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21世纪刀具材料的现状和发展趋势
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    2008-12-05
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  •      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现,对刀具提出了全新要求,令刀具的品种、类型、数量和性能均比过去有了长足发展。反过来,刀具技术的革新又有力推动机械制造工业的一次又一次腾飞。 
        21世纪,刀具材料将有大发展。刀具材料与工件双方交替发展和相互促进,成为切削技术不断向前发展的历史规律。在未来,刀具材料必将面临工件材料性能提高、加工批量加大和制造精度提升的更严峻挑战。材料科学的进步,推动了刀具材料的发展;而刀具材料的发展,应考虑原材料资源的制约。新品种的出现,新旧品种各自所占比重的变化以及它们之间相互竞争和相互补充的格局,将成为未来刀具材料发展的新特点。 
        材料资源并非“取之不尽” 
        纵观各种刀具材料,除人造金刚石的原料为石墨(碳元素)外,其它品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。在现代刀具中,碳化物用得zui多。在刀具材料的各个组份中,以Fe3C、WC、TiC、Mo2C、TiN、Al2O3、Si3N4等用量zui大,此外还须用到金属Co。在发展各种新型刀具材料时,主要考虑机械、物理性能的进步和适应工件加工的需要以及刀具材料与工件材料的匹配。而在很长一段时间里,人们忽略了资源的储存。 
        高速钢和硬质合金都以W和Co为主要原料,其价格昂贵。中国富W少Co,而W资源除国内使用外,还大量出口,当今全球使用的W中约有75~80%来自中国,可是中国的W资源只够用50年。中国使用的Co主要向国外购买,价格昂贵,况且全世界Co资源的储存量也是有限的。这就警示我们在发展新型刀具材料时,还需充分考虑如何节约贵重资源。有些刀具材料组份,如Al2O3、Sl2O3、Si3N4、TiC等,虽然蕴藏丰富,但要付出工艺和制造的成本,故其价格亦不菲。 
        现代新型材料及其应用展望 
        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,目前在刀具材料总消耗量中高速钢刀具仍占到40%。传统的普通高速钢以钨系的Wl8Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2为代表。所有的高速钢中,铬含量均保持在3.5~4.5%,它是增大高速钢淬透性的主要元素。而如若钒含量分类增加,钢的耐磨性将随之提高,但会使刀具接受刃磨困难,且脆性增加。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。 
        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。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——它们的性能都能达到M42的水平。可以说,中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面,做出了很大贡献。值得一提的是,用粉末冶金方法制造高速钢,可减少有害杂质,消除碳化物偏析,提高钢的硬度和韧性。粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢,国内也掌握这方面的技术。 
        今后,中国应发展和使用性能优良的钨钼系或钼钨系高速钢,少用钨系高速钢以节约W;发展和使用无钴和少钴超硬(高性能)高速钢,尽量不用高钴高速钢(如M42,HSP-15)。
     中国已大量使用涂层高速钢刀具,亦已掌握涂层工艺,但粉末合金高速钢刀具尚属空白。在工业先进国家,粉末冶金高速钢刀具已占高速钢总量的10%,因其性能优越,可有效提高刀具寿命和设备利用率,所以尽管这种刀具的价格较贵,仍能在总体上降低加工成本。近年,国内个别钢厂和工具厂已能制造粉末冶金高速钢,如能保证质量且性能稳定,应推荐机械制造厂采用。笔者认为,中国应大力研制粉末冶金高速钢。 
        2.硬质合金 
        硬质合金是碳化物(WC、TiC等)的粉末冶金制品,新型硬质合金有下列6种。 
        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。 
        ②细晶粒和超细晶粒硬质合金:晶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提高抗弯强度。普通刀具牌号和合金平均晶粒尺寸为2~3mm,细晶粒合金为1~2mm,亚微细晶粒合金为0.5~1mm,超细晶粒合金为0.5mm以下。我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。 
        ③TiC基和Ti(C,N)基硬质合金金属陶瓷:在YT,YG,YW合金中,WC是主要成分,并以Co为黏结剂;TiC基合金则以TiC为主要成分,不含或少含WC,以Ni-Mo作黏结剂。 
        ④添加稀土元素的硬质合金:添加少量稀土元素,可有效提高合金的韧性和抗弯强度,耐磨性亦有一定提高。这类合金zui适于粗加工刀具牌号,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ling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:涂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。 
        ⑥梯度硬质合金:这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。 
        山特维克可乐满的新款产品GC4220,得益于zui新的牌号技术,拓宽了钢铣削性能的界限。 
        综述可知,各种硬质合金全都在提高水平,扩大其使用范围。在21世纪中,硬质合金刀具材料将重点在两方面发展:一是细化晶粒,提高韧性与抗弯强度,从而扩大应用,进一步代替高速钢刀具。将晶粒尺寸达到纳米级,抗弯强度可达到2.5~3.0GPa以上。二是发展金属陶瓷,用TiC和Ti(C,N)代替WC,以节约W资源;用Ni和Mo代替Co,节约Co资源。现在的问题是,金属陶瓷的韧性尚逊于WC基硬质合金,在这方面要加强研究,争取突破。 
        3.陶瓷 
        陶瓷刀具材料分为3类:氧化铝基陶瓷;氮化硅基陶瓷;复合氮化硅--氧化铝陶瓷。陶瓷的高温性能优于硬质合金,故适用于高速切削。
    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时磨损迅速。 
        陶瓷的硬度稍高于硬质合金,但其脆性很大,韧性不足,可加工性很差,故应用受到限制。今后的发展方向在于增韧,用细化原料的粒度,添加ZrO2、TiB2或SiC晶须等方法,可在一定程度上提高陶瓷材料的韧性。 
        4.超硬刀具材料 
        超硬材料是指金刚石和立方氮化硼(CBN),它们的硬度比其它刀具材料高出好几倍。金刚石是自然界中zui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:天然金刚石(ND);人造聚晶金刚石(PCD)和人造单晶金刚石;人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC);金刚石薄膜涂层刀具(CD);金刚石厚膜刀具(FCD)。ND的结晶各向异性,在进行刀磨的使用时必须选择适宜的方向。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、钨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它铁族金属。 
        TFD综合性能很好,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、高硬铸铁及其它硬金属与非金属材料。 
        可以预见,金刚石刀具在21世纪将有大发展,它除了不能加工钢铁和铁族金属以外,在非铁金属和非金属材料的加工方面,有非常优越的应用价值。如汽车工业中的铝硅活塞和航空航天工业中的有色金属精密零件的加工都离不开金刚石刀具。笔者认为,今后人造单晶金则石刀具和CD、TFD金刚石镀膜(涂层)刀具将有较大发展。 
        近年,CBN的制造工有了改进,成本有所降低;同时,通过改硬质相和黏结相的配比和黏结材料的种,使其韧性显著提高。近年,在汽剎毂(灰铸)和冶金工辊(淬硬和高硬)的加工,得到了广泛应用。我相信,CBN刀具将有大发展,到21世纪末,可能将替代相当数量的硬质合金刀具和陶瓷刀具,成为应用zui广的刀具材料之一。从技术角度说,CBN应改进在加工一般硬度和中硬材时效果不显著的缺陷。 
        近年,还出现了一种崭新的超硬刀具材料。用磁控溅射法在高速或硬质合金刀具上可沉积氮化碳(CxNy)薄膜,根据体弹模量计算,它能达到甚至超过金刚石的硬度。其它性能也与金刚石十分相似。在高速刀具(如麻花钻)上涂覆这种薄膜来加工钢件,刀具命比涂前可提高8~10倍。在硬质合金刀片涂覆亦有一定的效果,但不如高速刀具显著。因此,CxNy涂层刀具也是未来刀具的重要展方向。 
        刀具材料发展简史 
        远古时代,曾用石材和铜合金作为刀具材料。18世纪中叶欧洲工业革命以后,切削刀具一直由碳素工具钢制造;1865年发明了合金工具钢。
    但随着对加工效率的要求日益提升,上述两种工具钢材料的性能已不敷要求。 
        高速钢在1898年被发明出来,这种新材料的出现使切削速度和切削效率较碳素工具钢、合金工具钢分别提高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,推动了美国及世界各国机械制造业的迅猛发展,产生了巨大的经济效益。 
        人们寻求更高性能的新型刀具材料的努力从未停步,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。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。在我国,解放后曾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,工件材料的机械性能不断提高,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,硬质合金刀具在应对这些新挑战中发挥了重大作用。而且,硬质合金本身也涌现出许多新品种,性能不断提高。但它较脆,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,后来才扩大到其它刀具,难以用于所有的刀具。正因为高速钢能制造各种类型的刀具,其始终占领很大一块阵地,而且,高速钢也发展了很多新品种,切削性能较原有品种有了很大提高。 
        直至近年,高速钢和硬质合金仍是用得zui多的两种刀具材料,但硬质合金的占比已扩大到60%。可以看到,经过半个世纪的“攻城掠地”,硬质合金竟然占领了如此广阔的阵地,应该也是当初人们始料不及的。但它仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求,于是在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刚石,它们的硬度明显高于其它刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬质合金,但其韧性和可加工性则又逊于硬质合金。
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