機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計——刀具材料分析以及新型高效刀具設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p>　　ABSTRACT4</p><p><b>　　第一章 前言5</b></p><p>　　1.1研究背景、意義及問題的提出5</p><p

2、>　　1.2研究現(xiàn)狀及存在的問題5</p><p>　　1.3 研究手段、方式、方法6</p><p>　　1.4研究取得的成果及意義6</p><p>　　第二章 刀具材料以及刀具結(jié)構(gòu)的發(fā)展8</p><p>　　2.1 刀具材料的新發(fā)展及實用前景8</p><p>　　2.2 高速切削的發(fā)展11&

3、lt;/p><p>　　2.3 我國金屬切削刀具的發(fā)展12</p><p>　　第三章 硬質(zhì)合金刀具材料分析研究14</p><p>　　3.1刀具材料的大致分類14</p><p>　　3.1.1刀具材料的分類14</p><p>　　3.1.2硬質(zhì)合金分類及標志15</p><p>　

4、　3.2硬質(zhì)合金刀具材料的幾種改良方向17</p><p>　　3.2.1 硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展思路22</p><p>　　3.2.2 硬質(zhì)合金刀具材料小結(jié)26</p><p>　　第四章 高速鋼刀具材料分析研究27</p><p>　　4.1 對高速鋼材料的分析27</p><p>　　4.2高速鋼刀具

5、材料的分類30</p><p>　　4.2.1高性能高速鋼30</p><p>　　4.2.2 粉末冶金高速鋼31</p><p>　　4.2.3低合金高速鋼的發(fā)展及其不足32</p><p>　　4.2.4 涂層高速鋼優(yōu)勢及發(fā)展33</p><p>　　4.3 高速鋼刀具材料的發(fā)展35</p>

6、<p>　　第五章 關(guān)于可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計37</p><p>　　5.1什么是可轉(zhuǎn)位刀具37</p><p>　　5.1.1刀具的組成38</p><p>　　5.1.2 刀具的結(jié)構(gòu)38</p><p>　　5.2設(shè)計中要注意哪些地方41</p><p>　　5.3 設(shè)計的程序42</

7、p><p>　　5.3.1總體方案的制定43</p><p>　　5.3.2刀具角度的形成49</p><p>　　5.3.3刀片的選用及其定位和夾緊50</p><p><b>　　第六章總結(jié)57</b></p><p><b>　　致謝58</b></p&g

8、t;<p><b>　　參考文獻59</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計小結(jié)62</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　制造業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱，機械制造是發(fā)展先進制造技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，而金屬切削技術(shù)及刀具是機械制造的主要工藝,本論文主要論述

9、金屬的切削加工性及刀具設(shè)計的一般過程和步驟。</p><p>　　機夾可轉(zhuǎn)位刀具的切削性能首先取決于刀具材料，其次是幾何形狀、表面強化、熱處理、質(zhì)量保證等。合理選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀具使用性能的先決條件。根據(jù)具體的刀具品種，結(jié)合具體的加工對象來選擇合適的刀具材料，同時又根據(jù)已知刀具材料的性能選擇合適的切削參數(shù)，這樣才能獲得最佳的切削效果。</p><p>　　本文綜合了

10、現(xiàn)今主要切削材料的加工性，以資料分析形式有針對性地做了關(guān)于硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料的論述，便于設(shè)計人員參考、選用。</p><p>　　本文以車刀為代表，介紹了一般可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計過程和設(shè)計原則。因為刀片是構(gòu)成刀具的功能元件，刀具的切削性能都取決于所設(shè)計刀片的性能，所以文中詳細介紹了刀片的設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和各種幾何參數(shù)的設(shè)計，并附有參考資料。</p><p>　　關(guān)鍵詞：刀具，設(shè)

11、計，材料</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The manufacturing industry is the pillar of a national economy , the mechanical manufacturing is the premise and foundations to develop the adv

12、anced manufacturing technology, technology of metal-cutting and cutting tool are main craft of the mechanical manufacturing.This thesis mainly treat of the performance of metals machining and the general process and step

13、s that how to design the cutting tool.</p><p>　　Performance of the cutting toolthat is clamped in machine and can be turned is determined by the material first, the next are the shape of geometry、 surfaces s

14、trengthende、heat treatment ect.. The first step to manufacture cutting tool is to choice material reasonablely ,it is also the precondition to determine the performance .To choose appropriate materials according to the

15、concrete style of cutting tool and combining to the object , at the same time to choose appropriate cutting parameter acc</p><p>　　In this text,I synthesize mainly performance of the cutting material nowaday

16、s and high-speed steel blade material with analysis of data, aim to make it easy to reference, choose to use for designer.</p><p>　　In this treatise,I take the turning tool as the representative, and introdu

17、cing the process and principles when we design cutting tool. Performance of the cutting tool is determined by performance of the blade we design, because the blade is a function component, so in this treatise I introduc

18、ed blade designing , including the design of the structure and various several parameter of geometry and some references. </p><p>　　Keywords: cutting tool, design, material</p><p><b>　　第

19、一章 前言</b></p><p>　　1.1研究背景、意義及問題的提出</p><p>　　在人類社會開始邁入21世紀的時候，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以及制造技術(shù)為先導(dǎo)的先進制造技術(shù)（Advanced Manufacturing Technology）正以前所未有的速度向前發(fā)展。20世紀后半葉微電子、計算機技術(shù)、信息工程、材料工程以及生物工的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)即先進制造技術(shù)，并顯示出對社會經(jīng)濟

20、發(fā)展的巨大推動作用。因而首先被世界上發(fā)達國家列為重點支持發(fā)展的領(lǐng)域，并把制造科學(xué)與信息科學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)一起列為當(dāng)今四大支柱科學(xué)。</p><p>　　在制造業(yè)的整個體系中，機械制造業(yè)是向所有制造業(yè)提供技術(shù)裝備的行業(yè)，因此發(fā)展機械制造技術(shù)是發(fā)展先進制造技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，被放在優(yōu)先發(fā)展的地位。正是在以上科技發(fā)展的大背景中，作為機械制造業(yè)最為重要的刀具的材料得到了迅速的發(fā)展。</p><p&

21、gt;　　得制造業(yè)者得天下。我國的制造業(yè)還算不上非常發(fā)達，特別是在機械制造業(yè)最為重要的刀具的材料方面，還存在著許許多多的問題。</p><p>　　這就給我們提出了一個新的挑戰(zhàn)：在新的發(fā)展形勢下，我國刀具材料的發(fā)展的大方向該是什么？具體又該重點發(fā)展哪些技術(shù)？本文將與大家逐步探討這些問題。</p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀及存在的問題</p><p>　　切削加工是

22、現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為80%~85%，而在國內(nèi)這一比例則高達90%。</p><p>　　刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機床，還是先進的數(shù)控機床（NC），加工中心（MC）和柔性制造系統(tǒng)（FMC），都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）在一項研究報告中指出：“由于刀具材料

23、的改進，允許的切削速度每隔10年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀初的高速鋼，硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷，超硬材料等，耐熱溫度已由500~600℃提高到1200℃以上，允許切削速度已超過1000m/min，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時間提高了100多倍。因此可以說，刀具材料的發(fā)展歷程實際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。</p><p><b>　　以上材料說明兩點：</b></

24、p><p>　　1、刀具材料在制造業(yè)中占有非常非常重要的位置，可以說刀具材料的發(fā)展已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的第一大推動力。</p><p>　　2、切削加工在我國制造業(yè)中多達90%的比重更加凸顯了刀具材料對我國制造業(yè)乃至國民經(jīng)濟的重要性。</p><p>　　我國的刀具材料在過去的時間里已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，在某些領(lǐng)域甚至達到了國際先進水準，可在總體發(fā)面依然落后于世界頂尖水平

25、。要振興我國制造業(yè)，刀具材料的改進發(fā)展乃是基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.3 研究手段、方式、方法</p><p>　　刀具材料正處在一個發(fā)展迅速，日新月異的時期。各種新的刀具材料如雨后春筍，層出不窮。那以哪種為標準來進行衡量測評才更具有代表性意義呢？我查閱了大量資料后決定以硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料這兩種應(yīng)用廣泛的“刀具材料主力部隊”作為主要的研究對象，希望能通過對它們的發(fā)展

26、歷史和現(xiàn)狀的研究分析來得出我國刀具材料以后可能的發(fā)展路線。</p><p>　　由于目前我搜集到的關(guān)于這兩種刀具材料的資料不少，我決定選出其中具有前沿性和代表性的資料，以資料分析的方式來進行研究，得出自己的看法和結(jié)論。</p><p>　　1.4研究取得的成果及意義</p><p>　　由上述材料可見刀具材料正處在一個發(fā)展迅速，日新月異的時期。相對于開發(fā)全新的刀具材

27、料，對現(xiàn)有材料進行改進，使其在性能上去蕪存菁無疑是更為實際和經(jīng)濟的做法。對新材料的開發(fā)不能放松，而發(fā)展和改進現(xiàn)有的有著悠久使用歷史和大量使用經(jīng)驗的刀具材料更具有現(xiàn)實意義。</p><p>　　有鑒于此，本文通過分析對硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料的改進提出了一些切實的建議，并對其未來發(fā)展方向做了合理的推測，這對我國在刀具材料方面的進步具有一定的理論指導(dǎo)意義。</p><p>　　第二章

28、刀具材料以及刀具結(jié)構(gòu)的發(fā)展</p><p>　　2.1 刀具材料的新發(fā)展及實用前景</p><p>　　實踐證明，在影響金屬切削技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，刀具材料的發(fā)展起著</p><p>　　決定性的作用。近些年來各種刀具材料的性能都有明顯的改善，并在實際應(yīng)用中顯示出很好的效果。</p><p>　　當(dāng)今刀具材料發(fā)展的特點可以歸納為以下幾方面：

29、</p><p>　　1、硬質(zhì)合金刀具材料仍然是應(yīng)用最廣的刀具材料，也是各國工具制造廠商著力發(fā)展的刀具材料，因而應(yīng)用的廣度和深度都有顯著進展。硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具幾乎覆蓋了所有的刀具品種，進一步取代高速鋼刀具，并且由于材料性能和制造技術(shù)的提高，其切削性能得到了很大改善。</p><p>　　2、冶金粉末高速鋼逐步得到發(fā)展，整體水平迅速提高，應(yīng)用范圍迅速擴大，特別是制造大尺寸的復(fù)雜刀具。但高速

30、鋼整體的市場占有率呈下滑趨勢。</p><p>　　高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐，麻花鉆，齒輪刀具，拉刀，小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性，耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求；此外，高速鋼材料中的一些主要元素（如鎢）的儲藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計其儲量只能夠再開采使用40~60年，因此高速鋼材料面臨嚴峻的發(fā)展危機。</p>

31、;<p>　　3、氮化硅陶瓷和涂層氮化硅陶瓷的開發(fā)。由于微粉技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)、氣體加壓燒結(jié)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)了氮化硅陶瓷和晶須增強陶瓷及涂層氮化硅陶瓷等材料，改善了陶瓷的脆性和抗熱振能力，也提高了耐磨性和韌性，擴大了陶瓷刀在鑄鐵、淬火鋼等加工領(lǐng)域的應(yīng)用。</p><p>　　與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度，紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10~20倍

32、，其紅硬制比硬質(zhì)合金高2~6倍，且化學(xué)穩(wěn)定性，抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點是脆性達，橫向斷裂強度低，承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進行改進的重點。</p><p>　　新型陶瓷刀具的應(yīng)用分析由于陶瓷刀具具有耐用性、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性好的性能,因此,適用于干切削加工鑄鐵和悴火鋼,以及適于現(xiàn)代高速切削工藝的要求。制造業(yè)是產(chǎn)生環(huán)境污染的主要根源,而利用現(xiàn)有刀具材料的優(yōu)勢探索干切削新工藝,

33、是未來金屬切削發(fā)展的趨勢之一。近年來,特別是工業(yè)發(fā)達國家,非常重視干式切削,為了貫徹環(huán)保政策,更是大力研究、開發(fā)和實施這種新型加工方法。長期以來,應(yīng)用切削液一直是提高刀具壽命和加工質(zhì)量的重要工藝因素,但也導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化,而且也增加了制造成本。根據(jù)美國企業(yè)的統(tǒng)計,在冷卻加工系統(tǒng)中,切削液占總成本的14%～16%,刀具成本占2%～4%。因此,美國、德國、日本等經(jīng)濟發(fā)達國家都非常重視干式加工的研究。據(jù)測,一般情況下,如減少切削液的使用可

34、以節(jié)省10%～15% 的加工成本。因此,未來切削加工的發(fā)展方向是盡量少用切削液。干式切削刀具設(shè)計時,應(yīng)該考慮刀具的幾何角度、刀具材料、刀片涂層等,而陶瓷和金屬陶瓷刀具具有耐熱性、高溫硬度、化學(xué)穩(wěn)性好的特點,因此,適合于干式切削鑄鐵和淬硬鋼。[1]</p><p>　　賽隆陶瓷以Si3N4為硬質(zhì)相, A12O3為耐磨相, 是氮化鋁、 氧化鋁和氮化硅的混合物, 在1800℃進行熱壓燒結(jié)而成的一種單相陶瓷材料, 具有很

35、高的強度, 抗彎強度達到1050～ 1450MPa, 比Al2O3陶瓷刀具都高, 其斷裂韌性也是幾種陶瓷刀具中最高, 其沖擊強度遠勝于一般陶瓷刀具而接近涂層硬質(zhì)合金刀具。Sialon陶瓷刀具具有良好的抗熱沖擊性能。Si3N4相比, Sialon陶瓷刀具的抗氧化能力、 化學(xué)穩(wěn)定性、 抗蠕變能力與耐磨性能更高, 耐熱溫度高達1300℃以上, 具有較好的抗塑性變形能力, 其沖擊強度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具。Sialon陶瓷可成功地用于鑄鐵、 鎳

36、基合金、 鈦基合金和硅鋁合金的高速切削、 強力切削、 斷續(xù)切削加工, 是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。[2]</p><p>　　4、鈦基硬質(zhì)合金（原稱金屬陶瓷）性能的改善以及涂層鈦基硬質(zhì)合金的開發(fā)。它使高速精加工領(lǐng)域和淬火鋼等難加工領(lǐng)域的切削速度和切削效率提高。而涂層鈦基硬質(zhì)合金的開發(fā)將是繼涂層硬質(zhì)合金、涂層高速鋼之后，刀具材料領(lǐng)域的又一新發(fā)展，將成為在高速精加工和半精加工領(lǐng)域一種通用的刀具材料，使這一

37、加工領(lǐng)域的效率和質(zhì)量又上一個臺階。以納米 Al2O3 為添加相，以Ti(C0.7N0.3)為基體的金屬陶瓷刀具材料，材料的體系為：Ti(C0.7N0.3)-(Ni-Mo)-Cr2C3-Al2O3-MgO，實驗證明由于 Ti(C0.7N0.3)和 Al2O3 具有良好的物理和化學(xué)的匹配性，所以材料的力學(xué)性能較好，特別是硬度和斷裂韌性有明顯的提高，硬度最大為 21 GPa，斷裂韌性最大為 9.95 MPa·m1/2，克服了 Ti(

38、C0.7N0.3為基體的金屬陶瓷的硬度和斷裂韌性低的缺點，使材料適合做刀具。 晶粒的細化和斷裂模式的改變是材料力學(xué)性能提高的主要原因。比較而言，Al2O3 的含量為8%~12% （質(zhì)量分數(shù)） ， 材料的綜合力學(xué)性能比較好Al2O3 的含量 12%時的力學(xué)性能：強度 900 MPa，硬度 17</p><p><b>　　5、超硬材料</b></p><p>　　金剛石

39、是碳的同素異構(gòu)體, 它是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、 高耐磨性和高導(dǎo)熱性能, 在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中, 諸如轎車發(fā)動機缸體、 缸蓋、 變速箱和各種活塞等的加工中, 金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具。近年來, 隨著數(shù)控機床的普遍應(yīng)用和數(shù)控加工技術(shù)的迅速發(fā)展, 可實現(xiàn)高效率、 高穩(wěn)定性、 長壽命加工的金剛石刀具的應(yīng)用日漸普及, 金剛石刀具已成為現(xiàn)代數(shù)控加工中不

40、可缺少的重要工具。</p><p>　　金剛石刀具有兩種, 單晶金剛石刀具和多晶金剛石刀具, 多晶金剛石刀具包括聚晶金剛石( PCD)刀具和化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石刀具。單晶金剛石可分為天然單晶金剛石和人工合成單晶金剛石。天然單晶金剛石刀具是將經(jīng)研磨加工成一定幾何形狀和尺寸的單顆粒大型金剛石, 用焊接式、 粘接式、 機夾式或粉末冶金方法固定在刀桿或刀體上, 然后裝在精密機床上使用。天然單晶金剛石刀具經(jīng)過精細研

41、磨, 刃口能磨得極其鋒利, 刃口半徑可達 0.002μ m, 能實現(xiàn)超薄切削。再加上它與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小, 抗粘接性好, 與非鐵金屬無親和力, 熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱系數(shù)高等特點, 天然金剛石刀具可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度。因此, 天然金剛石刀具切削也稱鏡面切削, 天然金剛石刀具是一致公認的、 理想的和不能代替的超精密加工刀具。主要用于銅及銅合金、 鋁及鋁合金以及金、 銀等貴重金屬特殊工件的超精加工。單晶金剛石用于

42、制作切削刀具必須是大顆粒, 由于人工合成大顆粒單晶金剛石制造技術(shù)復(fù)雜, 生產(chǎn)率低, 制造成本高。目前, 單晶金剛石刀具絕大部分為天然單晶金剛石制成。設(shè)計和制造單晶金剛石刀具時, 必須正</p><p>　　由上述材料可見刀具材料正處在一個發(fā)展迅速，日新月異的時期。相對于開發(fā)全新的刀具材料，對現(xiàn)有材料進行改進，使其在性能上去蕪存菁無疑是更為實際和經(jīng)濟的做法。對新材料的開發(fā)不能放松，而發(fā)展和改進現(xiàn)有的有著悠久使用歷史

43、和大量使用經(jīng)驗的刀具材料更具有現(xiàn)實意義。尤其需要注重的就是硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料這兩種使用非常廣泛的材料。</p><p>　　2.2 高速切削的發(fā)展 </p><p>　　高速切削加工要求刀具材學(xué)親合力要小, 并具有優(yōu)異的機沖擊和耐磨損。目前國內(nèi)外適用料主要有: 陶瓷刀具、 金剛石刀刀具、 涂層刀具等。[7]</p><p>　　在高速切削的發(fā)展歷程中,

44、 切削刀具技術(shù)已發(fā)生很大變化,高速切削對刀具性能不斷提出更高的要求。新材料新工藝不斷出現(xiàn), 要求刀具綜合性能不斷提高, 以保證加工質(zhì)量, 降低生產(chǎn)成本, 提高生產(chǎn)效率。 目前國內(nèi)高速切削所使用的陶瓷刀具、 金剛石刀具、立方氮化硼刀具以及涂層刀具各有優(yōu)點,適用于不同的材料和速度范圍。高性能、 高可靠性、 高強度以及高耐熱、抗震性能的刀具是高速切削刀具發(fā)展的重點, 納米復(fù)合與涂層、 剃度功能和多種增韌增強協(xié)同作用的刀具材料將是高速刀具研究的

45、發(fā)展方向[8]。</p><p>　　2.3 我國金屬切削刀具的發(fā)展</p><p>　　我國工具行業(yè)從“六五”開始結(jié)合技術(shù)引進進行技術(shù)改造，后又經(jīng)過“七五”“八五” 引進和改造取得了顯著的技術(shù)進步，開發(fā)出一批具有八、九十年代的技術(shù)水平的新產(chǎn)品。在硬質(zhì)合金刀具方面引進了具有八十年代水平的硬質(zhì)合金材料牌號、可轉(zhuǎn)位刀具和整體硬質(zhì)合金刀具制造技術(shù)，初步建立了數(shù)控刀具及工具系統(tǒng)生產(chǎn)點。此外，鈦基硬

46、質(zhì)合金、、CBN、PCD等超硬材料刀具已經(jīng)推廣應(yīng)用，可轉(zhuǎn)位刀具的推廣工作也取得了顯著成績。與此同時，我國在刀具CVD、PVD涂層工藝及裝備的研究開發(fā)工作方面取得了較大的進展，多元復(fù)合的CVD工藝和國產(chǎn)裝備已進入實用階段。硬質(zhì)合金刀具的PVD涂層和TiCN涂層工藝的科研工作 也取得階段性成績。設(shè)計方面，刀具的CAD/CAM科研工作結(jié)合技術(shù)引進已應(yīng)用在數(shù)控刀具的開發(fā)生產(chǎn)中；可轉(zhuǎn)位刀片斷屑槽形和模具的CAD/CAM技術(shù)精“八五”攻關(guān)在基礎(chǔ)理論

47、和 實用技術(shù)兩方面均有所突破，開發(fā)了我國自己的通用槽形系列。在配套的刀具使用方面，我國已初步建立了金屬切削數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了刀具磨損、破損監(jiān)控技術(shù)和使用儀器。此外，隨著經(jīng)濟體制改革，一些工具企業(yè)面向用戶開發(fā)“量體裁衣”的非標產(chǎn)品，承接生產(chǎn)線成套刀具開發(fā)項目，朝著</p><p>　　我國工具工業(yè)的發(fā)展和切削技術(shù)的進步，提高了我國切削加工的水平，但是與國外先進水平相比，我國的金屬切削技術(shù)和刀具產(chǎn)品的水品還很低，存在著很

48、大的差距，我國切削加工的效率只相當(dāng)于國外七十年代的水平，我國的金屬切削技術(shù)和刀具的現(xiàn)狀已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的需要，并將直接影響機械、汽車工業(yè)振興規(guī)劃的實現(xiàn)。我們必須加快發(fā)展金屬切削技術(shù)，提高刀具產(chǎn)品的水平。</p><p>　　可以這么說，我國金屬切削的水平距離德國這類機械加工強國還是有一定差距的，我有兩個去德國留學(xué)的同學(xué)，據(jù)他們所說（都是咱西工大的學(xué)生，應(yīng)該有些可信度吧），撇開刀具材料，光是刀具的熱處

49、理這一項上，我們就處在了需要努力追趕的位置。正是因為這樣，我們才更應(yīng)該加緊加快在這方面的研究，迎頭趕上，通過我們的努力，讓中國真正成為一個制造業(yè)方面的強國。</p><p>　　第三章 硬質(zhì)合金刀具材料分析研究</p><p>　　3.1刀具材料的大致分類</p><p>　　刀具的切削性能首先取決于刀具材料，其次是幾何形狀、表面強化、熱處理、質(zhì)量保證等。合理選擇刀

50、具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀具使用性能的先決條件。根據(jù)具體的刀具品種，結(jié)合具體的加工對象來選擇合適的刀具材料，同時又根據(jù)已知刀具材料的性能選擇合適的切削參數(shù)，這樣才能獲得最佳的切削效果。</p><p>　　3.1.1刀具材料的分類</p><p>　　刀具材料通常分為六大類，包括若干系列。具體如下：</p><p><b>　?。?）工具鋼：&l

51、t;/b></p><p><b>　　碳素工具鋼</b></p><p><b>　　合金工具鋼</b></p><p><b>　　高速工具鋼：</b></p><p><b>　　通用高速鋼</b></p><p>&l

52、t;b>　　高性能高速鋼</b></p><p><b>　　粉末高速鋼</b></p><p><b>　　低合金高速鋼</b></p><p><b>　　涂層高速鋼</b></p><p><b>　　（2）硬質(zhì)合金：</b><

53、;/p><p><b>　　W基硬質(zhì)合金：</b></p><p><b>　　普通硬質(zhì)合金</b></p><p><b>　　超微粒硬質(zhì)合金</b></p><p><b>　　涂層硬質(zhì)合金：</b></p><p><b&g

54、t;　　單涂層</b></p><p><b>　　多涂層</b></p><p><b>　　Ti基硬質(zhì)合金</b></p><p>　?。?）陶瓷刀具材料：</p><p><b>　　純氧化鋁陶瓷</b></p><p><b&g

55、t;　　混合陶瓷：</b></p><p><b>　　氧化鋁-金屬系陶瓷</b></p><p>　　氧化鋁-碳化物系陶瓷</p><p>　　氧化鋁-碳化物-金屬系陶瓷</p><p><b>　　氮化硅陶瓷</b></p><p>　?。?）多晶復(fù)合立方氮化

56、硼</p><p><b>　?。?）金剛石：</b></p><p><b>　　天然單晶金剛石</b></p><p><b>　　多晶復(fù)合人造金剛石</b></p><p>　?。?）其他：鑄造合金、難熔硬化物等</p><p>　　現(xiàn)今刀具材料的

57、發(fā)展勢頭異常迅猛，以上粗淺的分類方法只是個大概，并不能涵蓋所有已經(jīng)出現(xiàn)的刀具材料。我們先弄清大致的分類，心中對刀具材料有個籠統(tǒng)的了解，對主要研究方向的確立業(yè)有一定的幫助。</p><p>　?。恚荷鲜龇诸惒⒉皇前凑胀环N標準，比如高速鋼的分類，就是好幾種分類標準，現(xiàn)在也都羅列了出來）</p><p>　　3.1.2硬質(zhì)合金分類及標志</p><p>　　按GB20

58、75—87(參照采用190標準)可分為P、M、K三類，P類硬質(zhì)合金主要用于加工長切屑的黑色金屬，用藍色作標志；M類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標志，又稱通用硬質(zhì)合金，K類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，用紅色作標志。</p><p>　　P、M、K(后面的阿拉伯?dāng)?shù)字表示其性能和加工時承受載荷的情況或加工條件。數(shù)字愈小，硬度愈高，韌性愈差。</p><p>　

59、　P類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉆類，主要成分為WC十TiC十Co，代號為YT。</p><p>　　K類相當(dāng)于我國原鎢鉆類，主要成分為WC十Co，代號為YG。</p><p>　　M類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為WC+TiC+TaC(NbC)十Co，代號為YW。</p><p>　　YG類（≈ISO的K類）：數(shù)字越大韌性越好；切鑄鐵、有色金屬、非金屬、高溫合金

60、</p><p>　　YT類（≈ISO的P類）：數(shù)字越小韌性越好；切碳素鋼、合金鋼</p><p>　　YW類（≈ISO的M類）：數(shù)字越大韌性越好；切耐熱鋼、不銹鋼、普通鋼和鑄鐵</p><p>　　YN類：數(shù)字越大韌性越好；切鋼和鑄鐵</p><p>　　粗加工：選韌性好、耐沖擊的材料</p><p>　　精加工：選

61、硬度高、耐高溫、細晶粒的材料</p><p><b>　　牌號與選擇：</b></p><p>　　表3-1 幾種常用的硬質(zhì)合金牌號、性能及使用范圍</p><p>　　3.2硬質(zhì)合金刀具材料的幾種改良方向</p><p>　　硬質(zhì)合金刀具材料在現(xiàn)代刀具材料中占有重要地位。比高速鋼有更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性

62、等?？梢员雀咚黉摮蓴?shù)倍的提高切削速度、生產(chǎn)效率及使用壽命。應(yīng)用范圍極廣。</p><p>　　硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強韌性不易兼顧，因此使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面：&

63、lt;/p><p><b>　?。?）細化晶粒</b></p><p>　　通過細化硬制相晶粒度，增大硬制相晶間表面積，增強晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度，韌性，強度，耐磨性等均可提高，達到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5µm，細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為１～１.５

64、1;m（微米級），超細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達０.５µm以下（亞微米，納微米）。超細晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比，硬度可提高２ＨＲＡ以上，抗彎強度可提高６００～８００ＭPa。</p><p>　　常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法，化學(xué)氣相沉積法，等離子沉積法，機械合金化法等。等徑側(cè)向擠壓法（ＥＣＡＥ）是一種很有發(fā)展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中，并沿某一與擠壓方向不

65、同（也不相反）的方向擠出，且擠壓時的橫截面積不變。經(jīng)過ＥＣＡＥ工藝加工的粉體晶?？擅黠@細化。</p><p>　　由于上述晶粒細化工藝方法仍不夠成熟，因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒，而晶粒普遍長大將導(dǎo)致材料強度下降，單個的粗大ＷＣ晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面，細晶粒硬質(zhì)合金的價格較為昂貴，對其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用。</p><p>　　此種方法是通

66、過細化晶粒來達到提高性能的目的，但目前的狀況是相對成熟的技術(shù)不經(jīng)濟，相對經(jīng)濟的技術(shù)不成熟，但這是個很有希望很有前途的研究方向，納米技術(shù)等尖端技術(shù)的發(fā)展也將推動這個方向的研究。不遠的將來，人們一定會研究出既經(jīng)濟又實用的細化晶粒技術(shù)。</p><p><b>　?。ǎ玻┩繉佑操|(zhì)合金</b></p><p>　　在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過ＣＶＤ（化學(xué)氣相沉積），ＰＶＤ

67、（物理氣相沉積），ＨＶＯＦ（Ｈigh Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying）等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。</p><p>　　涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高，通用性好，用于小批量，多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損

68、能力強，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化，精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。</p><p>　　上述特點決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于ＦＭＳ，ＣＩＭＳ（計算機集成制造系統(tǒng)）等自動化加工設(shè)備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料性和抗沖擊性較差的問題。</p><p>　　目前

69、TiN是涂層刀具使用的主要涂層,但傳統(tǒng)的氮化物涂層 (如TiN)硬度較低 ,耐磨性較差 ,尤其熱穩(wěn)定性差,限制了其在干式切削刀具中的應(yīng)用。[9]</p><p>　　TiN涂層的改進工作主要集中在新的TiN基合金和多元復(fù)合層 ,希望得到多元素組合的耐磨、 耐高溫涂層。通過引入合金元素 (如Al、Zr、Cr、V等 )到TiN涂層 ,形成新的多元涂層體系 ,可提高涂層硬度 ,改善涂層的抗磨損性和熱穩(wěn)定性。[10]&l

70、t;/p><p>　　目前將Al原子植入TiN晶格間形成的新型TiAlN涂層 ,已成為全球制造業(yè)中使用最廣泛的刀具涂層之一。由于多元復(fù)合涂層綜合利用各種涂層成分的優(yōu)點 ,使其獲得更好的綜合性能 ,保證了非常好的耐磨性和韌性 ,減少積屑瘤的形成 ,并具有抗機械沖擊和抗熱沖擊性能 ,刀具壽命可大大提高。[11]</p><p>　　研究者采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍 PVD涂層工藝制備了 Ti

71、N、 Ti Al N、Ti N2 MoS2 和 CrTi Al N復(fù)合涂層 ,對涂層的力學(xué)性能與切削性能比較試驗研究表明：</p><p>　　1) 納米壓入分析得到 4種刀具涂層的納米硬度大小排序為: CrTi Al N > Ti Al N > Ti N > Ti N2 MoS2 ,涂層的彈性模量與硬度成正比關(guān)系。</p><p>　　2) 在干式切削條件下 ,鉆削 P

72、Cr Ni 3MoVA鋼時 ,涂層刀具的切削壽命長短排序為: CrTi Al N > Ti N2MoS 2 > Ti Al N > Ti N,表明多元復(fù)合涂層的切削性能明顯優(yōu)于單純的 Ti N涂層 ,是未來涂層刀具的發(fā)展方向。[11]</p><p>　　30余年來，涂層技術(shù)不斷發(fā)展， 表面涂層硬質(zhì)合金刀具的使用性能不斷提高，得到了廣泛應(yīng)用。過去，硬質(zhì)合金表面涂層以CVD 工藝為主，涂層溫度為

73、1000 ℃～1050 ℃；近年，PVD 工藝也在硬質(zhì)合金刀具涂層上得到廣泛應(yīng)用， 涂層溫度約為500 ℃。PVD工藝溫度低，硬質(zhì)合金刀具切削毋須鈍化，故刃口更鋒利；且表面殘余應(yīng)力小，從而能承受沖擊性負荷（如銑刀）。早期，硬質(zhì)合金刀具表面涂層以單層為主，涂層材料用 TiC、TiN、Al2O3、TiCN 等。現(xiàn)在多用三層、雙層或更多的層數(shù),是上述4 種材料的組合。如CVD工藝，常用TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、T

74、iCN/Al2O3/TiN；PVD工藝，常用TiAIN/TiN，有時也用TiAIN或TiCN單層。TiAIN是后來發(fā)展起來的涂層材料，性能領(lǐng)先。[12]</p><p>　　溶膠- 凝膠法是一種借助于膠體分散系的制粉方法,基本原理為:金屬醇鹽、水、醇及必要的催化劑組成溶液, 經(jīng)水解縮聚形成濕凝膠, 濕凝膠經(jīng)過干燥、熱處理,然后破碎得到超細粉末。在溶膠形成后也可以直接做成薄膜或纖維。</p><

75、p>　　圖3-1典型的溶膠-凝膠工藝流程</p><p>　　溶膠-凝膠法的應(yīng)用越來越廣闊, 許多粉末制備的技術(shù)已投入到實際生產(chǎn)應(yīng)用。現(xiàn)在和今后的研究仍集中在新的粉末體系的制備。 采用金屬醇鹽、 絡(luò)合物溶膠制備復(fù)合材料, 通過加入絡(luò)合劑調(diào)節(jié)水解合醇解活性, 達到不同金屬離子共沉積的目的。溶膠-凝膠法制粉過程中防止粉末團聚、提高粉末的熱穩(wěn)定性問題也是一個研究的重要課題。溶膠- 凝膠法作為一種化學(xué)合成方法, 解

76、決了CVD和 PVD 涂層時涂層與基體間的界面結(jié)合強度低而涂層容易剝落的問題, 但溶膠-凝膠工藝迄今還沒形成工業(yè)生產(chǎn), 它還有一些缺點和不足之處, 如原料成本高, 處理過程中收縮量大, 有機液對人的健康有害, 處理時間長等。因此, 溶膠- 凝膠法是一種值得進一步研究的有潛力的制備硬質(zhì)合金涂層刀具的方法。[13]</p><p>　　此種方法類似于我國古代鑄造青銅劍時的分段鑄制法，即把劍身和劍刃分別鑄造，劍身使用相

77、對柔韌的材料，劍刃使用硬度較高的材料，以使劍鋒利而不易折。可正如同再好的青銅劍也不如鋼劍一樣，涂層硬質(zhì)合金刀具的使用范圍也有限，而且只是改變了表面的性能，所以更好的解決辦法還是提高硬質(zhì)合金刀具材料自身的性能。如何解決硬質(zhì)合金刀具材料耐磨性與強韌性的矛盾還將會是重要的研究課題。</p><p>　?。ǎ常┍砻?，整體熱處理和循環(huán)熱處理</p><p>　　對強韌性較好的硬質(zhì)合金表面進行滲氮，滲

78、硼等處理，可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質(zhì)合金進行整體熱處理，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度，從而提高硬質(zhì)合金的強度和韌性。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。</p><p>　　熱處理永遠是讓材料獲得理想性能的一個重要途徑。好的熱處理可以讓材料脫胎換骨。不僅是對硬質(zhì)合金而言。加深理論方面的研究和做好試驗跟進，是提高熱處理的技術(shù)

79、的重要手段。</p><p><b>　?。?）添加稀有金屬</b></p><p>　　在硬質(zhì)合金材料中添加TaC.NbC等稀有金屬炭化物，可使添加物與原有硬質(zhì)相WC，TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)，從而進一步強化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大，增強組織均勻性等作用，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能有益處。在ISO標準的P，K，M類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了Ta

80、(Nb)C的硬質(zhì)合金（尤以M類牌號中較多）。</p><p>　　添加稀有金屬碳化物是提高性能的方法之一，同時也提高了成本。但在某些場合，它確實能解決問題。多多加強此方面的實驗，找到經(jīng)濟與性能的平衡點是這種方法的發(fā)展方向。</p><p><b>　?。?）添加稀土元素</b></p><p>　　在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提

81、高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強化硬質(zhì)相，凈化晶界，并改善炭化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適應(yīng)粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號。此外，該類硬質(zhì)合金在礦山工具，頂錘，拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。</p><p>　　這種技術(shù)很適合我國的國情，白云鄂博的稀土藏量巨大，我國有條件也有能力在這方

82、面做出突破，拉近和發(fā)達國家的技術(shù)水平差距。</p><p>　　3.2.1 硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展思路</p><p>　　應(yīng)用晶須增韌補強，納米粉復(fù)合強化技術(shù)全面提高硬質(zhì)合金刀具材料的硬度，韌性等綜合性能，是硬質(zhì)合金刀具材料研究今后發(fā)展的重要方向。</p><p>　?。ㄒ唬┚ы氃鲰g補強技術(shù)</p><p><b>　?。?）增韌

83、機理</b></p><p>　　由于硬質(zhì)合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此很難應(yīng)用于一些對刀具韌性要求叫高的加工場合（如微型深孔鉆削等）。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補強技術(shù)。</p><p>　　加入硬質(zhì)合金材料中的晶須能吸收裂紋擴展的能量，吸收能量的大小則由晶須與基體的結(jié)合狀態(tài)決定。晶須增韌機制主要表現(xiàn)為：</p><p>　　1）晶須在

84、外界負載作用下從基質(zhì)中拔出時，因界面摩擦而消耗掉一部分外界負載能量，從而達到增韌目的，其增韌效果受晶須與界面滑動阻力的影響。晶須與基體界面之間必須有足夠的結(jié)合力，以使外界負載能有效傳遞給晶須，但該結(jié)合力又不能太大，以便保持足夠的拔出長度。</p><p>　　2）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相時，裂紋將偏離原來的前進方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴展。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有更大的斷裂

85、表面，因此可吸收更多外界能量，從而起到增韌作用。在基質(zhì)內(nèi)加入高彈性模量的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機制。</p><p>　　3）晶須橋接增韌：當(dāng)基質(zhì)發(fā)生微小斷裂時，晶須可承受外界載荷并在斷開的裂紋面之間起到橋梁連接作用。橋接的晶須可對基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。</p><p>　?。?）晶須的選用及添加方式</p><p>　

86、　目前常用的晶須材料主要有SiC,TiC,TiB2,AL203,MgO,氮化硼，莫來石等。但研究重點應(yīng)放在單晶SiC晶須上，這是由于SiC本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀（針狀）SiC粉末體較易獲得。</p><p>　　SiC晶須的添加方式主要有兩種：</p><p>　　1）外加晶須方式：將一定量的SiC粉末加入以氧化物，氮化物等為基體的粉末材料中，通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方

87、式目前使用較廣泛。</p><p>　　2）合成晶須方式：將粉末基體與SiO2，碳黑，燒結(jié)助劑等混合后，在一定溫度和壓力合成SiC晶須，然后通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方法目前尚在進一步研究開發(fā)之中。一般選用SiCw晶須的直徑范圍為0.01~3µm，長度范圍為0.1~300µm。晶須的長徑比取值10。SiC晶須添加量為5%~40%。我國目前使用的SiCw晶體特性見表3-1。</p&

88、gt;<p>　　表3-2 SiCw晶須的特性</p><p>　?。?）晶須的取向與含量</p><p>　　晶須增韌硬質(zhì)合金材料熱壓成形后，晶須的分布呈現(xiàn)出明顯的方向性，在不同方向上因晶須取向不同而表現(xiàn)出不同的增韌效果。因此，在制造硬質(zhì)合金刀片時應(yīng)考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊?。此外，Ｗ?Co-SiCw材料中的晶須含量不同，其增韌效果也有較大差異。如晶須含量過多，會因

89、燒結(jié)困難而難以獲得致密度高的材料組織，從而影響硬質(zhì)合金材料強度；如晶須含量過少，則晶須增韌效果不明顯，材料斷裂韌性提高有限，晶須可能非但起不到增韌作用，反而成為多余夾雜物甚至缺陷源。因此，存在一個最佳晶須配比，按次配比添加晶須，不僅可獲得致密度高的材料，而且外載能通過界面?zhèn)鹘o晶須，有效是實現(xiàn)晶須的增韌作用。為達到此目的，應(yīng)根據(jù)刀具損壞方式的不同，分別優(yōu)選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的WC-Co-SiCw刀具進行切削加工，以充分實現(xiàn)這

90、種刀具材料的增韌補強作用。</p><p>　　這種技術(shù)的原理說簡單點，就是往硬質(zhì)合金的混凝土中添加晶須“鋼筋”，使其同時獲得硬度和韌性。在微觀條件下進行這種研究嘗試需要多次的實驗作為基礎(chǔ)，目前這種技術(shù)還未成熟。我認為隨著研究的不斷深入，這種技術(shù)會在不久的將來大面積的實用性推廣，與前幾種方法相比，這確實是改良硬質(zhì)合金性能的根本性方法。</p><p>　　（二）納米復(fù)合強化技術(shù)</p

91、><p><b>　?。?）強化機理</b></p><p>　　納米技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)當(dāng)材料的晶粒尺寸達到納米級，就會產(chǎn)生許多特異性能。由于納米材料具有較大界面，界面上的原子排列相當(dāng)混亂，在外力變形條件下極易遷移，因此使材料表現(xiàn)出良好的韌性與延展性。納米刀具材料的顯微結(jié)構(gòu)物具有納米級尺度，由于尺寸效應(yīng)的作用，晶界面積增大 ，抗裂紋擴張阻力提高，從而可獲得

92、優(yōu)異的力學(xué)性能（如斷裂韌性，抗彎強度，硬度等），表現(xiàn)出良好的切削性能。</p><p>　　由于生產(chǎn)工藝不成熟，價格昂貴以及燒結(jié)過程中納米晶粒容易發(fā)生瘋長等原因，迄今世界上還沒有一家公司實現(xiàn)100nm粒度硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，納米硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化應(yīng)用還有待時日。但是人們發(fā)現(xiàn)，在細晶粒硬質(zhì)合金基體中加入納米顆粒，也可使硬質(zhì)合金基體材料的硬度，韌性等綜合性能有較大提高。因此，采用納米復(fù)合強化使改善細

93、晶粒硬質(zhì)合金性能的有效途徑。</p><p>　　納米復(fù)合強化機理主要使因為彌散在硬質(zhì)合金基體材料中的納米顆粒具有彌散增韌作用。當(dāng)在基質(zhì)材料中加入高彈性模量的第二相粒子（納米顆粒）后，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉伸作用時將阻止橫向截面收縮，而要達到與基體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應(yīng)力，這樣就可以使材料消耗更多能量，起到增韌效果。同時，高彈性模量顆粒對裂紋可起到“釘扎”作用，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，繞道，從而耗散裂紋前進的

94、動力，起到增韌的作用。此外，彌散在硬質(zhì)合金基體材料中的納米顆粒可抑制硬質(zhì)合金晶粒在燒結(jié)過程中的長大，綜合提高硬質(zhì)合金材料的機械性能。</p><p><b>　?。?）抑制劑的選擇</b></p><p>　　制備納米復(fù)合晶粒硬質(zhì)合金時，一個重要問題是在燒結(jié)過程中如何抑制晶粒的長大。細晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時極易快速長大，晶粒長大會導(dǎo)致材料強度下降，單個的粗大WC晶粒常常

95、時硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。通過添加抑制劑能有效阻止燒結(jié)過程中WC晶粒的長大，而消除WC晶粒局部長大的關(guān)鍵在于抑制劑的均勻分布。晶粒長大現(xiàn)象主要發(fā)生WC的溶解沉淀過程中，即溶解在液相中并沉淀在較大WC晶體上而導(dǎo)致晶粒長大。抑制劑可抑制品粒長大的一個重要機理在于加入抑制劑可降低WC在粘結(jié)相中的溶解度，時WC晶粒的溶解一析出機制受到阻礙，從而破壞晶粒長大的條件；同時，加入的抑制劑可沉積在WC晶粒的活化長大晶粒上，從而組織晶粒進一步長大。&

96、lt;/p><p>　　通常用于控制WC晶粒長大的抑制劑VC，Cr3C2等，此外，添加的難溶炭化物還有TiC,ZrC,NbC,MozC,HfC,TaC等。由制備WC-X-20%Co（X為添加的炭化物）硬質(zhì)合金時（1400℃下燒結(jié)1小時）WC的平均晶粒度與各種炭化物單獨添加量之間的關(guān)系可見，各種炭化物抑制劑控制WC晶粒長大的效果順序為：VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC&g

97、t;ZrC>H,其中VC的抑制效果最明顯，而添加微量Mo2C和Cr3C2，則幾乎沒有抑制WC晶粒長大的作用。</p><p><b>　?。?）抑制添加方式</b></p><p>　　抑制劑的添加方式對超細硬質(zhì)合金性能影響極大。在添加量相同的條件下，以單質(zhì)形式加入抑制劑通?？墒褂操|(zhì)合金材料的孔隙度更高，晶粒更細；而以固溶體形式加入抑制劑時，硬質(zhì)合金材料的孔隙相

98、對較少，晶粒較粗。由按不同方式添加抑制劑的WC-8%Co硬質(zhì)合金的性能指標可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項性能指標較好，材料抗彎強度由較大提高。以VC為例，如以單質(zhì)形式添加，VC更容易溶解于Co相中，從而減少了W的溶解量；VC排列在WC/Co界面上，可阻止晶粒長大，并使晶粒生長不完整；在冷卻過程中，VC向WC晶粒擴散，形成（W，V）C固溶體，由于形成固溶體時間短，在晶粒內(nèi)造成較大微觀應(yīng)變，從而影響硬質(zhì)合金的機械物理性能。如以固

99、溶體形式添加VC抑制劑，WC，VC同時向Co相內(nèi)擴散，V的溶解量有所減少，而W的溶解量增加，孔隙充填更為容易，但同時也使VC的抑制作用下降；在冷卻過程中，由于部分VC已經(jīng)以（WW，V）的形式存在，使晶粒內(nèi)部的應(yīng)變減小，晶粒生長更趨完整，從而提高了硬質(zhì)合金的機械物理性能。</p><p>　　納米技術(shù)是目前比較前沿的技術(shù)，而通過納米技術(shù)改進硬質(zhì)合金的性能也大多停留在實驗室階段。上述的理論提出了通過添加納米微粒來改善

100、硬質(zhì)合金內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)，而由此引起的燒結(jié)期晶粒快速長大又必須通過添加碳化釩等抑制劑來控制。這是個非常好的構(gòu)想，但與晶須增韌技術(shù)相比，它的技術(shù)難度決定了它屬于將來。</p><p>　　3.2.2 硬質(zhì)合金刀具材料小結(jié)</p><p>　　硬質(zhì)合金刀具材料相比高速鋼刀具材料，它的優(yōu)點在于更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性等，可以滿足更高的切削速度，具有更長的壽命。但它的缺點也一樣明顯，那就

101、是韌性方面的缺失。這導(dǎo)致了使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料，造成了諸多不便?，F(xiàn)在硬質(zhì)合金的發(fā)展和改進的目標就在于能否成功融合耐磨性和韌性。在以上介紹的諸多改進方法中：</p><p>　　細化晶粒的技術(shù)不成熟</p><p>　　涂層硬質(zhì)合金是目前正在大量應(yīng)用的技術(shù)，有相當(dāng)好的效果</p><p>　　添加稀土金屬適合我國國

102、情，可以適度研究并推廣</p><p>　　晶須增韌補強標本兼治，值得大力研究發(fā)展</p><p>　　納米復(fù)合技術(shù)還不完善，也需要進行此方面的研究</p><p>　　以上就是我得出的結(jié)論，我國在發(fā)展普通硬質(zhì)合金的同時，也需要分重點做好上述技術(shù)的改進和革新。</p><p>　　第四章 高速鋼刀具材料分析研究</p><

103、p>　　4.1 對高速鋼材料的分析</p><p>　　高速鋼是一種含多量碳(C)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等元素的高合金鋼，熱處理后具有高熱硬性。當(dāng)切削溫度高達600℃以上時，硬度仍無明顯下降，用其制造的刀具切削速度可達每分鐘60米以上，而得其名。高速工具鋼主要用于制造高效率的切削刀具。由于其具有紅硬性高、耐磨性好、強度高等特性，也用于制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸承和高溫彈簧等。高

104、速工具鋼經(jīng)熱處理后的使用硬度可達HRC63以上，在600℃左右的工作溫度下仍能保持高的硬度，而且其韌性、耐磨性和耐熱性均較好。退火狀態(tài)的高速工具鋼的主要合金元素有多、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等元素。這類鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼，其主要的組織特征之一是含有大量的碳化物。鑄態(tài)高速工具鋼中的碳化物是共晶碳化物，經(jīng)熱壓力加工后破碎成顆粒狀分布在鋼中，稱為一次碳化物；從奧氏體和馬氏體基體中析出的碳化物稱為二次碳化物。這些碳化物

105、對高速工具鋼的性能影響很大，特別是二次碳化物，其對鋼的奧氏本晶粒度和二次硬化等性能有很大影響。碳化物的數(shù)量、類型與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，而碳化物的顆粒度和分布則與鋼的變形量有關(guān)。鎢、鉬是高速工具鋼的主要合金元素</p><p>　　量大面廣，強度高、韌性好、性能比較穩(wěn)定、工藝性好是高速鋼刀具材料的優(yōu)點。</p><p>　　由于高速鋼的牌號很多，要針對被切工件材料、刀具類型、使用條件來進行選擇

106、。一般選擇原則是：</p><p>　　一）當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較好時，應(yīng)以耐磨性、耐熱性為主。</p><p>　　二）當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性不足時，應(yīng)以韌性為主兼有耐熱性。</p><p>　　表4-1 常用機夾高速鋼刀具材料牌號、性能及適用范圍</p><p>　　1898年，美國機械與管理工程師泰勒(Taylor F.W.)和冶金學(xué)家懷特(Whit

107、e M.)研制發(fā)明了高速鋼，并作了系統(tǒng)切削試驗。當(dāng)時他們確定的高速鋼成分為C-0.67%，W-18.91%，Cr-5.47%，Mn-0.11%，V-0.29%，F(xiàn)-余量，與后來的W18Cr4V成分很接近。高速鋼刀具可用30m/min的速度切削鋼材，其效率比過去用的碳素工具鋼和合金工具鋼提高了好幾倍，為美國當(dāng)時的機械工業(yè)生產(chǎn)贏得了巨大的經(jīng)濟效益。W18Cr4V高速鋼的熱塑性不好，由于麻花鉆熱軋工藝的需要，后來研制成功了W6Mo5Cr4V2

108、高速鋼，此外，還有W9Mo3Cr4V。這三種高速鋼的切削性能和力學(xué)性能近似，稱為通用型。</p><p>　　在硬質(zhì)合金未作為主要刀具材料之前，高速鋼承擔(dān)主要切削加工任務(wù)。在現(xiàn)代切削加工中，它的使用范圍正在不斷縮小。高速鋼的特點是性能穩(wěn)定，可成形加工，韌性好，各類被加工材料均可以較低的速度、進給量、背吃刀量用高速鋼刀具加工，目前高速鋼材料尚在各類刀具中使用，齒輪刀具與拉刀的材料仍以高速鋼為主。高速鋼主要缺點是紅硬

109、性低，耐磨性差，剛性不足，在現(xiàn)代高速、高效、高精度加工中而略嫌不足。故當(dāng)前在數(shù)控車床、加工中心這類機床上很少看見應(yīng)用它，但在齒輪加工機床上、拉床上高速鋼刀具仍占主流。某些優(yōu)質(zhì)高速鋼滾刀由于能在較高進給速度下工作，每小時加工齒輪數(shù)可高于硬質(zhì)合金滾刀。世界上一些大高速鋼公司仍在努力開發(fā)新合金成分的高速鋼，使其性能接近硬質(zhì)合金，新型高速鋼甚至可用干式切削，竭力試圖把硬質(zhì)合金占領(lǐng)的部分市場奪回來粉末高速鋼的主要工藝是將合金元素的預(yù)煉高速鋼用感應(yīng)