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      硬質合金與超硬刀具在切削加工中的應用

      作者:boosum     日期:2014-11-14

              隨著我國機械、電子、化工、航天航空工業的飛速發展和科學技術的不斷進步,這些新型的超硬刀具將越來越廣泛地應用于我國生產的各個領域,并將帶來更大的經濟效益。主要闡述硬質合金刀具、人造聚晶金剛石刀具、立方氮化硼刀具、復合氮化硅陶瓷刀具的性能特點及其在切削加工中的應用。

        關鍵詞:硬質合金;超硬刀具;切削特點;加工范圍

        硬質合金是目前金屬切削加工中最常用的刀具材料之一。它是用具有高耐熱性和高耐磨性的難熔的金屬碳化物(WC、TiC等)粉末作基體,以金屬Co等為粘結劑,經高壓壓制后燒結而成的粉末冶金制品。其特點是:硬度高,耐磨性好,硬度可達到74~82HRC;化學穩定性和熱穩定性好,具有較高的耐熱性,能耐850~1000℃;因而允許使用的切削速度可達100~300m/min,硬質合金的切削性能良好,因此得到廣泛的應用。但硬質合金的抗彎強度低,沖擊韌性不好,工藝性能較差;使用中很少制成整體刀具,一般制成各種形狀的刀片焊接或夾固在刀體上。

        硬質合金的分類及應
        硬質合金按化學成分可分為以下幾類:鎢鈷類硬質合金(代號YG)、鎢鈦鈷類硬質合金(代號YT)、鎢鈦鉭(鈮)鈷類(代號YW)、碳化鈦基類(代號YN)。其特點和用途見下表
        類型 特點 用
        YG 能在較高硬度時獲得較高的抗彎強度,特別適合于在較低切削速度下工作 主要用于加工鑄鐵、有色合金及絕緣材料
        YT 隨著TiC含量提高和Co含量降低,與YG類相比,硬度和耐磨性提高,韌性降低 因抗彎強度和沖擊韌性比較低,不適合加工脆性材料,如鑄鐵,主要用于加工塑性材料,如鋼
        YW 加入了TaC(或NbC),提高了抗彎強度、疲勞強度、沖擊韌性和高溫硬度與強度 既可用于加工鑄鐵及難加工材料,也可用于加工一般鋼材,常稱為通用型硬質合
        YN 硬度很高,耐磨性、耐熱性和抗氧化能力高,化學穩定性好,抗彎強度和韌性稍差 可用于加工鋼,也可用于加工鑄鐵,特別適合高速精加工合金鋼、淬硬鋼,不適于重切
        隨著制造技術的飛速發展,先進制造技術的不斷產生和應用,對機械產品的制造精度、加工質量、生產效率都提出了更高的要求;高速切削、超精密加工、綠色制造均要求刀具具有高的硬度、耐磨性和紅硬性。因而超硬刀具在現代制造加工中逐漸地被開發應用。例如:用硬質合金刀具加工花崗巖時,在幾秒鐘內刀刃就被堅硬的花崗巖摧毀;再用聚晶金剛石刀具加工時,刀刃就可以保持完好。用硬質合金車刀加工冷硬鑄鐵時,即使采用很低的切削速度,刀具仍然磨損很快,也很容易崩刃;采用復合氮化硅陶瓷刀具切削時,不但可以使用較高的切削速度,而且大大地延長了刀具的使用壽命。退火工具鋼一般需要經過磨削加工,因而生產效率很低;而采用立方氮化硼刀具就可實現高效率的車削或銑削。實踐證明超硬刀具在高硬材料的高速切削加工中,不但能夠保證加工質量、提高生產效率,還能夠提高刀具的耐用度
        超硬刀具及其應
        超硬刀具主要有人造聚晶金剛石、立方氮化硼和陶瓷刀具三大類
        2.1人造聚晶金剛石刀具及其應
        天然金剛石是自然界中最硬的材料。它是靠地球、地殼變遷時所產生的高溫高壓將石墨轉化為金剛石的;人造金剛石正是根據同樣的原理制成的。聚晶金剛石復合片由聚晶金剛石和硬質合金基體兩部分組成;硬質合金基體是使最硬的金剛石和較軟的碳素鋼刀體間有一個硬度適中的過渡層,以便切削時壓力傳遞和焊接。雖然金剛石是自然界中硬度最高的材料,可以用來加工硬度較高的硬質合金、陶瓷、玻璃等材料,但由于它與鋼鐵材料具有化學親和作用,因而一般廣泛用于加工各種有色金屬和非金屬材料
        2.2立方氮化硼刀具及其
        立方氮化硼的硬度和耐磨性僅次于金剛石。它是采用挑選好的琥珀色氮化硼為原料,利用合成金剛石同樣的高溫高壓技術制成的聚晶材料。它的耐熱性和化學穩定性好,在1300~1500℃時仍能正常切削,與大多數金屬、鐵系材料都不起化學作用。因此能高速切削高硬度的鋼鐵材料及耐熱合金,刀具的粘結與擴散磨損??;它有較好的導熱性,抗彎強度與斷裂韌度介于陶瓷與硬質合金之間。由于立方氮化硼材料的一系列優點,使它能對淬火鋼、冷硬鑄鐵進行粗加工、半精加工,同時還能高速切削高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料
        立方氮化硼也可與硬質合金熱壓成符合刀片,其抗彎強度可達到1.47Gpa,能經多次重磨使用。立方氮化硼刀具是實現以車代磨的最佳刀具之一
        2.3復合氮化硅陶瓷刀具及其應
        復合氮化硅陶瓷是以自然界中最富有的硅作為主要原料,將其磨碎后經篩選好的硅粉經氮化后制成氮化硅(Si3N4)粉,然后和其它添加劑一起置入石墨模具,再在熱壓燒結爐中充以氮氣,在壓力:200~250公斤/cm,溫度:1810~1820℃條件下燒結而成。其主要性能特點是:硬度高,耐磨性好,硬度可達到93~94HRA;耐熱性、抗氧化性好,可達到1200~1300℃。氮化硅與碳和金屬元素化學反應較小,摩擦因數也低。實踐證明用于切削鋼、銅、鋁均不粘屑,不易產生積屑瘤,從而提高零件的加工質量
        氮化硅陶瓷最大的特點是能進行高速車削,車削灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵等材料效果更為明顯,切削速度可提高到500~600m/min,只要機床條件允許,切削速度還可以提高
        氮化硅陶瓷刀具適用于精車、半精車、精銑或半精銑,可用于精車鋁合金、高錳鋼等難加工材料,達到以車代磨的目的
        在刀具材料不斷發展的今天,表面涂層硬質合金也得到了廣泛的應用。硬質合金的硬度和耐磨性較好,但韌性較差,可通過在硬質合金刀具上涂覆1層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al3O2等,涂層的厚度為2~18μm,形成表面涂層硬質合金,使其既有高硬度和高耐磨性的表面,又有強韌的基體,可提高刀具壽命和加工效率。
        以上各種超硬刀具,各自具有其非凡特性。隨著我國機械、電子、化工、航天航空工業的飛速發展和科學技術的不斷進步,這些新型的超硬刀具將越來越廣泛地應用于我國生產的各個領域,并將帶來更大的經濟效益。

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