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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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。

3.纳米TiN改性的TiC基金属陶瓷刀具
纳米涂层刀具是利用纳米技术的一种新刀具。

这种涂层方法采用多种材料的不同组合以满足不同的功能和性能要求。

其中TiC／TiN复合涂层是典型涂层材料，它相对于在TiC基中加入TiN硬质合金而言，其抗弯强度得到进一步的提高，刀具的硬度和韧性显著增加。

又因其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合于于切削。

但纳米涂层的涂覆必须采用先进的工艺，如封闭场不平衡磁溅射法(CFUMS)它要求精确的参数控制和先进的设备等，必然造成刀具成本的大幅提高。

同时受工艺和切削条件的影响，涂层的粘结强度可能不足，切削时涂层容易脱落。

切削性能迅速降低或失效。

四、超硬刀具材料
超硬刀具是现代工程材料的加工在硬度方面提出的更高要求而应运而生，20世纪的后40年中有了较大的发展。

超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同，立方氮化硼是非金属的硼化物，晶体结构为面心立方体；而金刚石由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似。

它们的硬度大大高于其他物质。

1.金刚石类超硬刀具材料
1.1 天然单晶金刚石
这是一种各向异性的单晶体。

硬度达9000~10000HV，是自然界中最硬的物质。

它耐磨性极好，有很长的刀具寿命。

但在不同晶面上硬度和耐磨性有较大差异，材料韧性很差，抗弯强度很低，热稳定性差（700~800℃时就会失去硬度），温度再高就会碳化。

另外，它与铁有很强的亲和力，不适于加工钢铁。

1.2人造单晶金刚石
该材料除硬度比天然金刚石稍差外，其它性能都与天然金刚石接近。

由于是人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一，材料中晶体有相对较好的一致性，且成本较低，作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石必将会有广阔的应用前景。

1.3人造聚晶金刚石
人造聚晶金刚石是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末溶剂混合后在高温（1400℃）、高压（6000MPa）下烧结而成的聚晶体。

它的硬度达6000HV 左右，耐磨性好，抗弯强度、抗冲击和抗震性能比天然金刚石高很多；高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；摩擦系数小，切削效率高、加工精度稳定，表面质量好。

1.4 金刚石烧结体
在硬质合金基体上烧结一层0.5~0.7μm厚的聚晶金刚石（ PCD）可得到金刚石烧结体，它兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。

能进行断续切削，可多次刃磨。

但刃磨相当困难，主要体现为材料磨除率小、效率低、砂轮损耗大、刃口呈锯齿状。

1.5CVD金刚石膜
CVD金刚石膜是一种化学气相沉积法制成的金刚石材料。

其硬度高，不含金属结合剂，有很高的热传导率和抗高温氧化性能。

但韧性比较差，刃口极难磨出像天然金刚石和人造单晶金刚石一样锋利。

2.立方氮化硼类超硬材料
该类材料包括聚晶立方氮化硼(PCBN)和CVD立方氮化硼涂层。

其中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位。

立方氮化硼是上世纪70年代人工合成的材料，硬度高达8000~9000HV，仅次于金刚石，在1250~1350℃的热稳定性很好，在1400℃仍然保持其硬度。

对铁系金属元素有较大的化学惰性，抗粘结能力强，十分有利于加工黑色金属，也可加工脆硬钢、冷硬铸铁等各种难加工材料，其硬切削能力优于陶瓷材料；而且还能对高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料进行高速切削和高速干切削；另外，在加工镍基合金时，立方氮化硼刀具比硬质合金刀具寿命长百倍以上。

五、结语
无疑在21世纪的未来的一段岁月里，切削加工依然是机械加工的最主要的加工方法。

而作为其中起重要作用的刀具，其性能也十分重要。

近年来，随着科技的发达，对切削技术的要求也越来越高。

高速切削、硬态切削、微雾润滑切削、干式切削、复合切削等领域在迅速发展。

为了满足这些技术的要求，刀具材料也进入了飞速发展的时代。

为实现以最小限度生产设备高效率、低成本加工零件的生产方式的核心，越来越多的新型刀具材料被研发出来。

相应的，这些性能优秀的材料也是工业的发展进入了一个新的篇章。

面对这些新型的材料，我们所要做的是充分地去了解这些材料的性能也特征，研究出各种材料的优异。

才能在越来越多的材料中选出最符合条件的材料，制作出满意的刀具。

同时，新型刀具材料的需求推动了对于新型材料的研发。

近年来，人们在新型刀具材料的应用、刀具涂层技术以及新型刀具切削性能方面进行了大量的研究与应用工作。

在
未来刀具材料主要的发展趋势是“细晶粒的基体材料+复合涂层”，以适应高速切削、干式切削、高精度加工的基本需求。