北京理工大学机械与车辆工程学院    于启勋

 

     在 21世纪未来的岁月里,切削加工仍将是机械加工最主要的方法。其中,刀具材料起着至关重要的作用。刀具材料性能的优劣,直接影响切削加工能否正常进行。为 了保证提高加工效率和加工质量,同时降低加工费用,刀具材料的性能必须优良,并向更高水平发展。     在切削加工中,刀具费用约占加工总费用的5%。加工效率和机床、人工等费用受到刀具工作状况的严重制约。只有在刀具正常工作和运转的情况下,加工 效率才能得到提高,加工总费用才能保持正常或减少;反之,切削加工不能正常进行,甚至被迫停止。本文从加工对象的新要求、有关科学技术的新发展和材料的资 源状况 3个方面,阐述刀具材料新的发展趋势。

 加工对象的新要求推动刀具材料新发展

    刀具材料和工件材料交替发 展,相互促进,是推动切 削加工不断发展进步的历史规律。随着各种机械产品的使用性能不断提高和生产批量的加大,工件材料的机械、物理性能及其加工难度日益提高,高效加工和高速切 削的应用更为广泛,加工精度的要求不断提高。刀具材料必须适应工件材料新品种的出现及其加工新要求向前发展。现就几种主要的工件材料分述于下。 1 黑色金属是最主要的结构材料和加工对象     过去,碳素结构钢用得最多,其加工多在正火或高温调质(淬火,高温回火)状态下进行。屈服强度 σs和抗拉强度σb分别为40~ 50MPa和 60~ 70MPa,硬度约为 HRC20,故加工难度不大。后来随着产品使用性能的不断提高,合金结构钢得到广泛应用,经过中温调质,有些成为高强度钢和超高强度钢。一般来说, σs>800~ 1000MPa和 σb>1000~1200MPa为高强度钢, σs>1200MPa和σb>1500MPa为超高强度钢。高强度钢和超高强度钢调质后的硬度为 35~ 45H RC。高强度钢的合金元素总含量一般不超过6%,有 Cr钢、Cr -Ni钢、Cr-Si钢、Cr-Mo钢、Si-Mn钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Ni -M o钢等,多用于机器中的关键承载零件,如高负荷砂轮轴、高压鼓风机叶片、重要的齿轮与螺栓、发动机曲轴、连杆和花键轴等。超高强度钢分低合金(合金元素总 含量小于6%)、中合金和高合金(合金元素含量多)3种,如飞机大梁、飞机发动机轴件、飞机起落架、某些火箭壳体、部分大炮炮管和炮弹弹体都采用超高强度 钢制造。如35CrMnSiA和40CrNi2Mo是传统的低合金超高强度钢,4Cr5MoVSi属于中合金超高强钢,1Cr12Mn5Ni4Mo3Al 和00Ni18Co8Mo5TiAl为高合金超高强度钢。对高强度钢和超高强度钢进行切削加工,因其强度高,导热性较差钢中还存在一些硬质化合物,故加工 难度较大或很大。       与切削中碳钢(正火状态)相比,切削力需加大 25%~50%,切削温度提高 100℃以上,刀具寿命势必降低。     切削中碳钢行之有效的各种刀具材料,都能够加工高强度钢和超高强度钢,但是为了保持一定的刀具寿命,必须降低切削速度。如果要对高强度钢和超高强 度钢进行高效、高速切削,必须选用性质优良的新型刀具材料。根据笔者多年的工作经验,认为不应选用普通的高速钢和硬质合金,而应选用高性能高速钢、粉末冶 金高速钢、表面涂层高速钢刀具以及添加钽或铌的硬质合金、细晶粒硬质合金和表面涂层硬质金刀具。半精加工和精加工时,也可选用金属陶瓷(TiC基和 TiCN基)和陶瓷(Al 2O3基)。金属陶瓷和 Al2O3基陶瓷的切削效果优于硬质合金。Si3N4基陶瓷切削高强度钢和超高强度钢,效果不好,PCBN刀具切削 HRC45以下的钢材时效果也不够好。研制用于高效切削高强度、超高强度钢的新型PCBN刀具是一项极有意义的工作。     淬硬钢主要用于工具、模具、轴承及其他耐磨件,在淬火和低温回火后,硬度常在HRC60以上,故加工难度很大。P类硬质合金不宜用于切削淬硬钢, 而应当用M类与K类硬质合金,但效率不够高。Al2O3基和Si3N4基的陶瓷切削淬硬钢的效果好于硬质合金,PCBN更好。 2 航空航天工业的主要难加工对象——高温合金与钛合金     高温合金中含有较多的 Ni、Co及W、Mo、Ti、Mn、Si等元素,强度高,塑性大,制成的零件能在高温下长时间工作。钛合金的密度小(重量轻),比强度高,耐高温,耐腐 蚀。这2类合金都在航空、航天、造船工业有广泛的应用,属于难加工材料。高温合金的切削变形和硬化明显,切削力大,切削温度高,工件中有与刀具材料相同或 相近的化学成分(如 Ti、W、Co等),从而使刀具易产生粘结或扩散磨损。     钛合金的切削力虽不大,但切削变形与导热系数特别小,切削刃和刀尖附近温度很高,且钛的化学性能活泼,易与氧、氮等气体化合成为硬、脆物质。加工 高温合金和钛合金应采用高性能高速钢、粉末冶金高温钢、S类和 K类的添加钽铌和细晶粒的硬质合金。涂层高速钢和涂层硬质合金因涂层材料中一般有 Ti元素而不宜使用。Sialon陶瓷可以有效地加工高温合金,PCD金钢石可以有效地加工钛合金。有资料推荐,PCBN刀具能高效加工高温合金,较多的 外国工厂推荐用涂覆 TiAlN的硬质合金加工高温合金,但实践表明尚存在问题。笔者认为,研制适合加工高温合金的 PCBN刀具和涂层硬质合金刀具是刀具材料新发展中的重要任务。人造金刚石刀具能够加工钛合金,也是刀具材料进一步发展的一项内容。 3 新兴的复合材料 复合材料由金属、高分子聚合物和陶瓷 3种材料中任意 2种或多种人工合成,具有重量轻、比强度高、抗疲劳和减振能力强、耐磨性好等优点,近年来已成为航空、航天、汽车、船舶等行业重要的结构材料。复合材料可 分为纤维增强和颗粒增强两大类,以聚合物或金属为基体,增强纤维有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等,增强颗粒多用 SiC。纤维增强复合材料可以用硬质合金刀具加工,但要求刀具切削刃锋利,且耐磨性强,一般首选金刚石为刀具材料。颗粒增强复合材料的颗粒材料极强,加工 难度很大,除超硬刀具材料外,其他刀具材料均难以胜任其加工。这类材料曾因加工困难而使其应用受到限制。研制加工颗粒增强复合材料的金刚石与 PCBN刀具是一项重要任务。

科学技术发展推动刀具材料新发展

    刀具材料应具有良好力学性能,即高硬度、高耐磨和高弹 性模量,并能耐高温,具有较好的韧性。而硬度、耐磨性与韧性之间常有矛盾,前者提高,后者不可避免地会降低。如能使其得到一定程度的兼顾,就能成为性能良 好的刀具材料。改进刀具材料性能通常采用以下几种方法。 1 改进刀具材料的组分     长期以来,刀具材料的主体成分常为C、N或 O的二元化合物,如WC、TiC、Al2O3、Si 3N4等。尚有很多新的二元化合物有待开发用。近年开发出的一些多元化合物,在刀具材料,特别是在刀具表面涂层中得到了应用,如 TiCN、TiAlN、AlTiN、TiCrN、AlCrN、TiAlSiN等,它们的性能优于传统的二元化合物。除此之外,还有金属间化合物可资利用。 新的材料组分需有可行的材料工艺作为保证。 2 添加某些元素或化合物     在基体组分中,添加某些少量的化学元素或化合物,可以提高刀具材料的性能。如在 W C基硬质合金中添加 TaC和 NbC,可以显著提高耐磨性;在硬质合金中添加稀土元素,可以强化其硬质相、粘结相,并能净化晶界,从而提高其韧性;在Al 2O3基陶瓷中添加ZrO2可以增加韧性;在陶瓷中添加 TiB 2可以提高强度与韧性,等等。 3 采用热压工艺     用液压设备,在高于 1500℃的温度和高于 5GPa的压力下,可使石墨转化成金刚石,六方氮化硼转化成立方氮化硼,形成超硬刀具材料。热压设备和工艺尚有待改进,以形成性能更好的 CBN与金刚石。 4 采用表面涂层工艺     在韧性较好的刀具基体上,用涂层工艺涂覆具有高强度、高耐磨、耐高温材料的薄层,使刀具的综合性能得到兼顾,这是提高刀具使用性能的最有效的方 法。     刀具表面涂层工艺分两大类:物理气相沉积(PVD)和化学气化沉积 (CVD)。PVD方法一般用真空等离子镀工艺和真空磁控溅射工艺,用于高速钢和硬质合金刀具的表面涂层。还有直流反应磁控溅射工艺,可涂覆出氮化碳(C xN y)超硬薄膜。CVD方法中包括高温化学气相沉积(HTV CD),工艺温度约为 1000℃;还有等离子体化学气相沉积(PCVD),工艺温度约为 700~800℃。HTVCD和 PCVD多用于硬质合金刀具表面涂层。另有热丝CVD沉积工艺,可以沉积金刚石膜。涂覆金刚石膜和 C xN y膜是重要发展方向并有良好应用前景。     涂层材料以往多用C、N或 O的二元化合物,如 TiC、TiN、Al 2O3等。后发展多层沉积,并使用了新的多元化合物,如 TiCN、TiAlN、TiCrN等。新的涂层材料,其性能优于二元化合物,是重要发展方向,并必将得到广泛应用。 5 采用细化材料结构的工艺     目前,刀具材料晶粒尺寸多为微米级,方向是发展到纳米级。晶粒细化后,能够提高刀具材料的硬度和耐磨性,采取一定措施,还能提高韧性。粉末冶金高 速钢和硬质合金如采用“放电烧结”,可使晶粒细化,并能提高硬度和韧性。另有离子束增强 PVD辅助沉积工艺,可以沉积出纳米级涂层材料。这些都是刀具材料的发展方向。

为节约资源发展新刀具材料

     在现代刀 具材料中,含有多种金属成分和非金属成分。有些在大自然中蕴藏丰富,取之不尽,用之不竭;但也有些储藏量有限,制约着刀具材料的发展。      高速钢和硬质合金是目前用得最多的 2种材料,其成分为W、Mo、Cr、V、Ti、Co等。如传统的钨高速钢 W18Cr4V中含 W达18%,钨钴类硬质合金含 W C92%~97%,钨钛钴类硬质合金合 WC66%~85%,通用类硬质合金含 WC82%~85%,普通高速钢中不含 Co,高性能钴高速钢中含 Co量高达 8%~10%,各类硬质合金中含 C o量为 3~10%。中国 W资源丰富,除本国使用外,还大量出口。全世界使用的 W原料,约 75%~ 80%来自中国。中国 W的蕴藏量尚够用 50年,半个世纪后将发生枯竭。Co的情况与 W不同,中国 Co资源缺少,大部分依赖进口,价格昂贵。故在刀具材料的应用与发展中应十分注意节约 W和 Co,具体建议是: (1)发展钨钼和钼钨高速钢,用Mo代替一部分W。如W6Mo5Cr4V2高速钢中W只占6%,Mo占5%。其使用性能与W18Cr4V相当。 (2)发展无钴或少钴的高性能高速钢。目前中国在这方面已做出了很大贡献。如自行研发的 W6Mo5Cr4V2Al(M2Al)、 W12Mo3Cr4V3N(V3N)和W12M o3Cr4V3Co5Si(C o5Si),都节约了 Co资源,而使用性能均能完全可与美国的知名产品110W1.5Mo9.5Cr4VCo8(M42)相媲美。M42的综合性能很好,但 Co含量高,价格贵,不适合中国国情。 (3)发展金属陶瓷,用 TiCN或TiC作基体,不含 WC或少含 WC,粘结剂用 Ni、Mo。这样就节约了W和 Co。与 WC基硬质合金相比,金属陶瓷的硬度较高,与工件材料之间的摩擦系数较小,耐磨性更强;不足之处是抗弯强度和冲击韧性稍低,故其使用受到一定限制。用 Ni、Mo作粘结剂,可节约Co;若能成功地用Fe作粘结剂,则意义更大。发展金属陶瓷对节约资源有重要意义。 PCBN。在它们的组分中,都没有贵重金属,使用性能常优于硬质合金;唯韧性不足,可加工性不好,在使用上受到限制;另外,由于工艺成本的原因,其价格竞 争力尚不够强。应改变组分,改进工艺,降低价格,使陶瓷和 PCBN刀具进一步推广使用。 (4)发展陶瓷和P C B N。在它们的组分中,都没有贵重金属,使用性能常优于硬质合金;唯韧性不足,可加工性不好,在使用上受到限制;另外,由于工艺成本的原因,其价格竞争力尚 不够强。应改变组分,改进工艺,降低价格,使陶 瓷和PCBN 刀具进一步推广使用。 (5)发展人造金刚石。金刚石的原料并不贵重,且是最硬的刀具材料,可用以代替硬质合金加工高硬的非铁金属和非金属材料,从而节省了W、Wo资源。对有色 金属进行精密切削,更是非金刚石莫属。

结束语

    21世纪刀具材料必定有更快的发展。(1)刀具材 料的发展要适应加工对象的需要,尤其是难加工材料应用的需要。航空、航天工程材料应当处于领头的位置。(2)刀具材料的新发展不断对它们的制造工艺提出新 要求,而制造工艺的进步推动着刀具材料的新发展。(3)刀具材料的发展要考虑资源的储有量,应当优先发展储存量大的刀具材料,节约贵重资源的刀具材料。



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引用出處: 

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