现代新型刀具材料新发展.docx
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现代新型刀具材料新发展
现代新型刀具材料新发展
于启勋,张京英
(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)
摘要:
论述了刀具和刀具材料在人类历史发展中所起的重要作用.回顾了早期机械制造中曾经用过的刀具材料。
重点阐述了现代军工产品加工中所用新型刀具材料(高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料)的化学成分、制造方法、性能和应用范围。
对21世纪中刀具材料的发展动向也作出了预测与展望。
关键词:
刀具;刀具材料;切削加工;军工产品
TheNewDevelopmentofCuttingToolMaterialsforMachiningMilitaryProducts
Abstract:
Theimportantroleofcuttingtoolandtoolmaterialinthehuman'shistoryisexpounded.Thetoolmaterialsusedintheearlystagearelookedback.Thechemialcontends,manufacturingmethods,cuttingperformancesandapplicationareaofmordentoolmaterialsformachiningMilitaryproducts(highspeedsteel,cementedcarbide,ceramics,superhardmaterials)areexpounded.Thedevelopmenttrendofnewtoolmaterialsinthecomingcenturyalsobecalculatedandprospected.
Keywords:
cuttingtoo,toolmaterial,cuttingprocess,militaryproducts
中图分类号:
TG506文献标示码:
A
刀具材料的发展在人类的生活、生产和战争中有着很大的重要性。
在古代,“刀”和“火”是两项最伟大的发明,它们的发明和应用是人类登上历史舞台的重要标志。
刀具材料的进步曾推动着人类社会文化和物质文明的发展。
例如,在人类历史中曾有过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代等。
材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。
其中,刀具材料的性能起着关键作用。
20世纪是刀具材料大发展的历史时期。
各种难加工材料的出现和应用,先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用,都对刀具提出了更高、更新的要求,预计,在今后很长时期内,切削加工工艺不会衰退,刀具和刀具材料将有更新的发展。
1刀具材料的发展历史
用石料或铜合金来作为刀具材料,那是古代的事。
18世纪中叶,在欧洲出现了工业革命以后,切削刀具一直是用碳素工具钢制造,其成分与现代的T10、T12相近。
碳素工具钢有较高的硬度,切削刃能够磨得很锋利,但只能承受200~250℃的切削温度,用以切削普通钢材只能用5~8m/min的切削速度,故切削效率很低。
1865年,英国罗伯特·墨希特(RobertMushet)发明了合金工具钢,其牌号有9CrSi、CrWMn等,能承受350℃的切削温度,切削速度可提高到8~12m/min。
随着机器生产规模的扩大,对加工效率的要求日益提高,上述两种工具钢材料的性能已不敷要求。
1898年,美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明了高速钢。
当时的成分是:
C0.67%,W18.91%,Cr5.47%,Mn0.11%,V0.29%,Fe余量。
它能承受550~600℃切削温度,切削普通钢材,可采用25~30m/min的切削速度。
高速钢的出现,使切削速度和切削效率比碳素工具钢、合金工具钢分别提高了4倍和2.5倍以上。
从19世纪末到20世纪初,高速钢曾使切削水平出现了一个飞跃,使美国和世界各国的机械制造业得到迅速发展,并取得了巨大的经济效益。
随着人类生活、生产水平的提高,高速钢刀具已不能满足高加工效率和高加工质量的新要求。
人们寻求性能更高的新型刀具材料。
20世纪20年代中期到30年代初,出现了钨钴类和钨钛钴类硬质合金。
硬质合金常温硬度达HRA89~93,能承受800~900℃以上的切削温度,切削速度为高速刀具的3~5倍,因而逐渐得到应用。
第二次世界大战期间,由于大批量、高效率生产兵器的需要,美、英、苏、德各国已部分使用硬质合金刀具:
二战后逐步扩大使用。
解放后,我国从苏联引进少量硬质合金。
20世纪50年代中期以后,开始自行生产并广泛使用。
20世纪后半期,工件材料的力学性能不断提高,产品的品种和批量逐渐增多,加工精度的要求日益提高,工件的结构和形状不断复杂化和多样化,对刀具提出了更新、更高的要求,硬质合金刀具在这些新的要求中发挥了重大作用。
而且硬质合金本身也有发展,出现了许多新品种,其性能不断提高。
但硬质合金较脆,韧性不足,可加工性远远低于高速钢,开始时只能用于车刀和铣刀,后扩大到其他刀具,但不能用于所有的刀具。
正因如此,高速钢能制造各种类型的刀具,始终占领着很大的阵地。
而高速钢也发展了很多新品种,切削性能比起初的普通高速钢有了很大提高。
到近年,高速钢和硬质合金仍是用得最多的两种刀具材料,硬质合金稍过半数。
经过半个世纪,硬质合金竟然占领了如此广阔的阵地,是人们在当初所预料不到的。
硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求,于是更新的刀具材料相继出现。
20世纪30年代出现了氧化铝陶瓷,后来又有氮化硅陶瓷。
到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金钢石,它们的硬度大幅度地高于其他刀具材料。
陶瓷的硬度稍高于硬质合金,但其韧性和可加工性则逊于硬质合金。
综上所述,20世纪中,刀具材料发展的速度比过去快得多。
百花齐放,推陈出新,令人眼花缭乱,目不暇接。
其品种、类型、数量和性能均比过去有大幅度的发展,推动着人类物质文明迅速前进。
2现代新型刀具材料
2.1高速钢
在现代切削加工中,高速钢的性能已不够先进,但因其稳定性好,能接受成形加工,故能用以制造各种刀具。
在刀具材料总消耗量中高速钢几近一半。
传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。
在钨系高速钢中,除MC,M2C,M23C外,M6C是其主要的碳化物,即Fe3W3C和Fe4W2C。
在钨钼系高速钢中,M6C为Fe3(W,Mo)3C和Fe4(W,Mo)2C。
所有的高速钢中,铬含量分数均保持在3.5%~4.5%,它是增大高速钢淬透性的主要元素。
在钢中形成Cr23C6。
钒含量分类增加,钢的耐磨性随之提高,但使刀具接受刃磨困难,且脆性增加。
钒的碳化物为VC与V4C3。
含V1%~2%的高速钢用得最多;V>3%者用得较少,且忌作形状复杂的刀具。
加入钴元素后,可形成超硬高速钢。
钴不形成碳化物,但能提高淬火温度,增强二次硬化效果,提高高温硬度。
美国的M42(110W1.5Mo9.5Cr4VCo8)和瑞典的HSP-15(W9Mo3Cr4VCo10)都是性能优良的高钴超硬高速钢。
中国缺钴资源,钴价昂贵。
因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢。
Co5Si(W12Mo3Cr4V3Co5Si)是属于少钴者,新研制的Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)亦为少钴,性能都不错。
铝元素在钢中能生成Al2O3、AlN;且起钉扎作用,阻止位错,从而提高了材料的硬度和强度。
中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面,做出了较大贡献。
用粉末冶金方法制造高速钢,可消除碳化物偏析,提高钢的硬度和韧性,钒含量高时亦能较好地刃磨。
粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢。
国内掌握这方面的技术。
国外有粉末高速钢产品,钒含量高达6%~8%。
在高速钢的基体上,用物理气相沉积(PVD)法涂覆耐磨材料薄层(如TiN,TiAlN等),可显著提高刀具寿命和加工表面质量,降低切削力。
这种涂层高速钢刀具已得到广泛应用。
2.2硬质合金
硬质合金是碳化物(WC、TiC等)的粉末冶金制品,通常分为:
切削铸铁的钨钴系列(K类,YG类),切削钢材的钨钛钴系列(P类,YT类),还有通用系列(M类,YW类)。
新型硬质合金有下列6类。
1)添加TaC和NbC的硬质合金添加后能有效地提高常温硬度、高温强度和高温硬度,细化晶粒,提高抗扩散和抗氧化的能力。
此外,还能增强抗塑性变形的能力。
在合金中形成(W,Ta,Nb)C固溶体,其化学稳定性高于WC和TiC。
在新型P,M,K类硬质合金中形成(W,Ta,Nb)C固溶体,其化学稳定性高于WC和TiC。
在新型P,M,K类硬质合金中,很多是添加了TaC、NbC的。
2)细晶粒和超细晶粒硬质合金粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性,适当增加钴含量后还可以提高抗弯强度。
普通刀具牌号和合金平均晶粒尺寸为2~3μm,细晶粒合金为1~2μm,亚微细晶粒合金为0.5~1μm,超细晶粒合金为0.5μm以下。
早先的细晶粒和超细晶粒结构多用于K类合金,近年来P类、M类合金也向细化晶粒的方向发展。
我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。
3)TiC基和Ti(C,N)基硬质合金金属陶瓷YT,YG,YW合金中,WC是主要成分,其含量达65%~97%,并以Co为黏结剂,TiC基合金则以TiC为主要成分,占60%~80%以上,仅含少量WC,以Ni-Mo作黏结剂。
与WC基合金相比,TiC基合金的密度小,硬度更高,切削钢材时摩擦因数小,抗黏结与抗扩散的能力较强,但其韧性的抗塑变的能力稍弱。
Ti(C,N)基合金具有与TiC基合金相同的优点,但其韧性和抗塑变能力高于TiC基合金。
这类合金多用以加工未淬火的钢材。
4)添加稀土元素的硬质合金加少量铈、钇等稀土元素,可以有效地提高合金的韧性与抗弯强度,耐磨性亦有一定提高。
这是因为稀土元素强化了硬质相和黏结相,净化了晶界,并改善了碳化物固溶体对黏结相的湿润性。
这类合金最适用于粗加工刀具牌号,亦可用于半精加工牌号;在矿山工具、顶锤、拉丝模用硬质合金中亦有广阔发展前景。
我国稀土元素资源丰富,在硬质合金中添加稀土的研究有所领先。
P,M,K类合金都已研制出添加稀土的牌号。
5)表面涂层硬质合金CVD或PVD等方法,在硬质合金刀片表面上涂覆TiC,TiN,Ti(C,N),Al2O3等薄层,形成涂层硬质合金。
非涂层硬质合金的力学、物理性能是硬质相和黏结相的综合性能,故其硬度和耐磨性低于硬质相自身的性能。
而少层硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂层材料自身的性能,故可提高刀具寿命和加工效率,降低切削力,提高已加工表面质量。
近20年来,涂层硬质合金刀具有了很大发展,在工业先进国家已在可转位刀具中占50%~60%以上。
涂层硬质合金的基体仍为WC基的硬质合金,要求有较高的韧性。
随着基体的不同,这类合金可作P类、M类或K类硬质合金使用,且适用范围较宽。
6)梯度硬质合金是近年来发展起来的新品种,各层成分可根据需要加以调节。
2.3陶瓷
陶瓷刀具材料分为3类。
1)氧化铝基陶瓷一般在Al2O3基体中加入TiC,WC,SiC,TaC和ZrO2等成分,经热压制成复合陶瓷。
硬度达HRA93~95,抗弯强度达0.7~0.9GPa。
为提高韧性,常添加少量的Co,Ni等金属。
2)氮化硅基陶瓷用的是Si3N4+TiC+Co的氮化硅基复合陶瓷,其韧性常高于Al2O3基陶瓷。
硬度相当。
3)复合氮化硅-氧化铝陶瓷化学成分约为Si3N477%,Al2O313%,Y2O310%,硬度可达HV1800,抗弯强度可达1.20GPa。
这种陶瓷称赛阿龙(Sialon),最适宜切削高温合金与铸铁。
陶瓷的高温性能优于硬质合金,故适合用于高速切削。
Al2O3基和Si3N4基复合陶瓷都适合切削淬硬钢、高硬铸铁及一般铸铁;Al2O3基复合陶瓷亦能有效地切削未淬硬钢料,而Si3N4基陶瓷切削一般钢材开始时磨损迅速。
2.4超硬刀具材料
超硬材料是指金刚石和立方氮化硼(CBN)。
它们的硬度比其他刀具材料高出好几倍。
金刚石是自然界中最硬的物质,CBN的硬度仅次于金刚石。
近年来,超硬刀具材料发展迅速。
金刚石刀具材料分为5类。
1)天然金刚石(ND)。
2)人造聚晶金刚石(PCD)。
以石墨为原料,经高温高压制成。
3)人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)。
以硬质合金为基底,表面有一层金刚石(约0.5mm),制造方法与PCD相同。
4)金刚石薄膜涂层刀具(CD)。
用CVD工艺,在刀具表面涂覆一层约10~25μm的薄膜。
5)金刚石厚膜刀具(TFD)。
亦采用CVD工艺,在另一基体上涂出0.2mm以上的厚膜,再将厚膜切割成一定的大小,然后焊在硬质合金刀片上使用。
ND的结晶各向异性,在进行刀磨的使用时必须选导致适宜的方向。
人造金刚石各向同性,其硬度低于ND,但强度与韧性高于ND。
金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料和非金属材料,如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、硬质合金、各种纤维和颗粒加强复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和木材等,但金刚石忌切钢铁及其他铁族金属。
TFD有很好的综合性能,它兼有天然金刚石和人造聚晶金刚石的优点,与基底结合牢固,便于多次重磨,故有良好的应用价值和发展前景。
CBN的制造方法与PCD或PCD/CC相似。
以六方氮化硼为原料,经高温高压制成聚晶CBN或复合片CBN/CC。
CBN主要用于加工淬硬钢、高硬铸铁及其他硬金属与非金属材料。
用硬质合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料,寿命很短,或根本不能胜任,而超硬材料对之则轻而易举。
金刚石刀具能对有色金属实行超精密切削,是其独到之处。
3刀具材料的化学成分
古代人类所用的刀具材料多为天然物质,如石材料、天然金刚石等,甚至还用过陨铁。
到现代,绝大多数刀具材料使用人造的材料,可保证大量供应,并使质地均匀、可靠。
纵观各种刀具材料,除人造金刚石的原料为石墨(碳元素)外,其他品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。
这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量(见表1~表4),这正是刀具材料所需要的性质。
表1各种碳化物的性质
碳化物
性质
TiC
ZrC
HfC
VC
TaC
NbC
WC
密度ρ/g·cm-3
4.85~4.93
6.44~6.90
12.20~12.70
5.36~5.77
14.48~14.65
7.82
15.60~15.70
熔点θ/℃
3180~
3250
3175~
3540
3885~3890
2810~
2865
3740~
3880
3500
~
3800
2627~2900
硬度(HV)
2900~
3200
2600
2533~3202
2800
1800
2400
2400
弹性模量E/GPa
316~448
323~489
433
260~274
371~389
344
536~721
碳化物
性质
MO2C
B4C
SiC
Cr3C2
Cr7C3
Cr23C6
Fe3C
密度ρ/g·cm-3
8.9
2.50~2.54
3.21~3.22
6.68
6.92
6.97~6.99
-
熔点θ/℃
2690
2350
~2470
2200~2700分解
1895
1782
1518
1650
硬度(HV)
1500
2400~
3700
3000~3500
1800
1882
1663
860
弹性模量E/GPa
544
295~458
345~422
380
-
-
表2各种氮化物的性质[1,2]
碳化物
性质
TiN
ZrN
HfN
VN
TaN
NbN
WN
密度ρ/g·cm-3
5.44
7.35
13.94
6.08
14.1
8.26~8.40
8.33
熔点θ/℃
2900~
3220
2930~
2980
3300~3307
2050~
2360
2980~3360
2050
2420
硬度(HV)
1800~
2100
1400~
1600
1500~1700
1500
1060
1400
1720
弹性模量E/GPa
616
-
-
-
587
493
-
碳化物
性质
NB(立方)
Si3N4
AlN
CrN
Cr2N
Mo2N
WN
密度ρ/g·cm-3
3.48~3.49
3.18~3.19
3.25~3.30
6.10
6.51
8.04
-
熔点θ/℃
2720~
3000分解
1900分解
2200~2300分解
1500
-
-
800
硬度(HV)
7000~
8000
2670~
3260
1225~1230
1000~
1188
1522~1629
630
-
弹性模量E/GPa
720
470
281~352
-
-
-
表3各种氧化物的性质[1,2]
碳化物
性质
TiO2
ZrO2
HfO2
V2O5
Ta2O5
Nb2O5
WO3
Al2O3
Cr2O3
密度ρ/g·cm-3
4.24
6.27
9.68
3.36
8.73
4.95
6.47
3.97
5.21
熔点θ/℃
1855~
1885
2900
2780~
20790
670~
685
1755~
1815
1473~
2130
2050
2420
2309
~
2359
硬度(HV)
1000
1300~
1500
940~
1100
-
890~
1290
-
2300
~
2700
1720
2915
弹性模量E/GPa
240~290
250
-
-
-
-
-
370
-
表4各种硼化物的性质[1,2]
碳化物
性质
TiB2
ZrB2
HfB2
VB2
TaB2
NbB2
W2B5
CrB2
FeB
Fe2B
密度ρ/g·cm-3
4.38
6.17
10.50
5.06~
5.28
12.38
6.97
11.0
5.22
7.15
7.34
熔点θ/℃
2790
3200
3250
2400
3037
3000
2370
2200
1650
1410
硬度(HV)
3310~
3430
2230~
2274
2400~
3400
2797~
2813
2460~
2540
2600
2650~
2675
2020~
2180
1600~
1700
1290~
1390
弹性模量E/GPa
540
350
-
273
262
650
790
215
350
290
如碳素工具钢,其主要成分是Fe3C,合金工具钢中有复合碳化物,如合金渗碳体(Fe,Cr)3C等。
高速钢中有更多的复合碳化物.硬质合金的硬质相主要为WCT和TiC,但经常加入Ta,Nb等元素而形成复合的固溶体,且须用Co,Ni等为黏结材料。
陶瓷的基体材料常用Al2O3和Si3N4,但又加入了碳化物、其他氧化物和氮化物,甚至硼化物。
立方氮化硼则是一种非金属氮化物。
在刀具材料中,碳化物用得最多。
各种金属碳化物分1型、2型、3型、6型、7型和23型等,即MC(如TiC、SZrC等)、M2C(如Mo2C等)、M3C(如Cr3C2、Fe3c等)、M6C(如Fe3(W,Mo)3C6等)、M7C(如Cr7C3等)和M23C(如Cr23C6等)。
各型碳化物的生成,均遵循一定规律。
它们也可形成复合碳化物,但其物理、力学性质难以查到确切的数据。
近年中,氮、碳和金属(一种或二种)的复合化合物在刀具涂层中用得较多。
根据巴尔查斯(Balzer)涂层公司的资料,列出几种涂层材料的物理、力学性能,以资参考。
表5几种涂层材料的性能
材料名称
显微硬度(HV)
与钢的干摩擦因数
最高适用温度/℃
颜色
TiCN
2300
0.4
400
蓝灰色
AlCrN
3200
0.35
1100
蓝灰色
TiAlN
3300
0.4
900
蓝灰色或紫灰色
碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的种类如此众多,在刀具材料的研制和使用中发挥了很大作用。
但已被用上并为人们所熟知的还只是其中的少数,多数未付诸应用,这一情况从表1~表5中可以看出。
因此,人们在研制新刀具材料时,在化学组分上尚有选择余地和很大潜力可挖。
当然,表中所列的化合物并非都有用上的可能,因为不能仅考虑物质的性能,还应顾及资源、价格和工艺等因素。
4刀具材料与工件材料的匹配
军工产品多用难加工材料,如高强度、超高强度钢、高锰钢、淬硬钢和冷硬铸铁、不锈钢、高温合金、钛合金、复合材料等。
刀具、工件两方面材料的力学、物理和化学性能必须得到合理的匹配,切削过程方能正常进行,并获得正常的刀具寿命;否则,刀具就可能会急剧磨损,刀具寿命很短。
例如,硬度高的工件材料,就必须用更硬的刀具来加工;高速钢刀具硬度不够,不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁,硬质合金和陶瓷刀具则能胜任,CBN刀具更佳。
加工硬脆材料,不仅要求刀具有很高的硬度,还要求有高的弹性模量,否则刃部难以支撑。
用硬质合金刀具加工淬硬钢及其它硬脆材料,必须采用弹性模量较高(WC成分较多)的K类或M类牌号。
以上是力学性能的匹配。
不仅考虑刀具材料的常温力学性能,还应考虑其高温性能。
在加工导热性差的工件时,应采用导热性较好的工具,以使切削热得以传出。
从而降低切削温度。
这是物理性能匹配的例子。
工件、刀具双方材料中的化学元素如有容易化合、相互发生化学作用或扩散作用者,应设法回避。
例如,含钛的金属材料——钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等,不能用含钛元素的刀具进行切削。
也就是说,P类硬质合金、TiC基与Ti(C,N)基硬质合金、涂层硬质合金(多数涂层材料含钛)均不能使用;应采用K类硬质合金或高速钢。
凡加工塑性材料出长切屑且与前刀面发生摩擦者,应特别注意刀-屑双方元素的相互扩散,故加工非淬硬钢材应当采用P类硬质合金或Al2O3基陶瓷,而不能采用K类合金与Si3N4基陶瓷。
金刚石在600~700℃以上时将转化为石墨,Fe元素将起催化作用而加速这种转化,故金刚石刀具不能加工钢铁材料。
CBN最适合加工钢铁,但只能进行干切削,水基切削液在高温下将使CBN分解。
这些是化学性能匹配的例子。
化学作用在低温条件下一般进行缓慢,高温下加剧。
力学、物理、化学作用有时是综合影响而且是相互关联的,对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深入,有待进一步研究。
5结语
工件与刀具双方交替进展、相互促进,成为切削技术不断向前发展的历史规律。
20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年