硬质合金与超硬刀具在切削加工中的应用 |
| 2013-02-13 16:48 作者：刘小燕 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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据《硅谷》杂志2012年第22期刊文称，随着我国机械、电子、化工、航天航空工业的飞速发展和科学技术的不断进步，这些新型的超硬刀具将越来越广泛地应用于我国生产的各个领域，并将带来更大的经济效益。主要阐述硬质合金刀具、人造聚晶金刚石刀具、立方氮化硼刀具、复合氮化硅陶瓷刀具的性能特点及其在切削加工中的应用。
关键词：硬质合金；超硬刀具；切削特点；加工范围
硬质合金是目前金属切削加工中最常用的刀具材料之一。它是用具有高耐热性和高耐磨性的难熔的金属碳化物（WC、TiC等）粉末作基体，以金属Co等为粘结剂，经高压压制后烧结而成的粉末冶金制品。其特点是：硬度高，耐磨性好，硬度可达到74～82HRC；化学稳定性和热稳定性好，具有较高的耐热性，能耐850～1000℃；因而允许使用的切削速度可达100～300m/min，硬质合金的切削性能良好，因此得到广泛的应用。但硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性不好，工艺性能较差；使用中很少制成整体刀具，一般制成各种形状的刀片焊接或夹固在刀体上。
1硬质合金的分类及应用
硬质合金按化学成分可分为以下几类：钨钴类硬质合金（代号YG）、钨钛钴类硬质合金（代号YT）、钨钛钽（铌）钴类（代号YW）、碳化钛基类（代号YN）。其特点和用途见下表。
类型 特点 用途
YG 能在较高硬度时获得较高的抗弯强度，特别适合于在较低切削速度下工作 主要用于加工铸铁、有色合金及绝缘材料等
YT 随着TiC含量提高和Co含量降低，与YG类相比，硬度和耐磨性提高，韧性降低 因抗弯强度和冲击韧性比较低，不适合加工脆性材料，如铸铁，主要用于加工塑性材料，如钢材
YW 加入了TaC（或NbC），提高了抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性和高温硬度与强度 既可用于加工铸铁及难加工材料，也可用于加工一般钢材，常称为通用型硬质合金
YN 硬度很高，耐磨性、耐热性和抗氧化能力高，化学稳定性好，抗弯强度和韧性稍差 可用于加工钢，也可用于加工铸铁，特别适合高速精加工合金钢、淬硬钢，不适于重切削
随着制造技术的飞速发展，先进制造技术的不断产生和应用，对机械产品的制造精度、加工质量、生产效率都提出了更高的要求；高速切削、超精密加工、绿色制造均要求刀具具有高的硬度、耐磨性和红硬性。因而超硬刀具在现代制造加工中逐渐地被开发应用。例如：用硬质合金刀具加工花岗岩时，在几秒钟内刀刃就被坚硬的花岗岩摧毁；再用聚晶金刚石刀具加工时，刀刃就可以保持完好。用硬质合金车刀加工冷硬铸铁时，即使采用很低的切削速度，刀具仍然磨损很快，也很容易崩刃；采用复合氮化硅陶瓷刀具切削时，不但可以使用较高的切削速度，而且大大地延长了刀具的使用寿命。退火工具钢一般需要经过磨削加工，因而生产效率很低；而采用立方氮化硼刀具就可实现高效率的车削或铣削。实践证明超硬刀具在高硬材料的高速切削加工中，不但能够保证加工质量、提高生产效率，还能够提高刀具的耐用度。
2超硬刀具及其应用
超硬刀具主要有人造聚晶金刚石、立方氮化硼和陶瓷刀具三大类。
2.1人造聚晶金刚石刀具及其应用
天然金刚石是自然界中最硬的材料。它是靠地球、地壳变迁时所产生的高温高压将石墨转化为金刚石的；人造金刚石正是根据同样的原理制成的。聚晶金刚石复合片由聚晶金刚石和硬质合金基体两部分组成；硬质合金基体是使最硬的金刚石和较软的碳素钢刀体间有一个硬度适中的过渡层，以便切削时压力传递和焊接。虽然金刚石是自然界中硬度最高的材料，可以用来加工硬度较高的硬质合金、陶瓷、玻璃等材料，但由于它与钢铁材料具有化学亲和作用，因而一般广泛用于加工各种有色金属和非金属材料。
2.2立方氮化硼刀具及其应用
立方氮化硼的硬度和耐磨性仅次于金刚石。它是采用挑选好的琥珀色氮化硼为原料，利用合成金刚石同样的高温高压技术制成的聚晶材料。它的耐热性和化学稳定性好，在1300～1500℃时仍能正常切削，与大多数金属、铁系材料都不起化学作用。因此能高速切削高硬度的钢铁材料及耐热合金，刀具的粘结与扩散磨损小；它有较好的导热性，抗弯强度与断裂韧度介于陶瓷与硬质合金之间。由于立方氮化硼材料的一系列优点，使它能对淬火钢、冷硬铸铁进行粗加工、半精加工，同时还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。
立方氮化硼也可与硬质合金热压成符合刀片，其抗弯强度可达到1.47Gpa，能经多次重磨使用。立方氮化硼刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。
2.3复合氮化硅陶瓷刀具及其应用
复合氮化硅陶瓷是以自然界中最富有的硅作为主要原料，将其磨碎后经筛选好的硅粉经氮化后制成氮化硅（Si3N4）粉，然后和其它添加剂一起置入石墨模具，再在热压烧结炉中充以氮气，在压力：200～250公斤/cm，温度：1810～1820℃条件下烧结而成。其主要性能特点是：硬度高，耐磨性好，硬度可达到93～94HRA；耐热性、抗氧化性好，可达到1200～1300℃。氮化硅与碳和金属元素化学反应较小，摩擦因数也低。实践证明用于切削钢、铜、铝均不粘屑，不易产生积屑瘤，从而提高零件的加工质量。
氮化硅陶瓷最大的特点是能进行高速车削，车削灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等材料效果更为明显，切削速度可提高到500～600m/min，只要机床条件允许，切削速度还可以提高。
氮化硅陶瓷刀具适用于精车、半精车、精铣或半精铣，可用于精车铝合金、高锰钢等难加工材料，达到以车代磨的目的。
在刀具材料不断发展的今天，表面涂层硬质合金也得到了广泛的应用。硬质合金的硬度和耐磨性较好，但韧性较差，可通过在硬质合金刀具上涂覆1层或多层耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al3O2等，涂层的厚度为2～18μm，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。
上述刀具材料所适合加工的一些工件材料如下表所示
以上各种超硬刀具，各自具有其非凡特性。随着我国机械、电子、化工、航天航空工业的飞速发展和科学技术的不断进步，这些新型的超硬刀具将越来越广泛地应用于我国生产的各个领域，并将带来更大的经济效益。
作者简介：
刘小燕（1961-），女，辽宁锦州人，机械专业工学学士，机械教研室主任，高级讲师，抚顺市技师学院，研究方向：机械加工。 |
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