硬质合金刀具材料发展现状与趋势

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年6月

󰀁󰀁󰀁金属功能材料

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁MetallicFunctionalMaterials

󰀁󰀁󰀁Vol.18,󰀁No.3June,󰀁2011

硬质合金刀具材料发展现状与趋势

陶国林

1,2

,蒋显全,黄󰀁靖

23

(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:TG135󰀁5󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1005-8192(2011)03-0079-05

ResearchStatusandDevelopingTrendof

CementedCarbideTool

TAOGuo-lin1,2,JIANGXian-quan2,HUANGJing3

(1󰀁ChongqingTechnologyandBusinessUniversity,Chongqing400067,China;2󰀁ChongqingAcademyofScienceandTechnology,Chongqing400020,China;3󰀁ChongqingMechanicalElectricalArtificerCollege,Chongqing400030,China)

Abstract:Conventionalperformancesandresearchstatusofmanykindsofcementedcarbidecuttingtoolmaterialarereviewed,andtheresearchachievementofcementedcarbidetoolsinrecentyearsarediscussed;Meanwhile,develop-menttrendinthefutureisputforward󰀁

Keywords:cementedcarbide;cuttingtoolmaterial;coating

󰀁󰀁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89~93HRA;在540󰀁时为82~87HRA,与高速钢常温时硬度(83~86HRA)相同;760󰀁时硬度达77~85HRA,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。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

[2]

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。

80

金属功能材料󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年

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。

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(Kyocera)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󰀁6󰀁m,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]。

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(YT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。

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󰀁5󰀁m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󰀁0󰀁m,大部分在0󰀁5󰀁m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90~93HRA,抗弯强度为2000~3500MPa,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。

2󰀁碳(氮)化钛基硬质合金

TiC(N)基硬质合金是以TiC为主体,以N-iMo

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(HRC可达到94~95)。此

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁陶国林等:硬质合金刀具材料发展现状与趋势

81

表1󰀁超细晶粒硬质合金的分类

Table1󰀁Sortofultra-thingraincementedcarbide

名称

微米晶粒硬质合金亚微晶粒硬质合金超细微晶硬质合金纳米系列微晶硬质合金

晶粒尺寸1󰀁0~1󰀁3󰀁m0󰀁6~0󰀁9󰀁m0󰀁4~0󰀁5󰀁m

0󰀁1~0󰀁3󰀁m(100~300nm)

超细晶粒硬质合金由于其晶粒极细,刀刃可以

磨得锋利、光洁;同时由于它的强度和硬度都很高,故能长时间保持刀刃有极小的圆弧半径和粗糙度。因此,在加工耐热合金钢时,使用YS2、YM051、YM052、YD05等超细晶粒硬质合金刀具,比采用YT、YG、YW3类普通硬质合金刀具有更好的耐热性和综合耐磨性能。

从材料的性能看,目前世界上仅有少数国家能生产出兼具高硬度(HRA>90)和高强度(TRS>3200MPa)的超细晶粒硬质合金。由于受烧结技术和设备的限制,当前的生产工艺还不能十分有效地抑制烧结过程中纳米晶粒的长大,因此尚未出现粒度达到100nm左右的纯纳米硬质合金制品。人们对超细晶粒硬质合金的研究大多集中在纳米硬质合金粉体制备、烧结工艺优化和晶粒生长抑制剂3个

[12]

方面。

表2󰀁不同晶粒度WC硬质合金刀具切削性能[14]Table2󰀁Cuttingcharacterofcementedcarbide

cutterindifferentgrain

WC硬质合金WC晶粒度/刀具牌号YH6FYU06YF06YL10

󰀁m0󰀁130󰀁300󰀁501󰀁70

硬度/HRA96󰀁193󰀁891󰀁590󰀁9

断裂韧性/MPa󰀁m1/2

9󰀁5

9󰀁18󰀁87󰀁9

密度/g󰀁cm-3

14󰀁714󰀁714󰀁914󰀁9

󰀁󰀁细晶粒合金以前多用于K类,但目前在P类、

M类的超细硬质合金中,将朝着WC晶粒更细、亚晶结构缺陷更少、综合性能更高的方向发展。世界各国都很重视细晶粒、超细晶粒硬质合金的研[17]

制。日本三菱综合材料株式会社研制的超细晶粒硬质合金牌号有HTi10(K10)、TF15(K20)、SF10(K01)等,其硬度为90󰀁7~93󰀁2HRA,抗弯强度为3󰀁2~4󰀁4GPa;韩国高耐公司(Korloy)的超细牌号有FS1(P10,M25)、FCC(P40)、FA1(K20)等,其硬度为91󰀁2~92󰀁7HRA,抗弯强度为2󰀁5~3󰀁5GPa;我国的株洲、自贡两家硬质合金厂也开展了超细硬质合金的研发工作,获得了晶粒尺寸小于500nm的合金[15,16]。

4󰀁表面涂层硬质合金

由于硬质合金的硬度和耐磨性较好,但韧性较差,可以通过在基体硬质合金上,用CVD(化学气相沉积)、PVD(物理气相沉积)、HVOF(HighVeloc-ityOxy-fuelThermalSpraying)等方法,涂覆一层耐磨的TiC、TiAlN、A12O3等薄层(5~12󰀁m),形成表面涂层硬质合金,使其既有高硬度和高耐磨性的表面,又有强韧的基体,可提高刀具寿命和加工效率。

[17,18]

表3󰀁常用的涂层材料的性能[19]Table3󰀁Characterofcoatingmaterial

材料名称硬度/HV工作温度/󰀁与钢的干摩擦系数

TiC320010000󰀁5

TiN20006000󰀁4

Al2O32700>10000󰀁5

TiCN26004000󰀁4

AlCrN320011000󰀁35

CrN17507000󰀁5

TiAlN33009000󰀁3~0󰀁35

TiCrN21007000󰀁5

󰀁󰀁涂层硬质合金刀具有比基体更高的硬度及耐磨性,有高的耐热性(达800~1000󰀁)。如在常温时

的硬度为HV2000,在1000󰀁时仍能保持HV1000,而未涂层硬质合金却下降到HV500。涂层硬质合金刀具比未涂层硬质合金刀具耐用度高(一般可提高1~3倍,高的可达5~10倍),切削速度高,进给量及切削深度大[20]。上述特点决定了涂层硬质合金刀具特别适用于FMS、CIMS(计算机集成制造系统)等自动加工设备。涂层硬质合金是近些年来硬质合金领域中取得的最大成就之一,是切削

刀具发展的又一次变革。

欧洲在涂层设备和工艺方面领先于世界,1969年西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC单层涂层硬质合金刀片首次投入市场后[16],世界各国都进行了研制、生产。瑞士巴尔查斯涂层公司的Baliniti系列产品;丹麦尤尼莫克公司的C1-C5及C7Plus(涂层材料为TiAlSiN)系列产品和日本日立公司号称跨世纪水平的CrSiN、TiSiN等新型刀具涂层材料都代表了世界的先进水平。国内,成都工具研究所开发了国内首创的T-iC-N-O-Al和T-i

[12]

82

金属功能材料󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2011年

C-N-B两个系列共3种高性能多元复合涂层;贵阳工具厂也研究开发了种类齐全的PVD涂层刀具产品。

在2007年的国际机床展览会上,涂层硬质合金刀具展示了该领域的发展趋势[19]:更多地采用PVD工艺,与CVD工艺平分秋色;采用多层涂层,3层居多;多用TiAlN或AlTiN涂层材料;涂层结构细化,即所谓\"纳米涂层\"。

目前,涂层硬质合金刀具正从过去只能涂覆单一的TiC、TiN涂层,朝着涂层成分多元化、涂层结构多层化、涂层工艺多样化和涂层基体梯度化方向发展。涂层技术的发展已进入开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。虽然涂层的硬质合金有很多优点,而且使用量也越来越大,但是,采用涂层方法仍然未能从根本上解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。

要获得性能良好的涂层梯度硬质合金产品,除选好涂层材料和控制好涂层工艺外,梯度合金基体的制备是一个非常关键的问题。目前,国内外研究者对梯度硬质合金基体的生产工艺进行了研究,并提出了切实可行的方案。同时,研究者也对梯度硬质合金涂层基体制备过程的热力学和梯度形成机理进行了一些有益的研究和探索[23]。

对研究结果进行硬质合金刀片划痕强度实验和切削的实验结果表明,具有梯度结构的表面富钴合金基体可提高涂层切削刃强度,提高涂层抗裂纹扩展能力,提高基体与涂层的结合强度以及刀具的抗弯强度。

梯度涂层的硬质合金刀具具有优异的使用性能,应用领域大,前景十分广阔。但目前的研究还只是初步的,尚存在一定的局限性,有待进一步深入研究。

5󰀁梯度硬质合金

梯度硬质合金可以看作是涂层硬质合金的一种,更可视为是涂层基体梯度化研究的延伸。随着功能梯度材料概念的提出,功能梯度硬质合金正在发展成为当前硬质合金领域的重要研究内容之一。

在功能梯度硬质合金性能的研究中,研究者发现在合金的表面涂上一薄层高硬度耐磨材料涂层,可大幅度提高刀具的切削性能和使用寿命。但由于各相的热膨胀系数和热应力的差别较大,很容易在相界处出现涂层剥落或龟裂现象。为了防止裂纹由表面向基体扩展而导致的材料失效,可对基体进行梯度处理,以连续变化的组分梯度来代替突变界面,消除物理性能的突变,使热应力降至最小。由于其可以良好地吸收裂纹扩展的能量,因而能有效地阻止裂纹向合金内部扩展,提高硬质合金切削工具的使用性能。

早在1986年,瑞典的Sandvik公司就推出了DP(DualProperties)系列梯度硬质合金球齿及GC215,GC425等牌号的涂层硬质合金梯度刀片;爱尔兰Boart公司也研究出了WC晶粒梯度硬质合金顶锤等[21]。而目前国内梯度硬质合金的研究仍处于初始阶段,自贡硬质合金厂、中南大学粉末冶金厂等厂家也取得了一些研究进展。如,自贡硬质合金厂推出了牌号为ZC21的刀片,它的基体为梯度结构的硬质合金材料,表面具有TiC/TiN涂层,密度为13~14g/cm,抗弯强度为1󰀁6GPa,但至今仍无法实现批量生产

[22]3

[12]

6󰀁添加稀土元素的硬质合金

稀土硬质合金是一类比较有发展前途的新型硬质合金。稀土元素有独特的物化性能,在WC基硬质合金中,添加少量的铈(Ce)、钇(Y)等稀土元素,通过提高塑性相比例、细化晶粒、净化晶界,同时改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性[24],使硬质合金的组织更致密,性能得到进一步提高。这种强度与韧性兼备的稀土硬质合金不仅可以用于制造刀具,还可用于模具、矿山工具等。我国稀土元素资源丰富,稀土硬质合金的研制在世界上领先。目前已研制出下列牌号的刀具用稀土硬质合金:YG8R(相当于ISOK30级别)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25),还有矿山、地质工具牌号YG11CR[25]。其中,YG8R主要用于铸铁和有色金属的粗加工;YT14R主要用于钢材的半精加工;YW1R则为通用牌号,可用于各种工件材料的半精加工。

目前稀土硬质合金的产品已用于粗切削刀具、顶锤、拉丝模机和钻探工具等领域,并取得了良好的效果[26]。北京建筑机械厂用YT14R和YT14硬质合金刀具车削45号钢轴(调质,硬度HB250),切削速度V=60m/min,切削深度ap=0󰀁5mm,进给量f=0󰀁51mm/r。生产实际表明,YT14R的使用寿命比YT14提高2倍,且加工表面质量有较大改善。

7󰀁结束语

本文通过硬质合金刀具材料的发展和研究现状

。

第3期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁陶国林等:硬质合金刀具材料发展现状与趋势

83

的综合评述,预测在刀具材料的发展中,硬质合金材料将成为刀具行业里越来越重要的力量。国内外在硬质合金刀具的研发中已经取得了突破性进展,新型硬质合金材料和刀具不断涌现。要充分利用先进科学技术,不断改善和发现新型刀具材料,不断缩小和国际先进技术的差距。

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收稿日期:2011-05-06

由稻壳提取非晶态二氧化硅

大阪大学近藤胜义教授的研究小组新近开发成功一项由稻米壳提取非晶态二氧化硅的新技术,首先将稻壳经过酸洗,随后加热,萃取而获得高纯度非晶态二氧化硅。这种二氧化硅可用作硅型太阳电池的原材料,还可用作混凝土的增强剂以及肥料等等。用途十分广泛,是稻壳废弃物完全资源化的一项新技术。(取自日刊󰀁工业材料󰀁,2011,59(2):47)

不含稀土金属的萤光材料

日本爱媛大学农学院逸见彰男教授等人发明了不含稀土元素(是传统萤光材料不可缺少的元素)的萤光材料。它是一种多孔质构造的人造沸石与银离子结合的\"含银沸石\"材料,当其吸收紫外线之后就会发出可见光。传统萤光材料必须添加微量Eu和Tb之类稀土元素,然而新发明的萤光材料由于银的结合量和结合构造的改变,则不需要添加稀土金属且可释放红、绿、蓝所有三个原色。可望广泛用于液晶电视等方面。(取自日刊󰀁工业材料󰀁,2011,81(2):2)