀具

1.1单一Si3N4陶瓷刀

此类陶瓷刀具主要是以氧化镁（Mgo）为添加剂的热压陶瓷。其硬度为9l一93HRA，耐磨性与抗弯强度均高于一般陶瓷，冲击韧度相当于Y130，耐热性可达1300—1400℃，具有良好的抗氧化性。此外，Si3N4 陶瓷有自润滑性能，摩擦系数较小，抗粘接能力强，不易产生积屑瘤，且切削刃可磨得锋利。能加工出良好的表面质量，特别适合于车削易形成积屑瘤的工件材料。

1.2复台Si3N4陶瓷刀具

Si3N4陶瓷以共价键结合，晶粒是长柱状的，有着较高的硬度、强度和断裂韧性，同时它的热膨胀系数小，所以有较好的抗机械冲击性和抗热冲击性。Si3N4刀具特别适合于铸铁、高温合金的粗精加工、高速切削和重切削，其切削耐用度比硬质合金刀具高几倍至十几倍。在汽车发动机铸铁缸体等加工中应用越来越普遍。

1.3SiMon陶瓷刀具

该类合金以Si3N4为硬质相Al203为耐磨相，并添加少量助烧剂Y203，经热压烧结而成。该合金不仅强度韧性高，而且具有有良好的抗热冲击性能，化学性能稳定，耐高温。其冲击强度接近于涂层硬质合金刀具，巳成功应用于铸铁和高温合金等难加工材料的加工。

1.4Si3N4晶须增韧陶瓷刀具

晶须增韧陶瓷是在Si3N4基体中加入一定量的碳化物晶须而成，从而可提高陶瓷刀具的断裂韧性。

2.金属陶瓷刀具

2.1Ti(C．N)基金属陶瓷刀具

这是一种陶瓷一金属复合材料以TiC为主要成分的合金，其硬度与耐热性接近陶瓷而抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高，其中金属碳化物是硬质相，一般占80％以上；其余为铁、钴、镍等金属相。该金属陶瓷硬度高，强度低，韧性低，因此不宜在有强烈冲击和振动的情况下使用。金属陶瓷的导热性、耐热性、抗粘结性和化学稳定性比高速钢好得多，因此。在刀具材料中获得了广泛应用。

2.2涂层金属陶瓷刀具

涂层金屑陶瓷目前发展速度非常迅速。涂层分为硬涂层和软涂层，硬质涂层主要提高了刀具的硬度和耐磨性，软涂层则可以降低刀具的摩擦系数。