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现代刀具材料系列讲座高性能熔炼高速钢  摘 要：介绍了高性能熔炼高速钢的种类与性能。列出了某些切削试验数据。 关键词：高性能高速钢；熔炼；金属切削  高速钢材料发明于19世纪末，一般用熔炼方法制成。普通高速钢的典型牌号是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。在加工效率和加工质量要求日益提高的现代切削加工中，它们的性能已嫌不足。在20世纪后期，逐步出现了许多高性能高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使其常温和高温机械性能得到显著提高。附表中列出了国内外有代表性的高性能高速钢的化学成分和机械性能，现分述其特点于下： 1 高碳高速钢 在W18Cr4V基础上。增加0.2含碳量，形成95W18Cr4V。根据化学平衡碳理论，可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高了常温和高温硬度。与W18Cr4V相比，95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相当。这个钢种的切削性能虽不及高钴、高钒高速钢，但价格便宜，切削刃可以磨得很锋利，故有应用价值。同样，还有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速钢。  2 高钴高速钢 在高速钢中加钴，可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化物，提高弥散硬化效果，并提高热稳定性，故能提高常温、高温硬度及耐磨性。增加含钴量还可改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦系数。M42是美国这方面的代表性钢种，其综合性能甚为优越。瑞典的HSP-15也是这一类的钢种，但其含钒量为3，刃磨加工性不如M42。钴含量高、价格昂贵，不适合中国国情。我国研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si，性能优越，价格低于M42和HSP-15，但Co5Si含钒量亦达3，刃磨加工性亦较差，故不宜用其制造刃形复杂的刀具。 3 高钒高速钢 高钒高速钢(如B201、B211、B212)的钒含量为35，同时加大碳含量，形成VC与V4C3，使高速钢得到高的硬度和耐磨性。高钒高速钢的耐热性也好，但高钒高速钢的刃磨加工性差，导热性也不好，冲击韧性较低，故不宜用于复杂刀具。在高钒高速钢中也可加入适当的钴，成为高钒含钴高速钢。我国研制的高钒含氮高速钢V3N，价格便宜，切削性能也好，唯刃磨较难。后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但价格高于V3N。 4 含铝高速钢 我国研制出无钴、价廉的含铝高性能高速钢501。其中铝含量约为1。铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起“钉扎”作用，故钢的常温、高温硬度和耐磨性均得以提高，强度和韧性也都比较高，切削性能与M42相当。501的钒含量为2，刃磨性能稍逊于M42。5F6也是含铝1的高性能高速钢，B201、B211、B212中也含铝。含锚高速钢是中国的一个独创。501在国内得到广泛应用，在国外也得到应用；其他含铝高速钢的应用不如501广泛。 在切削难加工材料时，应当合理选用不同牌号的高性能高速钢。切削常见的难加工材料，如高强度钢、奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金等，上述各种高性能高速钢都可以选用，选用时主要应考虑高速钢的机械性能和刃磨性能：在粗加工或断续切削条件下，应选用抗弯强度与冲击韧性较高的高性能高速钢；在精加工时，对高速钢的抗弯强度与冲击韧性的要水较低，这时主要考虑其耐磨性；工艺系统刚性差时，选用高速钢的牌号与粗加工时相同；工艺系统刚性好时，选用高速钢的牌号与精加工相同；刃型复杂的刀具，应选用刃磨性能较好的低钒高钴或低钒含铝高速钢；刃型简单的刀具，可选用刃磨性能差的高钒高速钢。 高性能高速钢的化学成分和机械性能表 作者曾做过多种高性能高速钢车刀与普通高速钢(W18Cr4V)车刀切削高强度钢36CrNi4MoVA(调质，HRC43-46)的对比试验。刀具几何参数；前角0=4°，主偏角r=45°，刀尖圆弧半径=0.2mm。切削深度p=1mm，进给量f=0.1mm。部分刀具的磨损曲线见图1。T-曲线见图2。由图可见，各种高性能高速钢刀具的耐磨性和使用寿命均高于W18Cr4V甚多。而V3N与Co5Si尤为领先。36CrNi4MoVA是难加工材料，高性能高速钢在切削难加上材料时其优势尤为显著。  图1  高性能高速钢与普通高速钢车削高强度钢的磨损曲线  图2 高性能高速钢与普通高速钢车削高强度钢的T-曲线 工件材料：36CrNi4MoVA刀具材料：1.V3N 2.Co5Si 3.B201 4.M42 5.W18Cr4V  粉末冶金高速钢  摘要：介绍了粉末冶金高速钢刀具的切削性能，并列出了这类刀具与熔炼高速钢刀具的对比切削数据。 关键词：粉末冶金；高速钢；刀具；切削性能。 1 前 言 普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的，它们经过冶炼、铸锭和锻轧等工艺制成刀具，熔炼高速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大(可达几十个微米)，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利影响。 粉末冶金高速钢的制造过程是：将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体(氩气或氮气)喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(粉末)。上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末。再将所得的粉末在高温(约1100)、高压(约100MPa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。2 粉末冶金高速钢的优点 粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均为1级，碳化物晶粒尺寸在23m以下。因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出2050。它适用于制造承受冲击载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高11.5HRC，高温硬度(550600)提高尤为显著，故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高。由于碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含钒5时其可磨削性能相当于含钒2的熔炼高速钢，故粉冶高速钢中允许适当提高钒含量，且便于制造刃型复杂的刀具。粉冶高速钢的热处理变形亦较小。3 粉末冶金高速钢的切削试验 作者用粉末冶金高速钢GF3制成车刀，在相同的切削条件下与普通高速钢W18Cr4V及熔炼高性能高速钢Co5Si，V3N进行切削对比。 切削用量：=40m/min，p=3mm，f=0.15mm/r。 刀具几何参数：0=20°，r=75°，r=l5°，=1mm。刀具磨损曲线如图1所示。 由图1可以看出，粉末冶金高速钢GF3的耐磨性不仅高出普通高速钢W18Cr4V甚多，且高于熔炼高性能高速钢Co5Si与V3N。 作者又用GF3制成拉制膛线的拉刀，在相同切削条件下，与Co5Si拉刀进行切削对比。工件材料为高强度钢38CrNi3MoVA，HRC36。 切削用量：=12m/min，p=6.2mm,f=0.025mm/双行程。 刀具几何参数：0=18°，r=90°。 加硫化切削油。 刀具磨损曲线如图2所示。由图2可见，GF3拉刀的耐用度高于Co5Si。4 国内外情况 20世纪70年代初，国外已有粉末冶金高速钢刀具商品。20余年来发展较快，在高速钢刀具材料中已占有一定份额。以ERASTEEL，国际工业集团(瑞典与法国为主)为例，它的各种高速钢产品的总和在世界高速钢市场中占有30的份额。它的高速钢产品中，熔炼高速钢有20个牌号，粉末冶金高速钢有8个牌号。后者称为ASP2000系列，其钢号与化学成分见表1。表1 ERASTEEL集团粉末冶金高速钢ASP2000系列的化学成份()  我国自20世纪70年代中期以来，亦对粉末冶金高速钢进行了研制。如冶金工业部钢铁研究总院有粉末冶金高速钢FW12Cr4V5(牌号为FT15)和FWl0Mo5Cr4V2Co12(FR71)，北京工具研究所有水雾化的W18Cr4V(GF1)、W6Mo5Cr4V2(GF2)、W10.5Mo5Cr4V3Co9(GF3)。上海材料研究所有粉末冶金高速钢W18Cr4V(PT1)和W12Mo3Cr4V3N(PVN)，机械性能和切削性能俱佳，在加工高强度钢、高温合金，钛合金和其他难加工材料中，发挥了优越性。但是，近年来我国因市场、效益等因素的困扰，粉末冶金高速钢的研制和生产，一度陷于停顿。随着经济形势的改变，相信粉末冶金高速钢在国内将大有发展前景。涂层高速钢刀具 摘要：介绍了涂层高速钢刀具的切削性能，并列出了涂层与未涂层高速钢刀具的对比切削数据。关键词：涂层高速钢；刀具；切削性能 1 概述 在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。般，涂层材料用TiN、TiC等，但多采用TiN。涂层后，刀具表面呈金黄色。涂层厚度为510m。 涂层高速钢刀具约在1980年出现在国际市场。发展极为迅速，20年来，它已在高速钢刀具中占有一定比重。在美国、日本、德国，近一半的齿轮加工刀具及立铣刀、钻头等采用涂层，提高了切削效率，获得了显著的经济效益。我国对涂层高速钢刀具的研究从80年代开始。近十年中，刀具制造行业已从美国、日本引进了近10套PVD涂层设备，已出售各种涂层高速钢刀具产品。在各地区和各部门，拥有数量众多的国内制造的涂层设备，所用的物理气相沉积方法不同，有电弧发生等离子体气相沉积法、等离子枪发射电子束离子镀法、中空阴极枪发射电子束离子镀法、e形枪发射电子束离子镀法等，各有特色和优缺点，涂层产品质量亦有差异，电弧发生等离子体气相沉积法用得最多。2 涂层高速钢刀具的优点 TiN的硬度为HV18002000，密度为5.44g/c，热导率为29.31W/(m?)，线膨胀系数为(9.319.39)×10-6/。而高速钢基体的硬度仅为HV800850。故涂层后的高速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。实用情况表明，与未涂层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低510，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；工件已加工表面粗糙度减小；刀具使用寿命显著提高。3 切削实验数据 作者用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢车刀与涂层后的刀具进行切削实验对比，主要对比它们的刀具磨损与使用寿命。 实验一：工件材料：60Si2Mn(调质，HRC40)。 车刀几何角度：0=16°，0=8°，r=45°，=-4°，=0.5mm。 切削用量：p=0.5mm，f=0.2lmm/r，=25m/min干切削。 磨损曲线如图1所示。  实验二：工件材料：60Si2Mn(调质，HRC40) 车刀几何角度：0=10°，0=8°，r =45°，=0°，=0.5mm。 切削用量：p =O.5mm，f=0.21mm/r，=25m/min，干切削。 磨损曲线如图2听示。 实验三：工件材料：38CrNi3MoVA(调质，HRC3640)。 车刀几何角度：0=8。，0=8。，r =75。，=-4。，=08ram。 切削用量：p =1mm，f=0.2mmr，VB=0.5mm，干切削。 T-曲线如图3所示。 图3中，T-公式的Taylor方程如下： =58/T0.37 (W18Cr4V) =57/T0.21 (W18Cr4V+TiN)式中：切削速度，m/min；T刀具使用寿命，min。 由图1至图3可见，涂层高速钢刀具的使用寿命是未涂层刀具的23倍，甚至更多。 4 使用经验 涂层高速钢刀具可用于车刀、铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀和插齿刀，刀具使用寿命有不同程度的提高。涂层高速钢车刀用得较少，其使用寿命的提高也不是最显著的。涂层高速钢麻花钻、立铣刀、丝锥等刀具应用最广，使用寿命提高显著，这些刀具经过重磨，涂层仍起作用。例如，涂层高速钢钻头在涂层后第一次使用时，与未涂层钻头比，使用寿命可提高3倍以上；重磨时已将后刀面的涂层磨掉，但前刀面上尚保留涂层，寿命尚可提高2倍以上；第二次重磨后刀面后，其寿命仍有一定幅度的提高。对于刃磨前刀面的刀具(如涂层齿轮滚刀、插齿刀)，在刃磨后，仍有延长刀具使用寿命的效果。 涂层高速钢刀具在国内的应用尚不够广泛。但是，可以肯定地说，它对难加工材料的切削以及在先进制造设备上(如数控机床、加工中心)，将发挥重要作用。新型硬质合金添加钽、铌的硬质合金 摘 要：主要介绍了添加钽、铌硬质合金的种类和性能，并引入一些切削试验数据。关键词：硬质合金；钽、铌；切削刀具1 概述 高速钢只能承受600以下的温度。高速钢刀具受耐热性的限制，切削速度不能过高，只在2025m/min左右，故其切削效率尚处于较低的水平。高速钢的硬度仅为HRC6265，不能切削淬硬钢和冷硬铸铁。硬质合金刀具材料的问世，使切削加工水平出现了一个飞跃。硬质合金刀具能实现高速切削与硬切削。硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物粉末(WC、TiC等)，用钴或镍等金属作粘结剂压坯、烧结而成的粉末冶金制品。其中，高硬度、耐高温的碳化物比高速钢耍多得多，故能承受很高的切削湿度，允许采用很高的切削速度。但由于硬质台金的可加工性差，且较脆，过去主要只用于车刀和面铣刀，近年来已扩展到整体和镶齿的钻头、铰刀、立铣刀、三面刃铣刀和螺纹、齿轮刀具等。WC、TiC的常温硬度分别为HV1780和3200，熔点分别为2900和3200。这些性能刘切削难加工材料和提高加工效率非常有用。 德国是世界上首先生产硬质合金的国家，1923年用粉末冶金法研制成功钨钴合金(WC+Co)，1931年又制成钨钛钴类合金(WC+TiC+Co)。到20世纪30年代中后期，美国、日本、英国、瑞典均能生产硬质合金。第二次世界大战期间，硬质合金刀具已开始应用。战后50年来，硬质合金作为刀具，模具和耐磨件材料，得到突飞猛进的发展。品种繁多，质量不断提高。在刀具方面，硬质合金成为与高速钢并驾齐驱的最主要的刀具材料。与高速钢相比，硬质合金的种类和牌号非常多，因此对它的合理选择和应用应给予足够的重视。 在20世纪50年代初、中期，我国引进前苏联技术，建成了株洲硬质合金厂；后来又建成了自贡硬质合金厂。当时，作为刀具材料的产品比较单调，只有切削钢材的钨钛钴系列YT5、YT14、YT15、YT30和切削铸铁与有色金属的钨钴系列YG8、YG6、YG3。随着科技事业的发展，各种难加工材料不断涌现并得到广泛应用，用上述普通硬质合金牌号作为刀具切削各种难加工材料已不能满足全部要求，于是我国硬质合金工业大力发展研制技术，生产出多种新型硬质合金。第一是采用高纯度的原料，如采用杂质含量低的钨精矿及高纯度的三氧化钨等；第二是采用先进工艺，如以真空烧结代替氢气烧结，以石蜡工艺代替橡胶工艺，以喷雾或真空干燥工艺代替蒸汽干燥工艺；第三是改变合金的化学组分；第四是调整合金的结构；第五是采用表面涂层技术。 新型硬质合金分为五大类，即 (1)添加钽、铌的硬质合金； (2)细晶粒与超细晶粒硬质合金； (3)Ti(C，N)基与TiC基硬质合金； (4)表面涂层硬质合金； (5)添加稀土元素硬质合金。 本文介绍添加钽、铌的硬质合金。其余四类将陆续闸述。 2 添加钽、铌硬质合金的类别与性能 硬质合金中添加TaC、NbC后，能够有效提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化磨损的能力，从而提高了耐磨性。此外还能增强抗塑性变形的能力。因此，切削性能得以改善。通常使用添加钽、铌的硬质合金，是为了提高硬质合金的耐磨陛、抗冲击能力和使用中的通用性。 添加钽、铌的硬质合金分为两大类： (1)WC+Ta(Nb)C+Co类 即在YC类合金的基础上又加入了TaC、NbC。如株洲硬质合金厂研制的YG6A和YG8N就属于这类合金(表1)。YG6A和YG8N的耐磨性与抗冲击性均优于YG6和YG8。这类合金主要用于加工铸铁和有色金属。(2)WC+TiC+Ta(Nb)C+Co类 即在YT类合金的基础上又加入了TaC、NbC，用以加工钢料。个别牌号也能加工铸铁。这类合金品种繁多，但归纳起来可分为三种：通用类：TiC含量为410，TaC、NbC含量为48，Co含量为68，综合性能较好，适用范围宽，既可加工钢材，又可以加工铸铁和有色金属，但其单项性能指标并不比普通的YT、YG合金强。YWl、YW2、YW3等牌号就是通用类合金(见表1)。铣削牌号类：TiC含量般少于10，TaC含量高达1014，Co含量亦达10，主要用于铣刀。添加较多的TaC后，能有效地提高合金的抗机械冲击和抗热裂的性能；配以较高的含Co量，抗弯强度亦高。株洲硬质合金厂的YS30、YS25、YDS15及自贡硬质合金厂的YT798属于此类合金(表1)，高碳化钛添加TaC、NbC类：TiC含量一般在10以上(个别的有低于10者)，直到30。添加TaC、NbC约5以下，可用以替代各个等级的YT类普通合金，耐磨性能显著提高。株洲硬质合金厂的YT30+TaC和自贡硬质合金厂的YT712、YT715等都属于这类合金(表1)。  注：除YT798、YT712、YT715为自贡硬质合金厂产品外，其余牌号均为株洲硬质合金厂产品，但YW1、YW2两厂都生产。  除添加TaC、NbC外，有些新型埂质合金还添加了Cr3C2、VC和W粉、Nb粉等。Cr3C2和VC的加入，可以抑制合金晶粒长大，W粉和Nb粉则可强化粘结相。株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂近年在引进外国设备与技术后，又分别建立了添加钽、铌的硬质合金新系列，如表2、表3所示。 *YC25S 亦属于铣削牌号。添加钽、铌的硬质合金牌号最多，令人眼花缭乱。然而根据P，M，K的国际类别与级别，是不难理解和选用的。  3 切削实验 作者用普通未加Ta，Nb的硬质合金YT15(P10)切削高强度钢60Si2Mn(调质，HRC3942)，与P10+Ta，Nb硬质合金作对比，切削用量p=1mm，f=0.2mm/r，刀具几何参数0=4°，0=8°，r=45°，rE=0.8mm，s=-4°。其刀具磨损曲线及T-曲线如图l、图2所示。        T-曲线的Taylor方程如下： =174.7/T0.12 m/min (YT15) =176.2/T0.11 m/min (P10+Ta，Nb) 作者又用未添加Ta的P01硬质合金切削60Si2Mn高强度钢，与YT30(P01)+TaC硬质合金作对比，p=0.5mm，f=0.2mm/r，=115m/min，刀具几何参数同上。其刀具磨损曲线见图3。 由图13可见，在添加Ta，Nb后，硬质合金刀片的耐磨性与使用寿命均有显著的提高。新型硬质合金细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti(C，N)与TiC基硬质合金摘 要：主要介绍了细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti(C，N)基与TiC基硬质合金的种类和性能，并列入一些试验数据。关键词：硬质合金；细晶粒；超细晶粒；金属陶瓷；切削刀具 1 概述 本文介绍两类新型硬质合金的种类与性能： (1)细晶粒与超细晶粒硬质合金； (2)Ti(C，N)基与TiC基硬质合金，这类硬质合金又可称为“金属陶瓷”，英文叫“Cermet”。应当注意，“金属陶瓷”的成分仍是碳化物，与人们熟知的氧化铝、氮化硅陶瓷不是等同的东西。 细化晶粒是改变硬质合金的结构；而Ti(C，N)基与TiC基硬质合金则是改变台金的化学成分通过这两种方法都能改善硬质合金的性能。2 细晶粒和超细晶粒硬质合金硬质合金的晶粒细化后，使硬质相尺寸变小，粘结相更均匀地分布在硬质相周围，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性。如适当增加钴含量，还可以提高抗弯强度。矿用或钴探用的合金为粗晶粒，平均晶粒尺寸为45m；普通牌号的刀具用合金YT15、YG6等均为中晶粒，平均晶粒尺寸为23m：细晶粒合金的平均晶粒尺寸为12m，亚微细粒合金为0.51m，超细晶粒合金则为0.5m以下。日本等国很重视这类合金的研制，我国在20世纪60年代就有了细晶粒合金的牌号，如YG3X、YG6X。70年代末期开始研制亚微细粒合金株洲硬质合金厂的亚微细粒牌号有YS2T、YS8、YS10及YD15，自贡硬质合金厂的YG643、YG600、YG610、YG640等都是亚微细粒牌号(见表1)。   早先的细晶粒和亚微细粒结构多用于WC+Co的合金(即K类合金)。近年来M类和P类(WC+TiC+Co)合金也向晶粒细化的方向发展。8090年代，各国已研制出超细晶粒合金。 用细品粒、亚微细粒硬质合金代替普通中等晶粒的硬质合金，如以YG3X、YG6X代替YG3、YG6，以YS8、YS10代替YG6，能够显著提高刀具使用寿命。 近年，自贡硬质合金厂已研制出亚微细粒硬质合金牌号ZK10UF和ZK30UF(相当于K10和K30)，硬度为HRA92.591.5，抗弯强度为22.5GPa，其平均品粒尺寸为0.60.8m。该厂又研制出超细品粒硬质合金牌号Zcx10、Zcx30和Zcx40(相当于K10、K30和K40)，硬度为HRA9392，抗弯强度为2.53.5GPa，其平均品粒尺寸为0.40.5m。3 Ti(C，N)基与TiC基硬质合金(金属陶瓷) 不论是YT类、YG类，或在它们的基础上添加了TaC、NbC的新型合金，都属于WC基合金。因为在它们当中，WC是主要成分，含量达6597，并以Co为粘结剂。TiC基合金是后来发展起来的，其主要成分为TiC，占6080以上，少含或不含WC，以Ni、Mo作粘结剂。与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有更好的耐磨性，但韧性和抗塑性变彤的能力稍弱。我国代表性牌号是YN05、YN10(株洲硬质合金厂研制)，用以切削正火和调质状态下的钢材，其切削性能优于WC基合令YT30、YT15。 近年，我国又开发Ti(C，N)基合金，它具有与TiC基合金相同的特性与优点，但其韧性、抗塑性变形能力高于TiC基合金，有发展前景。应用范围略同于TiC基合金，主要是切削钢料，但加工范围较宽。表2列出了WC、TiC、TiN、Ti(C，N)等物质的机械性能。可以看出，TiC和Ti(C，N)的硬度高于WC。Ti(C，N)的各项性能均介于TiC、TiN之问，故Ti(C，N)的弹性模量大于TiC。由此可以解释，Ti(C，N)綦与TiC基硬质合金的硬度和耐磨性高于WC基合金；Ti(C，N)基合金的抗塑性变形的能力高于TiC基合金： 表2 几种化合物的机械性能 WCTiCTiNTi(C,N)常温硬度2400320019502600弹性模量E(×104MPa)7232.161.6 株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂生产的Ti(C，N)基与TiC基硬质合金的牌号如表3、表4所列。    有色金属研究总院还研制成功了Ti(C，N)基硬质合金NT7。4 切削试验 作者用国产不同牌号的Ti(C，N)基硬质合会刀片，与相同级别的WC基硬质合金刀片进行对比切削实验。 (1)用有色金属研究总院研制的NT7刀片及株洲硬质合金厂生产的TN20刀片，与WC基YT14刀片，做对比车削试验。工件材料为38CrNi3MoVA高强度钢(HRC3640)：切削用量p=1mm，f=0.21mm/r；刀具几何参数0=-6°，0=6°，Kr=45°，s=-4°，=O.8mm。所得的T-曲线如图1所示。相应的Taylor公式为： NT7 =440/T0.48 (m/min) TN20 =440/T0.48 (m/min) YT14 =275/T0.35 (m/min)从图1可见，TN7与TN20的水平相同，它们的使用寿命高于YT14甚多。   (2)用株洲硬质合金厂生产的Ti(C，N)基硬质合金刀片TN320刀片，与YT14刀片做对比铣削试验，工件材料为中碳钢45(HB187)。切削用量p=1mm，f=0.125mm/r，=147m/min。刀盘直径125mm，工件宽度50mm。刀具几何参数p=2°，r=0°，Kr =75°，Kr =15°。所得到的刀具磨损曲线如图2所示，可见TN320优于YT14。   (3)用NT7、TN20、YT14三种刀片进行抗冲击对比车削试验。工件为合金钢齿轮(HB320)。p=1mm，f=0.2mm/r，冲击频率为4kHz。所得的试验曲线如图3所示，到崩刃之前，NT7刀片与TN20刀片能承受的冲击次数分别比YT14刀片高出约30与50。由此可见，Ti(C，N)基硬质合金刀片有较好的抗冲击能力。  新型硬质合金表面涂层硬质合金  摘要：主要介绍了涂层硬质合金的性能、类别和涂层工艺，并列出一些试验数据。 关键词：硬质合金；涂层刀片；切削刀具 1 概述 通过化学气相沉积(CVD)等方法，在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al2O3等薄层，形成表面涂层硬质合金。这是现代硬质合金研制技术的重要进展。1969年，西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合金刀片初次投入市场。1970年后，美国、日本和其他国家也都开始生产这种刀片。三十余年来，涂层技术有了很大的进展。涂层硬质合金刀片由第一代、第二代已发展到第三代、第四代产品。 涂层硬质合金刀片一般均制成可转位的式样。用机夹方法装卡在刀杆或刀体上使用。它具有以下优点： 1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与未涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。 2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力有一定降低。 3)涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。 4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。 2 涂层工艺 硬质合金涂层最常用的方法是高温化学气相沉积法(简称HTCVD法)，是在常压或负压的沉积系统中，将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体或蒸气，按沉积物的成分，将其中的有关气体，按一定配比均匀混合，依次涂到一定温度(一般为10001050)的硬质合金刀片表面，即在刀片表面沉积TiC、TiN、Ti(C，N)或Al2O3或它们的复合涂层。反应方程式概括如下： TiCl4+CH4+H2TiC+4HCl+H2 TiCl4+½N2+2H2TiN+4HCl TiCl4+CH4+½N2+H2Ti(C，N)+4HCl+H2 2A1Cl3+3CO2+3H2Al2O3+3CO+6HCl 用PCVD(等离子体化学气相沉积)法在硬质合金刀片表面进行涂层也得到应用，因涂层工艺温度较低(700°800°)，故刀片的抗弯强度降低的幅度较小，对铣刀片比较适宜。 涂层前，基体刀片表面须净化，切削刃部位应钝化。涂层后，因涂层材料与基休材料的线膨胀系数存在差异，故涂层刀片表面不可避免地产生残余张应力而使刀片抗弯强度降低。通常用TiC薄层先涂在基体表面上，因TiC的线膨胀系数与基体材料最接近；外面再涂TiN、Al2O3等。过去，单涂层材料均用TiC，双层涂层材料多用TiC/TiN、TiC/A12O3等，三层涂层材料多用TiC/Ti(C，N)/TiN、Tic/Al2O3/TiN等。近年，随着基体材料的改进，涂层材料也有用TiN垫底的，即TiN/TiC/TiN等涂层材料还有HfN、MoS2等。 3 国内研制涂层硬质合金情况国内研究硬质合金CVD涂层技术并研制刀片，从70年代初就开始了，但真正形成生产能力并大量推广应用还是80年代的事。1983年，株洲硬质合金厂从瑞士Bernex公司引进了HTCVD涂层炉及精磨、刃口钝化等配套设备，生产了CN系列和CA系列的涂层硬质合金刀片，基体刀片采用国产牌号(见表1)。稍后，该厂又从瑞典Sandvik公司引进了设备和涂层技术，生产了YB系列涂层硬质合金刀片，基体则采用特殊专用材料(表2)。其中YB120、YB320是铣削牌号，其他主要用于车削加工。     自贡硬质合金厂引进美国等国涂层设备，也有ZC系列的涂层硬质合金刀片产品(表3)。    近年，自贡硬质合金厂推出了牌号为ZC21的涂层刀片。它的基体为具有梯度结构的材料，涂层材料为TiC/TiN，密度为13.014.0g/cm3，抗弯强度1.6GPa，可用于间断切削，亦可用于连续切削。 4 涂层硬质合金刀具应用范围 由于经过涂层工艺，基体刀片的韧性和抗弯强度不可避免地有所下降，加上涂层材料的化学性质等原因，故涂层硬质合金刀片仍只有一定的适用范围。它可以用于各种碳素结构钢、合金结构钢(包括正火和调质状态)、易切钢、工具钢、马氏体不锈钢和灰铸铁的精加工、半精加工以及较轻负荷的粗加工。涂层刀片最适用于连续车削，但在切深变化不大的仿形车削、冲击力不太大的间断车削及某些铣削工序中亦可采用。近年在切断、车螺纹中也已使用涂层刀片。但是，TiC和TiN涂层刀片不适宜于加工下列材料：高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、有色金属(铜、镍、铝、锌等纯金属及其合金)。沉重的粗加工，表面有严重夹砂和硬皮的铸件的加工也不宜使用涂层刀片。 5 切削实验涂层硬质合金刀片表面有TiC、TiN、Ti(C，N)、Al2O3等硬度甚高的薄层，故耐磨性极强：作者曾用HTCVD法TiC单层涂层的WC基硬质合金刀片为基体的YW1/TiC，与未涂层的WC基合金YT15、YT30+TaC、TiC基合金YN05，进行车削对比。工件材料为60Si2Mn(凋质高强度钢，HRC40)，切削用量p =0.5mm，f=0.2mm/r，=115m/min。刀具几何参数0=4°，0=8°，r =45°，s =-4°，rE =0.8mm。分别测量车刀的后刀面磨损VB与前刀面月牙洼磨损KT，得到的刀具磨损曲线如图1、图2所示。可以看出，YW1/TiC涂层刀片的耐磨性不仅远高于YT15(P10)，而且也高于YT30+TaC、(P01)，甚至还高于TiC基合金YN05(P01)；而且抗月牙洼磨损的耐磨能力尤为显著。 作者又用YW3硬质合金刀片为基体，在某研究院的HTCVD涂层炉中，涂上单层、双层、三层的涂层材料，形成三种涂层刀片；YW3/TiC，YW3/TiC/TiN，YW3/TiC/Ti(C，N)/TiN。连同基体硬质合金YW3，一同车削60Si2Mn钢(HRC40)。切削用量p =0.5mm，f=0.2MM/r，=150m/min，刀具几何参数0=4°，0=8°，r =45°，s =4°，rE =0.8mm。所得的后刀面磨损曲线见图3。涂层刀片的耐磨性远高于未涂层刀片YW3；不同层数的涂层刀片，其耐磨性亦有一定差别，涂三层的领先，涂二层的次之涂单层的更次之，但差别不是太大。   作者又用PVD(物理气相沉积)涂层工艺，在YT15(P10)硬质合金刀片基体上涂覆TiC，然后车削60Si2Mn钢(HRC40)，与YT15刀片进行车削对比。切削用量p =1mm，f=0.2mm/r，=115m/min。刀具几何参数0=4°，0=8°，r =45°，s=4°，rE =0.8mm。所得的后刀面磨损曲线见图4。可以看出，PVD涂层硬质合金刀片的使用效果亦佳。PVD涂层温度低，有利于降低硬质合金涂层刀片的表面残余应力；但PVD涂层与基体间的结合强度稍逊于CVD工艺。随着PVD工艺方法的进步，近年来应用已日趋广泛。    涂层刀片的切削力小于未涂层刀片，因刀屑间摩擦系数减小。实验表明，P类硬质刀片涂TiC后切钢，主切削力Fc约可减小34(与未涂层刀片比)，涂TiN或TiC/TiN，主切削力Fc约可减小69。Fp与Ff的减小尤为显著。Al2O3涂层对切削力减小的效果与TiN涂层接近。 新型硬质合金添加稀土元素的硬质合金  摘要：主要介绍了添加稀土元素硬质合金的性能和应用，并列入一些试验数据。 关键词：稀土元素；硬质合金；切削刀具 1 概述 在WC基的硬质合金中，添加少量的铈(Ce)、钇(Y)等稀土元素，可以改善合金的性能。在化学元素周期表中，稀土元素共有17个，其中一部分可得到应用。不仅用于刀具材料，在矿山工具、模具、顶锤用硬质合金中添加稀土元素也极有发展前景。我国稀土元素的资源极为丰富，故稀土硬质合金的研制在世界上领先，很多国家不具备这一条件。 自“七五”、“八五”以来，我国工厂、研究院所已研制出很多牌号的稀土硬质合金：YG8R，YG6R，YG11CR，YW1R，YW2R，YT5R，YT14R，YT15R，YS25R。作者与本校师生对上述许多牌号进行过系统的切削试验，探讨过切削机理。 2 稀土硬质合金的机械、物理性能在P类、M类、K类硬质合金中各选一个牌号，用稀土硬质合金YG8R(相当于K30)、YT14R(相当于P20)、YW1R(相当于M10)与未加稀土元素的普通硬质合金YG8、YT14、YW1对比，其机械、物理性能经测试列于表1。    由表1可见，添加稀土元素后，硬质合金的断裂韧性与抗弯强度有明显增加；硬度亦有少许提高。 3 切削力对比试验用YT14R与YT14刀片车削45钢(正火，HB=200)用三向电阻式测力仪测量主切削力Fc、进给切削力Ff和径向切削力Fp，并记录下来，得到Fc-、Ff-，Fp-曲线，如图1所示(p=2mm，f=0.21mm/r，干切)。    主切削力Fc的试验公式为： Fc=2159p0.89f0.84 (N) (YT14R-45) Fc=2204p0.86f0.80 (N) (YT14