現(xiàn)代刀具材料系列專題講座

96/96現(xiàn)代刀具材料系列講座高性能熔煉高速鋼

摘要：介紹了高性能熔煉高速鋼的種類與性能。列出了某些切削試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：高性能高速鋼；熔煉；金屬切削

高速鋼材料發(fā)明于19世紀(jì)末，一般用熔煉方法制成。一般高速鋼的典型牌號是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。在加工效率和加工質(zhì)量要求日益提高的現(xiàn)代切削加工中，它們的性能已嫌不足。在20世紀(jì)后期，逐步出現(xiàn)了許多高性能高速鋼。高性能高速鋼是在一般高速鋼基礎(chǔ)上，通過調(diào)整差不多化學(xué)成分并添加其他合金元素，使其常和氣高溫機械性能得到顯著提高。附表中列出了國內(nèi)外有代表性的高性能高速鋼的化學(xué)成分和機械性能，現(xiàn)分述其特點于下：

1高碳高速鋼在W18Cr4V基礎(chǔ)上。增加0.2％含碳量，形成95W18Cr4V。依照化學(xué)平衡碳理論，可在淬火加熱時增加高速鋼奧氏體中的含碳量，加強回火時的彌散硬化作用，從而提高了常和氣高溫硬度。與W18Cr4V相比，95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當(dāng)。那個鋼種的切削性能雖不及高鈷、高釩高速鋼，但價格廉價，切削刃能夠磨得專門銳利，故有應(yīng)用價值。同樣，還有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速鋼。

2高鈷高速鋼在高速鋼中加鈷，能夠促進回火時從馬氏體中析出鎢、鉬碳化物，提高彌散硬化效果，并提高熱穩(wěn)定性，故能提高常溫、高溫硬度及耐磨性。增加含鈷量還可改善鋼的導(dǎo)熱性，降低刀具、工件間的摩擦系數(shù)。M42是美國這方面的代表性鋼種，其綜合性能甚為優(yōu)越。瑞典的HSP-15也是這一類的鋼種，但其含釩量為3％，刃磨加工性不如M42。鈷含量高、價格昂貴，不適合中國國情。我國研制成功的低鈷含硅高速鋼Co5Si，性能優(yōu)越，價格低于M42和HSP-15，但Co5Si含釩量亦達(dá)3％，刃磨加工性亦較差，故不宜用其制造刃形復(fù)雜的刀具。

3高釩高速鋼高釩高速鋼(如B201、B211、B212)的釩含量為3％～5％，同時加大碳含量，形成VC與V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。高釩高速鋼的耐熱性也好，但高釩高速鋼的刃磨加工性差，導(dǎo)熱性也不行，沖擊韌性較低，故不宜用于復(fù)雜刀具。在高釩高速鋼中也可加入適當(dāng)?shù)拟挘蔀楦哜C含鈷高速鋼。我國研制的高釩含氮高速鋼V3N，價格廉價，切削性能也好，唯刃磨較難。后來又研制出低鈷含氮高速鋼Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，切削性能專門好，刃磨性能亦佳，但價格高于V3N。

4含鋁高速鋼我國研制出無鈷、價廉的含鋁高性能高速鋼501。其中鋁含量約為1％。鋁能提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，而產(chǎn)生固溶強化，由于鋁化合物在鋼中能起“釘扎”作用，故鋼的常溫、高溫硬度和耐磨性均得以提高，強度和韌性也都比較高，切削性能與M42相當(dāng)。501的釩含量為2％，刃磨性能稍遜于M42。5F6也是含鋁1％的高性能高速鋼，B201、B211、B212中也含鋁。含錨高速鋼是中國的一個獨創(chuàng)。501在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在國外也得到應(yīng)用；其他含鋁高速鋼的應(yīng)用不如501廣泛。在切削難加工材料時，應(yīng)當(dāng)合理選用不同牌號的高性能高速鋼。切削常見的難加工材料，如高強度鋼、奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金等，上述各種高性能高速鋼都能夠選用，選用時要緊應(yīng)考慮高速鋼的機械性能和刃磨性能：在粗加工或斷續(xù)切削條件下，應(yīng)選用抗彎強度與沖擊韌性較高的高性能高速鋼；在精加工時，對高速鋼的抗彎強度與沖擊韌性的要水較低，這時要緊考慮其耐磨性；工藝系統(tǒng)剛性差時，選用高速鋼的牌號與粗加工時相同；工藝系統(tǒng)剛性好時，選用高速鋼的牌號與精加工相同；刃型復(fù)雜的刀具，應(yīng)選用刃磨性能較好的低釩高鈷或低釩含鋁高速鋼；刃型簡單的刀具，可選用刃磨性能差的高釩高速鋼。

高性能高速鋼的化學(xué)成分和機械性能表作者曾做過多種高性能高速鋼車刀與一般高速鋼(W18Cr4V)車刀切削高強度鋼36CrNi4MoVA(調(diào)質(zhì)，HRC43-46)的對比試驗。刀具幾何參數(shù)；前角γ0=4°，主偏角κr=45°，刀尖圓弧半徑γε=0.2mm。切削深度αp=1mm，進給量f=0.1mm。部分刀具的磨損曲線見圖1。T-ν曲線見圖2。由圖可見，各種高性能高速鋼刀具的耐磨性和使用壽命均高于W18Cr4V甚多。而V3N與Co5Si尤為領(lǐng)先。36CrNi4MoVA是難加工材料，高性能高速鋼在切削難加上材料時其優(yōu)勢尤為顯著。

圖1

高性能高速鋼與一般高速鋼車削高強度鋼的磨損曲線

圖2高性能高速鋼與一般高速鋼車削高強度鋼的T-ν曲線

工件材料：36CrNi4MoVA刀具材料：1.V3N2.Co5Si3.B2014.M425.W18Cr4V

粉末冶金高速鋼

摘要：介紹了粉末冶金高速鋼刀具的切削性能，并列出了這類刀具與熔煉高速鋼刀具的對比切削數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：粉末冶金；高速鋼；刀具；切削性能。

1前言一般高速鋼和高性能高速鋼差不多上用熔煉方法制造的，它們通過冶煉、鑄錠和鍛軋等工藝制成刀具，熔煉高速鋼容易出現(xiàn)的嚴(yán)峻問題是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速鋼中分布不均勻，且晶粒粗大(可達(dá)幾十個微米)，對高速鋼刀具的耐磨性、韌性及切削性能產(chǎn)生不利阻礙。粉末冶金高速鋼的制造過程是：將高頻感應(yīng)爐熔煉出的鋼液，用高壓氣體(氬氣或氮氣)噴射使之霧化，再急冷而得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織(粉末)。上述過程亦可用高壓水水噴霧化形成粉末。再將所得的粉末在高溫(約1100℃)、高壓(約100MPa)下壓制成刀坯，或先制成鋼坯再通過鍛造、軋制成刀具形狀。2粉末冶金高速鋼的優(yōu)點粉末冶金高速鋼沒有碳化物偏析的缺陷，不論刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均為1級，碳化物晶粒尺寸在2～3μm以下。因此，粉末冶金高速鋼的抗彎強度與韌性得以提高，一般比熔煉高速鋼高出20～50％。它適用于制造承受沖擊載荷的刀具，如銑刀、插齒刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。在化學(xué)成分相同的情況下，與熔煉高速鋼相比，粉末冶金高速鋼的常溫硬度能提高1～1.5HRC，高溫硬度(550℃～600℃)提高尤為顯著，故粉末冶金高速鋼刀具的耐用度較高。由于碳化物細(xì)小均勻，粉末冶金高速鋼的可磨削性能較好，含釩5％時其可磨削性能相當(dāng)于含釩2％的熔煉高速鋼，故粉冶高速鋼中同意適當(dāng)提高釩含量，且便于制造刃型復(fù)雜的刀具。粉冶高速鋼的熱處理變形亦較小。3粉末冶金高速鋼的切削試驗作者用粉末冶金高速鋼GF3制成車刀，在相同的切削條件下與一般高速鋼W18Cr4V及熔煉高性能高速鋼Co5Si，V3N進行切削對比。切削用量：ν=40m/min，αp=3mm，f=0.15mm/r。刀具幾何參數(shù)：γ0=20°，κr=75°，κr′=l5°，γε=1mm。刀具磨損曲線如圖1所示。由圖1能夠看出，粉末冶金高速鋼GF3的耐磨性不僅高出一般高速鋼W18Cr4V甚多，且高于熔煉高性能高速鋼Co5Si與V3N。作者又用GF3制成拉制膛線的拉刀，在相同切削條件下，與Co5Si拉刀進行切削對比。工件材料為高強度鋼38CrNi3MoVA，HRC36。切削用量：ν=12m/min，αp=6.2mm,f=0.025mm/雙行程。刀具幾何參數(shù)：γ0=18°，κr=90°。加硫化切削油。刀具磨損曲線如圖2所示。由圖2可見，GF3拉刀的耐用度高于Co5Si。4國內(nèi)外情況20世紀(jì)70年代初，國外已有粉末冶金高速鋼刀具商品。20余年來進展較快，在高速鋼刀具材料中已占有一定份額。以ERASTEEL，國際工業(yè)集團(瑞典與法國為主)為例，它的各種高速鋼產(chǎn)品的總和在世界高速鋼市場中占有30％的份額。它的高速鋼產(chǎn)品中，熔煉高速鋼有20個牌號，粉末冶金高速鋼有8個牌號。后者稱為ASP2000系列，其鋼號與化學(xué)成分見表1。表1ERASTEEL集團粉末冶金高速鋼ASP2000系列的化學(xué)成份(％)

我國自20世紀(jì)70年代中期以來，亦對粉末冶金高速鋼進行了研制。如冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院有粉末冶金高速鋼FW12Cr4V5(牌號為FT15)和FWl0Mo5Cr4V2Co12(FR71)，北京工具研究所有水霧化的W18Cr4V(GF1)、W6Mo5Cr4V2(GF2)、W10.5Mo5Cr4V3Co9(GF3)。上海材料研究所有粉末冶金高速鋼W18Cr4V(PT1)和W12Mo3Cr4V3N(PVN)，機械性能和切削性能俱佳，在加工高強度鋼、高溫合金，鈦合金和其他難加工材料中，發(fā)揮了優(yōu)越性。然而，近年來．我國因市場、效益等因素的困擾，粉末冶金高速鋼的研制和生產(chǎn)，一度陷于停頓。隨著經(jīng)濟形勢的改變，相信粉末冶金高速鋼在國內(nèi)將大有進展前景。涂層高速鋼刀具

摘要：介紹了涂層高速鋼刀具的切削性能，并列出了涂層與未涂層高速鋼刀具的對比切削數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：涂層高速鋼；刀具；切削性能

1概述在高速鋼刀具的基體上，用物理氣相沉積方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄層，能夠大幅度地提高高速鋼刀具的使用性能?！?，涂層材料用TiN、TiC等，但多采納TiN。涂層后，刀具表面呈金黃色。涂層厚度為5～10μm。涂層高速鋼刀具約在1980年出現(xiàn)在國際市場。進展極為迅速，20年來，它已在高速鋼刀具中占有一定比重。在美國、日本、德國，近一半的齒輪加工刀具及立銑刀、鉆頭等采納涂層，提高了切削效率，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。我國對涂層高速鋼刀具的研究從80年代開始。近十年中，刀具制造行業(yè)已從美國、日本引進了近10套PVD涂層設(shè)備，已出售各種涂層高速鋼刀具產(chǎn)品。在各地區(qū)和各部門，擁有數(shù)量眾多的國內(nèi)制造的涂層設(shè)備，所用的物理氣相沉積方法不同，有電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法、等離子槍發(fā)射電子束離子鍍法、中空陰極槍發(fā)射電子束離子鍍法、e形槍發(fā)射電子束離子鍍法等，各有特色和優(yōu)缺點，涂層產(chǎn)品質(zhì)量亦有差異，電弧發(fā)生等離子體氣相沉積法用得最多。2涂層高速鋼刀具的優(yōu)點TiN的硬度為HV1800～2000，密度為5.44g/c㎡，熱導(dǎo)率為29.31W/(m?℃)，線膨脹系數(shù)為(9.31～9.39)×10-6/℃。而高速鋼基體的硬度僅為HV800～850。故涂層后的高速鋼刀具，表面有硬層，耐磨性好，與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小，基體材料的韌性不降低。有用情況表明，與未涂層的高速鋼刀具相比，涂層后高速鋼刀具的切削力可降低5～10％，由于涂層材料有熱屏障作用，刀具基體切削部分的切削溫度也有所降低；工件已加工表面粗糙度減??；刀具使用壽命顯著提高。3切削實驗數(shù)據(jù)作者用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速鋼車刀與涂層后的刀具進行切削實驗對比，要緊對比它們的刀具磨損與使用壽命。實驗一：工件材料：60Si2Mn(調(diào)質(zhì)，HRC40)。車刀幾何角度：γ0=16°，α0=8°，κr=45°，λε=-4°，γε=0.5mm。切削用量：αp=0.5mm，f=0.2lmm/r，ν=25m/min干切削。磨損曲線如圖1所示。

實驗二：工件材料：60Si2Mn(調(diào)質(zhì)，HRC40)車刀幾何角度：γ0=10°，α0=8°，κr=45°，λε=0°，γε=0.5mm。切削用量：αp=O.5mm，f=0.21mm/r，ν=25m/min，干切削。磨損曲線如圖2聽示。

實驗三：工件材料：38CrNi3MoVA(調(diào)質(zhì)，HRC36～40)。車刀幾何角度：γ0=8。，α0=8。，κr=75。，λε=-4。，γε=0．8ram。切削用量：αp=1mm，f=0.2mm／r，VB=0.5mm，干切削。T-ν曲線如圖3所示。圖3中，T-ν公式的Taylor方程如下：ν=58/T0.37(W18Cr4V)ν=57/T0.21(W18Cr4V+TiN)式中：ν—切削速度，m/min；T—刀具使用壽命，min。由圖1至圖3可見，涂層高速鋼刀具的使用壽命是未涂層刀具的2～3倍，甚至更多。

4使用經(jīng)驗涂層高速鋼刀具可用于車刀、銑刀、鉆頭、鉸刀、絲錐、拉刀、齒輪滾刀和插齒刀，刀具使用壽命有不同程度的提高。涂層高速鋼車刀用得較少，其使用壽命的提高也不是最顯著的。涂層高速鋼麻花鉆、立銑刀、絲錐等刀具應(yīng)用最廣，使用壽命提高顯著，這些刀具通過重磨，涂層仍起作用。例如，涂層高速鋼鉆頭在涂層后第一次使用時，與未涂層鉆頭比，使用壽命可提高3倍以上；重磨時已將后刀面的涂層磨掉，但前刀面上尚保留涂層，壽命尚可提高2倍以上；第二次重磨后刀面后，其壽命仍有一定幅度的提高。關(guān)于刃磨前刀面的刀具(如涂層齒輪滾刀、插齒刀)，在刃磨后，仍有延長刀具使用壽命的效果。涂層高速鋼刀具在國內(nèi)的應(yīng)用尚不夠廣泛。然而，能夠確信地講，它對難加工材料的切削以及在先進制造設(shè)備上(如數(shù)控機床、加工中心)，將發(fā)揮重要作用。新型硬質(zhì)合金—添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金

摘要：要緊介紹了添加鉭、鈮硬質(zhì)合金的種類和性能，并引入一些切削試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；鉭、鈮；切削刀具1概述高速鋼只能承受600℃以下的溫度。高速鋼刀具受耐熱性的限制，切削速度不能過高，只在20～25m/min左右，故其切削效率尚處于較低的水平。高速鋼的硬度僅為HRC62～65，不能切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵。硬質(zhì)合金刀具材料的問世，使切削加工水平出現(xiàn)了一個飛躍。硬質(zhì)合金刀具能實現(xiàn)高速切削與硬切削。硬質(zhì)合金是高硬度、難熔的金屬化合物粉末(WC、TiC等)，用鈷或鎳等金屬作粘結(jié)劑壓坯、燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其中，高硬度、耐高溫的碳化物比高速鋼耍多得多，故能承受專門高的切削濕度，同意采納專門高的切削速度。但由于硬質(zhì)臺金的可加工性差，且較脆，過去要緊只用于車刀和面銑刀，近年來已擴展到整體和鑲齒的鉆頭、鉸刀、立銑刀、三面刃銑刀和螺紋、齒輪刀具等。WC、TiC的常溫硬度分不為HV1780和3200，熔點分不為2900℃和3200℃。這些性能劉切削難加工材料和提高加工效率特不有用。德國是世界上首先生產(chǎn)硬質(zhì)合金的國家，1923年用粉末冶金法研制成功鎢鈷合金(WC+Co)，1931年又制成鎢鈦鈷類合金(WC+TiC+Co)。到20世紀(jì)30年代中后期，美國、日本、英國、瑞典均能生產(chǎn)硬質(zhì)合金。第二次世界大戰(zhàn)期間，硬質(zhì)合金刀具已開始應(yīng)用。戰(zhàn)后50年來，硬質(zhì)合金作為刀具，模具和耐磨件材料，得到突飛猛進的進展。品種繁多，質(zhì)量不斷提高。在刀具方面，硬質(zhì)合金成為與高速鋼并駕齊驅(qū)的最要緊的刀具材料。與高速鋼相比，硬質(zhì)合金的種類和牌號特不多，因此對它的合理選擇和應(yīng)用應(yīng)給予足夠的重視。在20世紀(jì)50年代初、中期，我國引進前蘇聯(lián)技術(shù)，建成了株洲硬質(zhì)合金廠；后來又建成了自貢硬質(zhì)合金廠。當(dāng)時，作為刀具材料的產(chǎn)品比較單調(diào)，只有切削鋼材的鎢鈦鈷系列—YT5、YT14、YT15、YT30和切削鑄鐵與有色金屬的鎢鈷系列—YG8、YG6、YG3。隨著科技事業(yè)的進展，各種難加工材料不斷涌現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用，用上述一般硬質(zhì)合金牌號作為刀具切削各種難加工材料已不能滿足全部要求，因此我國硬質(zhì)合金工業(yè)大力進展研制技術(shù)，生產(chǎn)出多種新型硬質(zhì)合金。第一是采納高純度的原料，如采納雜質(zhì)含量低的鎢精礦及高純度的三氧化鎢等；第二是采納先進工藝，如以真空燒結(jié)代替氫氣燒結(jié)，以石蠟工藝代替橡膠工藝，以噴霧或真空干燥工藝代替蒸汽干燥工藝；第三是改變合金的化學(xué)組分；第四是調(diào)整合金的結(jié)構(gòu)；第五是采納表面涂層技術(shù)。新型硬質(zhì)合金分為五大類，即(1)添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金；(2)細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；(3)Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金；(4)表面涂層硬質(zhì)合金；(5)添加稀土元素硬質(zhì)合金。本文介紹添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金。其余四類將陸續(xù)閘述。

2添加鉭、鈮硬質(zhì)合金的類不與性能硬質(zhì)合金中添加TaC、NbC后，能夠有效提高常溫硬度、高溫強度和高溫硬度，細(xì)化晶粒，提高抗擴散和抗氧化磨損的能力，從而提高了耐磨性。此外還能增強抗塑性變形的能力。因此，切削性能得以改善。通常使用添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金，是為了提高硬質(zhì)合金的耐磨陛、抗沖擊能力和使用中的通用性。添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金分為兩大類：(1)WC+Ta(Nb)C+Co類即在YC類合金的基礎(chǔ)上又加入了TaC、NbC。如株洲硬質(zhì)合金廠研制的YG6A和YG8N就屬于這類合金(表1)。YG6A和YG8N的耐磨性與抗沖擊性均優(yōu)于YG6和YG8。這類合金要緊用于加工鑄鐵和有色金屬。(2)WC+TiC+Ta(Nb)C+Co類即在YT類合金的基礎(chǔ)上又加入了TaC、NbC，用以加工鋼料。個不牌號也能加工鑄鐵。這類合金品種繁多，但歸納起來可分為三種：①通用類：TiC含量為4～10％，TaC、NbC含量為4～8％，Co含量為6～8％，綜合性能較好，適用范圍寬，既可加工鋼材，又能夠加工鑄鐵和有色金屬，但其單項性能指標(biāo)并不比一般的YT、YG合金強。YWl、YW2、YW3等牌號確實是通用類合金(見表1)。②銑削牌號類：TiC含量～般少于10％，TaC含量高達(dá)10～14％，Co含量亦達(dá)10％，要緊用于銑刀。添加較多的TaC后，能有效地提高合金的抗機械沖擊和抗熱裂的性能；配以較高的含Co量，抗彎強度亦高。株洲硬質(zhì)合金廠的YS30、YS25、YDS15及自貢硬質(zhì)合金廠的YT798屬于此類合金(表1)，③高碳化鈦添加TaC、NbC類：TiC含量一般在10％以上(個不的有低于10％者)，直到30％。添加TaC、NbC約5％以下，可用以替代各個等級的YT類一般合金，耐磨性能顯著提高。株洲硬質(zhì)合金廠的YT30+TaC和自貢硬質(zhì)合金廠的YT712、YT715等都屬于這類合金(表1)。

注：除YT798、YT712、YT715為自貢硬質(zhì)合金廠產(chǎn)品外，其余牌號均為株洲硬質(zhì)合金廠產(chǎn)品，但YW1、YW2兩廠都生產(chǎn)。

除添加TaC、NbC外，有些新型埂質(zhì)合金還添加了Cr3C2、VC和W粉、Nb粉等。Cr3C2和VC的加入，能夠抑制合金晶粒長大，W粉和Nb粉則可強化粘結(jié)相。株洲硬質(zhì)合金廠和自貢硬質(zhì)合金廠近年在引進外國設(shè)備與技術(shù)后，又分不建立了添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金新系列，如表2、表3所示。

*YC25S亦屬于銑削牌號。添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金牌號最多，令人眼花繚亂。然而依照P，M，K的國際類不與級不，是不難理解和選用的。

3切削實驗作者用一般未加Ta，Nb的硬質(zhì)合金YT15(P10)切削高強度鋼60Si2Mn(調(diào)質(zhì)，HRC39～42)，與P10+Ta，Nb硬質(zhì)合金作對比，切削用量αp=1mm，f=0.2mm/r，刀具幾何參數(shù)γ0=4°，α0=8°，κr=45°，rE=0.8mm，λs=-4°。其刀具磨損曲線及T-ν曲線如圖l、圖2所示。

T-ν曲線的Taylor方程如下：ν=174.7/T0.12m/min(YT15)ν=176.2/T0.11m/min(P10+Ta，Nb)作者又用未添加Ta的P01硬質(zhì)合金切削60Si2Mn高強度鋼，與YT30(P01)+TaC硬質(zhì)合金作對比，αp=0.5mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min，刀具幾何參數(shù)同上。其刀具磨損曲線見圖3。由圖1～3可見，在添加Ta，Nb后，硬質(zhì)合金刀片的耐磨性與使用壽命均有顯著的提高。新型硬質(zhì)合金——細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和Ti(C，N)與TiC基硬質(zhì)合金摘要：要緊介紹了細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金的種類和性能，并列入一些試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；細(xì)晶粒；超細(xì)晶粒；金屬陶瓷；切削刀具

1概述本文介紹兩類新型硬質(zhì)合金的種類與性能：(1)細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；(2)Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金，這類硬質(zhì)合金又可稱為“金屬陶瓷”，英文叫“Cermet”。應(yīng)當(dāng)注意，“金屬陶瓷”的成分仍是碳化物，與人們熟知的氧化鋁、氮化硅陶瓷不是等同的東西。細(xì)化晶粒是改變硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu)；而Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金則是改變臺金的化學(xué)成分通過這兩種方法都能改善硬質(zhì)合金的性能。2細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金的晶粒細(xì)化后，使硬質(zhì)相尺寸變小，粘結(jié)相更均勻地分布在硬質(zhì)相周圍，能夠提高硬質(zhì)合金的硬度與耐磨性。如適當(dāng)增加鈷含量，還能夠提高抗彎強度。礦用或鈷探用的合金為粗晶粒，平均晶粒尺寸為4～5μm；一般牌號的刀具用合金YT15、YG6等均為中晶粒，平均晶粒尺寸為2～3μm：細(xì)晶粒合金的平均晶粒尺寸為1～2μm，亞微細(xì)粒合金為0.5～1μm，超細(xì)晶粒合金則為0.5μm以下。日本等國專門重視這類合金的研制，我國在20世紀(jì)60年代就有了細(xì)晶粒合金的牌號，如YG3X、YG6X。70年代末期開始研制亞微細(xì)粒合金．株洲硬質(zhì)合金廠的亞微細(xì)粒牌號有YS2T、YS8、YS10及YD15，自貢硬質(zhì)合金廠的YG643、YG600、YG610、YG640等差不多上亞微細(xì)粒牌號(見表1)。

早先的細(xì)晶粒和亞微細(xì)粒結(jié)構(gòu)多用于WC+Co的合金(即K類合金)。近年來M類和P類(WC+TiC+Co)合金也向晶粒細(xì)化的方向進展。80～90年代，各國已研制出超細(xì)晶粒合金。用細(xì)品粒、亞微細(xì)粒硬質(zhì)合金代替一般中等晶粒的硬質(zhì)合金，如以YG3X、YG6X代替YG3、YG6，以YS8、YS10代替YG6，能夠顯著提高刀具使用壽命。近年，自貢硬質(zhì)合金廠已研制出亞微細(xì)粒硬質(zhì)合金牌號ZK10UF和ZK30UF(相當(dāng)于K10和K30)，硬度為HRA92.5～91.5，抗彎強度為2～2.5GPa，其平均品粒尺寸為0.6～0.8μm。該廠又研制出超細(xì)品粒硬質(zhì)合金牌號Zcx10、Zcx30和Zcx40(相當(dāng)于K10、K30和K40)，硬度為HRA93～92，抗彎強度為2.5～3.5GPa，其平均品粒尺寸為0.4～0.5μm。3Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)不論是YT類、YG類，或在它們的基礎(chǔ)上添加了TaC、NbC的新型合金，都屬于WC基合金。因為在它們當(dāng)中，WC是要緊成分，含量達(dá)65～97％，并以Co為粘結(jié)劑。TiC基合金是后來進展起來的，其要緊成分為TiC，占60～80％以上，少含或不含WC，以Ni、Mo作粘結(jié)劑。與WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度較高，對鋼的摩擦系數(shù)較小，切削時抗粘結(jié)磨損與抗擴散磨損的能力較強，具有更好的耐磨性，但韌性和抗塑性變彤的能力稍弱。我國代表性牌號是YN05、YN10(株洲硬質(zhì)合金廠研制)，用以切削正火和調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的鋼材，其切削性能優(yōu)于WC基合令YT30、YT15。近年，我國又開發(fā)Ti(C，N)基合金，它具有與TiC基合金相同的特性與優(yōu)點，但其韌性、抗塑性變形能力高于TiC基合金，有進展前景。應(yīng)用范圍略同于TiC基合金，要緊是切削鋼料，但加工范圍較寬。表2列出了WC、TiC、TiN、Ti(C，N)等物質(zhì)的機械性能。能夠看出，TiC和Ti(C，N)的硬度高于WC。Ti(C，N)的各項性能均介于TiC、TiN之問，故Ti(C，N)的彈性模量大于TiC。由此能夠解釋，Ti(C，N)綦與TiC基硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性高于WC基合金；Ti(C，N)基合金的抗塑性變形的能力高于TiC基合金：

表2幾種化合物的機械性能

WCTiCTiNTi(C,N)常溫硬度2400320019502600彈性模量E(×104MPa)7232.161.6——

株洲硬質(zhì)合金廠和自貢硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的Ti(C，N)基與TiC基硬質(zhì)合金的牌號如表3、表4所列。

有色金屬研究總院還研制成功了Ti(C，N)基硬質(zhì)合金NT7。4切削試驗作者用國產(chǎn)不同牌號的Ti(C，N)基硬質(zhì)合會刀片，與相同級不的WC基硬質(zhì)合金刀片進行對比切削實驗。(1)用有色金屬研究總院研制的NT7刀片及株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的TN20刀片，與WC基YT14刀片，做對比車削試驗。工件材料為38CrNi3MoVA高強度鋼(HRC36～40)：切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r；刀具幾何參數(shù)γ0=-6°，α0=6°，Kr=45°，λs=-4°，γε=O.8mm。所得的T-ν曲線如圖1所示。相應(yīng)的Taylor公式為：NT7ν=440/T0.48(m/min)TN20ν=440/T0.48(m/min)YT14ν=275/T0.35(m/min)從圖1可見，TN7與TN20的水平相同，它們的使用壽命高于YT14甚多。

(2)用株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的Ti(C，N)基硬質(zhì)合金刀片TN320刀片，與YT14刀片做對比銑削試驗，工件材料為中碳鋼45(HB187)。切削用量αp=1mm，f=0.125mm/r，ν=147m/min。刀盤直徑125mm，工件寬度50mm。刀具幾何參數(shù)~γp=2°，γr=0°，Kr=75°，Kr=15°。所得到的刀具磨損曲線如圖2所示，可見TN320優(yōu)于YT14。

(3)用NT7、TN20、YT14三種刀片進行抗沖擊對比車削試驗。工件為合金鋼齒輪(HB320)。αp=1mm，f=0.2mm/r，沖擊頻率為4kHz。所得的試驗曲線如圖3所示，到崩刃之前，NT7刀片與TN20刀片能承受的沖擊次數(shù)分不比YT14刀片高出約30％與50％。由此可見，Ti(C，N)基硬質(zhì)合金刀片有較好的抗沖擊能力。

新型硬質(zhì)合金——表面涂層硬質(zhì)合金

摘要：要緊介紹了涂層硬質(zhì)合金的性能、類不和涂層工藝，并列出一些試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；涂層刀片；切削刀具

1概述通過化學(xué)氣相沉積(CVD)等方法，在硬質(zhì)合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al2O3等薄層，形成表面涂層硬質(zhì)合金。這是現(xiàn)代硬質(zhì)合金研制技術(shù)的重要進展。1969年，西德克虜伯公司和瑞典山特維克公司研制的TiC涂層硬質(zhì)合金刀片初次投入市場。1970年后，美國、日本和其他國家也都開始生產(chǎn)這種刀片。三十余年來，涂層技術(shù)有了專門大的進展。涂層硬質(zhì)合金刀片由第一代、第二代已進展到第三代、第四代產(chǎn)品。涂層硬質(zhì)合金刀片一般均制成可轉(zhuǎn)位的式樣。用機夾方法裝卡在刀桿或刀體上使用。它具有以下優(yōu)點：1)由于表層的涂層材料具有極高的硬度和耐磨性，故與未涂層硬質(zhì)合金相比，涂層硬質(zhì)合金同意采納較高的切削速度，從而提高了加工效率；或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。2)由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故與未涂層刀片相比，涂層刀片的切削力有一定降低。3)涂層刀片加工時，已加工表面質(zhì)量較好。4)由于綜合性能好，涂層刀片有較好的通用性。一種涂層牌號的刀片有較寬的適用范圍。

2涂層工藝硬質(zhì)合金涂層最常用的方法是高溫化學(xué)氣相沉積法(簡稱HTCVD法)，是在常壓或負(fù)壓的沉積系統(tǒng)中，將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體或蒸氣，按沉積物的成分，將其中的有關(guān)氣體，按一定配比均勻混合，依次涂到一定溫度(一般為1000℃～1050℃)的硬質(zhì)合金刀片表面，即在刀片表面沉積TiC、TiN、Ti(C，N)或Al2O3或它們的復(fù)合涂層。反應(yīng)方程式概括如下：TiCl4+CH4+H2→TiC+4HCl+H2TiCl4+?N2+2H2→TiN+4HClTiCl4+CH4+?N2+H2→Ti(C，N)+4HCl+H22A1Cl3+3CO2+3H2→Al2O3+3CO+6HCl用PCVD(等離子體化學(xué)氣相沉積)法在硬質(zhì)合金刀片表面進行涂層也得到應(yīng)用，因涂層工藝溫度較低(700°～800°)，故刀片的抗彎強度降低的幅度較小，對銑刀片比較適宜。涂層前，基體刀片表面須凈化，切削刃部位應(yīng)鈍化。涂層后，因涂層材料與基休材料的線膨脹系數(shù)存在差異，故涂層刀片表面不可幸免地產(chǎn)生殘余張應(yīng)力而使刀片抗彎強度降低。通常用TiC薄層先涂在基體表面上，因TiC的線膨脹系數(shù)與基體材料最接近；不處再涂TiN、Al2O3等。過去，單涂層材料均用TiC，雙層涂層材料多用TiC/TiN、TiC/A12O3等，三層涂層材料多用TiC/Ti(C，N)/TiN、Tic/Al2O3/TiN等。近年，隨著基體材料的改進，涂層材料也有用TiN墊底的，即TiN/TiC/TiN等涂層材料還有HfN、MoS2等。

3國內(nèi)研制涂層硬質(zhì)合金情況國內(nèi)研究硬質(zhì)合金CVD涂層技術(shù)并研制刀片，從70年代初就開始了，但真正形成生產(chǎn)能力并大量推廣應(yīng)用依舊80年代的事。1983年，株洲硬質(zhì)合金廠從瑞士Bernex公司引進了HTCVD涂層爐及精磨、刃口鈍化等配套設(shè)備，生產(chǎn)了CN系列和CA系列的涂層硬質(zhì)合金刀片，基體刀片采納國產(chǎn)牌號(見表1)。稍后，該廠又從瑞典Sandvik公司引進了設(shè)備和涂層技術(shù)，生產(chǎn)了YB系列涂層硬質(zhì)合金刀片，基體則采納專門專用材料(表2)。其中YB120、YB320是銑削牌號，其他要緊用于車削加工。

自貢硬質(zhì)合金廠引進美國等國涂層設(shè)備，也有ZC系列的涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品(表3)。

近年，自貢硬質(zhì)合金廠推出了牌號為ZC21的涂層刀片。它的基體為具有梯度結(jié)構(gòu)的材料，涂層材料為TiC/TiN，密度為13.0～14.0g/cm3，抗彎強度≥1.6GPa，可用于間斷切削，亦可用于連續(xù)切削。

4涂層硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用范圍由于通過涂層工藝，基體刀片的韌性和抗彎強度不可幸免地有所下降，加上涂層材料的化學(xué)性質(zhì)等緣故，故涂層硬質(zhì)合金刀片仍只有一定的適用范圍。它能夠用于各種碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼(包括正火和調(diào)質(zhì)狀態(tài))、易切鋼、工具鋼、馬氏體不銹鋼和灰鑄鐵的精加工、半精加工以及較輕負(fù)荷的粗加工。涂層刀片最適用于連續(xù)車削，但在切深變化不大的仿形車削、沖擊力不太大的間斷車削及某些銑削工序中亦可采納。近年在切斷、車螺紋中也已使用涂層刀片。然而，TiC和TiN涂層刀片不適宜于加工下列材料：高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、有色金屬(銅、鎳、鋁、鋅等純金屬及其合金)。沉重的粗加工，表面有嚴(yán)峻夾砂和硬皮的鑄件的加工也不宜使用涂層刀片。

5切削實驗涂層硬質(zhì)合金刀片表面有TiC、TiN、Ti(C，N)、Al2O3等硬度甚高的薄層，故耐磨性極強：作者曾用HTCVD法TiC單層涂層的WC基硬質(zhì)合金刀片為基體的YW1/TiC，與未涂層的WC基合金YT15、YT30+TaC、TiC基合金YN05，進行車削對比。工件材料為60Si2Mn(凋質(zhì)高強度鋼，HRC40)，切削用量αp=0.5mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min。刀具幾何參數(shù)γ0=4°，α0=8°，κr=45°，λs=-4°，rE=0.8mm。分不測量車刀的后刀面磨損VB與前刀面月牙洼磨損KT，得到的刀具磨損曲線如圖1、圖2所示。能夠看出，YW1/TiC涂層刀片的耐磨性不僅遠(yuǎn)高于YT15(P10)，而且也高于YT30+TaC、(P01)，甚至還高于TiC基合金YN05(P01)；而且抗月牙洼磨損的耐磨能力尤為顯著。

作者又用YW3硬質(zhì)合金刀片為基體，在某研究院的HTCVD涂層爐中，涂上單層、雙層、三層的涂層材料，形成三種涂層刀片；YW3/TiC，YW3/TiC/TiN，YW3/TiC/Ti(C，N)/TiN。連同基體硬質(zhì)合金YW3，一同車削60Si2Mn鋼(HRC40)。切削用量αp=0.5mm，f=0.2MM/r，ν=150m/min，刀具幾何參數(shù)γ0=4°，α0=8°，κr=45°，λs=4°，rE=0.8mm。所得的后刀面磨損曲線見圖3。涂層刀片的耐磨性遠(yuǎn)高于未涂層刀片YW3；不同層數(shù)的涂層刀片，其耐磨性亦有一定差不，涂三層的領(lǐng)先，涂二層的次之．涂單層的更次之，但差不不是太大。

作者又用PVD(物理氣相沉積)涂層工藝，在YT15(P10)硬質(zhì)合金刀片基體上涂覆TiC，然后車削60Si2Mn鋼(HRC40)，與YT15刀片進行車削對比。切削用量αp=1mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min。刀具幾何參數(shù)γ0=4°，α0=8°，κr=45°，λs=4°，rE=0.8mm。所得的后刀面磨損曲線見圖4。能夠看出，PVD涂層硬質(zhì)合金刀片的使用效果亦佳。PVD涂層溫度低，有利于降低硬質(zhì)合金涂層刀片的表面殘余應(yīng)力；但PVD涂層與基體間的結(jié)合強度稍遜于CVD工藝。隨著PVD工藝方法的進步，近年來應(yīng)用已日趨廣泛。

涂層刀片的切削力小于未涂層刀片，因刀—屑間摩擦系數(shù)減小。實驗表明，P類硬質(zhì)刀片涂TiC后切鋼，主切削力Fc約可減小3％～4％(與未涂層刀片比)，涂TiN或TiC/TiN，主切削力Fc約可減小6％～9％。Fp與Ff的減小尤為顯著。Al2O3涂層對切削力減小的效果與TiN涂層接近。

新型硬質(zhì)合金——添加稀土元素的硬質(zhì)合金

摘要：要緊介紹了添加稀土元素硬質(zhì)合金的性能和應(yīng)用，并列入一些試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：稀土元素；硬質(zhì)合金；切削刀具

1概述在WC基的硬質(zhì)合金中，添加少量的鈰(Ce)、釔(Y)等稀土元素，能夠改善合金的性能。在化學(xué)元素周期表中，稀土元素共有17個，其中一部分可得到應(yīng)用。不僅用于刀具材料，在礦山工具、模具、頂錘用硬質(zhì)合金中添加稀土元素也極有進展前景。我國稀土元素的資源極為豐富，故稀土硬質(zhì)合金的研制在世界上領(lǐng)先，專門多國家不具備這一條件。自“七五”、“八五”以來，我國工廠、研究院所已研制出專門多牌號的稀土硬質(zhì)合金：YG8R，YG6R，YG11CR，YW1R，YW2R，YT5R，YT14R，YT15R，YS25R。作者與本校師生對上述許多牌號進行過系統(tǒng)的切削試驗，探討過切削機理。

2稀土硬質(zhì)合金的機械、物理性能在P類、M類、K類硬質(zhì)合金中各選一個牌號，用稀土硬質(zhì)合金YG8R(相當(dāng)于K30)、YT14R(相當(dāng)于P20)、YW1R(相當(dāng)于M10)與未加稀土元素的一般硬質(zhì)合金YG8、YT14、YW1對比，其機械、物理性能經(jīng)測試列于表1。

由表1可見，添加稀土元素后，硬質(zhì)合金的斷裂韌性與抗彎強度有明顯增加；硬度亦有少許提高。

3切削力對比試驗用YT14R與YT14刀片車削45鋼(正火，HB=200)．用三向電阻式測力儀測量主切削力Fc、進給切削力Ff和徑向切削力Fp，并記錄下來，得到Fc-ν、Ff-ν，F(xiàn)p-ν曲線，如圖1所示(αp=2mm，f=0.21mm/r，干切)。

主切削力Fc的試驗公式為：Fc=2159αp0.89f0.84(N)(YT14R-45)Fc=2204αp0.86f0.80(N)(YT14-45)YT14R的主切削力平均低于YT14約6％。用YW1R、YW1刀片車削45鋼，切削力曲線略去，其試驗公式為：Fc=1771αp0.98f0.79(N)(YW1R-45)Fc=2196αp1f0.87(N)(YWl—45)

4摩擦系數(shù)對比測得三個方向的切削力以后，能夠按下列公式計算出前刀面與切屑之間的摩擦系數(shù)μ。μ=tan[tan-1{(Ff2+Fp2)0.5/Fc]+3γ0}式中，γ0—刀具前角在不同切削速度下，算出摩擦系數(shù)μ，繪成圖2。

能夠看出，YT14R的摩擦系數(shù)顯著地小于YT14。這是切削力減小的緣故。在用YW1R、YW1刀片切削時，也有同樣的規(guī)律。

5在連續(xù)切削條件下刀具磨損、使用壽命的對比(1)用YG8R、YG8刀片車削灰鑄鐵HT200(HB200)切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r，ν=120m/min刀具幾何參數(shù)γ0=5。，α0=8。，κr=90。，rE=0.6mm(2)用YT14R、YT14刀片車削高強度鋼38GrNi3MoVA(調(diào)質(zhì)，HRC38-40)切削用量αp=1mm，f=0.20mm/r刀具幾何參數(shù)γ0=5。，α0=8。，κr=90。，rE=0.8mm(3)用YW1R、YW1刀片車削38CrNi3MoVA(HRC38-40)切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r刀具幾何參數(shù)γ0=8。，α0=60，κr=90。，rE=0.5mm刀具磨損曲線與T-ν曲線見圖3、圖4。

從圖3、圖4可知，稀土硬質(zhì)合金刀具的使用壽命T約比未添加的合金增長20-50％。依照圖4，各種情況下的Taylor(泰勒)公式如下：ν=206.10/T0.18(YT14R—38CrNi3MoVA)ν=192.25/T0.18(YT14—38CrNi3MoVA)ν=178.4/T0.17(YW1R—38CrNi3MoVA)ν=173.3/T0.17(YW1—38CrNi3MoVA)

6在斷續(xù)切削條件下刀具磨損的對比用YW1R、YW1刀片車削合金鋼42CrMo齒輪(HB280，43個齒)。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動1周，車刀將承受43次沖擊。切削用量αp=1mm，f=O.2mm/r，ν=100m/min，沖擊頻率為216Hz．刀具磨損曲線見圖5。

由圖5可見，稀土硬質(zhì)合金YW1R抗沖擊的能力優(yōu)于YW1，即在同一磨損量VB下，YW1R刀片比YW1刀片能夠承受更多的沖擊次數(shù)(多出30～60％)。YT14R、YT14刀片在斷續(xù)切削時也有同樣的情況。全然緣故依舊因為添加稀土元素后，硬質(zhì)合金的斷裂韌性有所提高。

7稀土硬質(zhì)合金刀具的切削機理用稀土硬質(zhì)合金刀片YT14R與一般刀片YT14車削38CrNi3MoVA高強度鋼(HRC36～40)，改變4種切削速度，即v=60，100，140，180m/min，各切削3min，然后，借助于掃描電鏡上的能譜分析，測得車刀前刀面土月牙洼部分表面的成分，列于表2中。

W，Ti，Co為硬質(zhì)合金刀片中的化學(xué)元素，其中一部分往切屑表面擴散；Fe、Ni為切屑(工件)中的化學(xué)元素，其中一部分往刀片表面擴散。由表2可知，切削速度越高，則相互擴散的作用越強烈，即有更多的Fe、Ni元素由工件一方擴散到刀片表面；更多的W、Ti、Co元素由刀片一方擴散到切屑表面，使刀片表面的W、Ti、Co含量減少。含稀土元素的YT14R刀片與切屑之間的相互擴散顯著小于YT14刀片，即刀片表面的W、Ti、Co相對較多，而Fe、Ni元素從切屑一方過來較少，從而造成YT14R刀片表面硬度較高，耐磨性更好。進一步研究表明，稀土元素加入硬質(zhì)合金，能夠強化硬質(zhì)相，強化粘結(jié)相，并能凈化晶界。從而起到提高韌性、抗彎強度與硬度的效果。刀片硬度尤其是刀片表面硬度的提高，能夠減小刀片與切屑之間的摩擦系數(shù)，從而降低切削力。添加稀土元素的硬質(zhì)合金以其改善了韌性與抗彎強度的優(yōu)勢，最適用于粗加工刀具牌號、頂錘和拉絲模產(chǎn)品及鉆探工具。如YT5R在機械加工粗切削中發(fā)揮了專門大作用，YS25R存銑削中使用效果專門好。稀土硬質(zhì)合金在21世紀(jì)中必有進展和應(yīng)用前景。新型刀具材料――陶瓷

摘要：介紹了陶瓷刀具材料的種類和進展過程、陶瓷刀具材料的性能和應(yīng)用范圍，并列入一些切削試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：陶瓷；氧化鋁基；氮化硅基；刀具材料；切削性能

1概述20世紀(jì)中，高速鋼和硬質(zhì)合金是應(yīng)用最廣泛的刀具材料。高速鋼的要緊化學(xué)成分是鐵、碳和其他合金元素(如W，Mo，Cr，V等)，形成碳化鐵與復(fù)合碳化物，而具備切削刀具所需的性能。硬質(zhì)合金的要緊化學(xué)成分是碳化鎢、碳化鈦、碳氮化鈦及鈷等。硬質(zhì)合金硬度達(dá)HRA89～93.5，抗彎強度達(dá)0.9～1.6GPa以上，其切削性能高于高速鋼。在20世紀(jì)中，又出現(xiàn)了以氧化物、氮化物為要緊成分的刀具材料――陶瓷(Ceramics)。早在古代，陶瓷在人類生活中已得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)前期，人們已開始研制作為刀具材料的陶瓷，其硬度尚可，但太脆，難以真正付諸應(yīng)用。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)和中國掀起了應(yīng)用陶瓷刀具的熱潮，當(dāng)時用“冷壓法”制造，硬度達(dá)HRA91～92，抗彎強度僅為0.40-0.45GPa，用作刀具進行切削加工時，“打刀”與“崩刃”嚴(yán)峻。不久，那個熱潮廉價告停止，只在極少數(shù)場合堅持應(yīng)用。通過長期的努力，陶瓷刀具材料的制造技術(shù)不斷改進，機械性能大幅度提高。到20世紀(jì)80年代，硬度達(dá)HRA91～95，抗彎強度達(dá)0.70～0.95GPa。盡管陶瓷的抗彎強度和斷裂韌性仍不如硬質(zhì)合金，但已能滿足某些切削加工的要求，因此應(yīng)用范圍又逐漸廣泛起來。目前，陶瓷刀片的制造要緊用熱壓法，立即粉末狀原料在高溫高壓下壓制成餅狀，然后切割成刀片。另一種方法是冷壓法，立即原材料粉末在常溫下壓制成坯，經(jīng)燒結(jié)成為刀片。熱壓法制品質(zhì)量好，因此是目前陶瓷刀片的要緊制造方法。

2陶瓷刀具材料的種類按化學(xué)成分，陶瓷刀具材料約能夠分為氧化鋁系、氮化硅系、復(fù)合氮化硅一氧化鋁系三大類。2.1氧化鋁系陶瓷最早的這類陶瓷是純氧化鋁陶瓷，其成分幾乎全是A12O3，只是添加了專門少量(0.1～0.5％)的MgO或Cr2O3，TiO2等，經(jīng)冷壓制成刀片。這種陶瓷刀片的硬度為HRA91～92，但抗彎強度專門低，只及0.40～0.45GPa左右。20世紀(jì)50年代曾用過這種刀片，但難以推廣。后來，采納氧化鋁―碳化物復(fù)合陶瓷，即以A12O3基加入TiC、WC、SiC、TaC等成分，經(jīng)熱壓成復(fù)合陶瓷。其中以A12O3-TiC復(fù)合陶瓷用得最多，加入的TiC在30～50％之間，有的還在A12O3-TiC中再添加少良的Mo、Ni、Cr、W、Cr等金屬。Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷的硬度達(dá)HRA93～95，抗彎強度達(dá)0.7～0.9GPa。若添加金屬后，抗彎強度有所提高，但硬度下降。氧化鋁亦可與氧化鋯組合成為Al2O3-ZrO2復(fù)合陶瓷。與A12O3-TiC復(fù)合陶瓷相比，Al2O3-ZrO2的硬度較低(HRA91～92)，抗彎強度僅及O.7GPa，僅斷裂韌性提高，它的應(yīng)用不如Al2O3-Tic廣泛。還有Al2O3-Zr復(fù)合陶瓷，硬度達(dá)HRA93.2，抗彎強度達(dá)0.8GPa。此外，還有Al2O3-TiC-ZrO2與Al2O3-TiB2等復(fù)合陶瓷。2.2

氮化硅系陶瓷僅添加少量其他成分的純氮化硅陶瓷用得專門少。Si3N4-TiC-Co復(fù)合陶瓷的性能好，其韌性和抗彎強度高于Al2O3基陶瓷，而硬度不下降；導(dǎo)熱系數(shù)亦高于Al2O3陶瓷。Si3N4-TiC-Co及Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷在生產(chǎn)中用得都比較廣泛。2.3復(fù)合氮化硅―氧化鋁系陶瓷Si3N4-Al2O3-Y2O3復(fù)合陶瓷叫賽阿龍(Sialon)，是后來研制成功的一種新型復(fù)合陶瓷。例如，美國Kennametal公司的Sialon牌號KY3000，其成分為Si3N477％，A12O313％，Y2O310％，硬度達(dá)HVl800，抗彎強度達(dá)1.2GPa，韌性高于其他陶瓷。美國Greeleaf公司研制的Gem4B和瑞典Sandvik公司研制的CC680差不多上Sialon陶瓷。表1列出了國內(nèi)外要緊廠家所生產(chǎn)的陶瓷刀片的牌號、成分及要緊性能。

在Al2O3或Si3N4基體中，加入SiC品須形成“晶須增韌陶瓷”。在表1中列入了“晶須增韌陶瓷”的國內(nèi)外牌號。這種陶瓷刀片的斷裂韌性有顯著提高。

3陶瓷刀具材料的應(yīng)用不同種類的陶瓷刀具材料有著不同的應(yīng)用范圍。氧化鋁系的陶瓷要緊加工各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵等)和各種鋼料(碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強度鋼、高錳鋼、淬硬鋼等)；也能夠加工銅合金、石墨、工程塑料和復(fù)合材料。不宜加工鋁合金、鈦合金，這是由于化學(xué)性質(zhì)的緣故。氮化硅系陶瓷不能加工出長屑的鋼料(如正火、熱軋狀態(tài))，其余加工范圍與氧化鋁系陶瓷近似。Sialon陶瓷要緊加工各種鑄鐵(含冷硬鑄鐵)與高溫合金，不宜切削鋼料。目前，陶瓷刀具材料要緊應(yīng)用于車削、鏜削和面銑等精加工和半精加工工序。最適宜加工淬硬鋼、高強度鋼與高硬度鑄鐵，切削效果比之硬質(zhì)合金刀具有顯著提高；加工一般硬度的鋼材和鑄鐵，效果常不如上述顯著。陶瓷刀具的良好切削效果將在以下的切削試驗中得到證實。

4切削試驗4.1作者用Si3N4基復(fù)合陶瓷刀片HDM-3車削冷硬鑄鐵(HRC52～55)，并與亞微細(xì)粒硬質(zhì)合金刀片YS1O作對比。切削用量αp=0.3mm，f=0.1mm/r刀具幾何參數(shù)γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-4°，rE=0.8mm，br=0.5mm，γ01=-15°～-20°。得到T-ν曲線圖如圖1所示。Talyor方程如下：ν=290/T0.20(m/min)(HDM-3)ν=240/T0.27(m/min)(YS10)HDM-3的使用壽命顯著提高。4.2用Si3N4基添加SiC晶須的復(fù)合陶瓷HDM-2車削CrMnB淬硬鋼(HRC60～64)，并與亞微細(xì)粒硬質(zhì)合金刀片YS8作對比。切削用量αp=O.3mm，f=O.1mm/r刀具幾何參數(shù)γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-4°，rE=0.5mm，br=0.2～0.3mm，γ01=-20°。收VB=O.3mm，得到T-ν曲線圖如圖2所示。Talyor方程如下：ν=318/T0.42(m/min)(HDM-2)ν=102/T0.27(m/min)(YS8)HDM-2使用壽命顯著提高。4.3又用Al2O3基復(fù)合陶瓷刀片HDM-4車削高強度鋼38CrNi3MOVA(中溫調(diào)質(zhì)，HRC36～40)，并與碳氮化鈦基硬質(zhì)合金刀片YN20作對比。切削用量αp=0.5mm，f=0.1mm/r刀具幾何參數(shù)，各自選用合適的數(shù)值，本文從略。取VB=O.3mm，得到T-ν，曲線圖如圖3所示。Talyor方程如下：ν=42.5/T0.30(m/min)(HDM-4)ν=270/T0.19(m/min)(TN20)HDM-4使用壽命顯著提高。4.4再用HDM-4復(fù)合陶瓷刀片車削超高強度鋼35CrMnSi(中溫調(diào)質(zhì)，HRC44～49)，并與涂層硬質(zhì)合金刀片YB415作對比。切削用量αp=0.5mm，f=0.21mm/r刀具幾何參數(shù)γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-40°，rE=0.5mm。取VB=O.15mm，得到T-ν曲線圖如圖4所示。Talyor方程如下：ν=270/T0.17(M/min)(HDM-4)ν=190/T0.26(m/min)(YB415)HDM-4使用壽命顯著提高。4.5用HDM-1、HDM-2、HDM-3陶瓷刀片(差不多上Si3N4基)車削合金鋼花鍵軸(HRC47～50)，進行沖擊試驗。切削用量αp=O.3mm，f=0.1mm/r，ν=80m／min，其抗沖擊次數(shù)與破損情況如圖5所示。由圖5可見，Si3N4基添加SiC晶須的復(fù)合陶瓷HDM-2的抗沖擊性能最好，破損前沖擊次數(shù)達(dá)30000次。一般Si3N4基復(fù)合陶瓷HDM-3次之，達(dá)12000次；純Si3N4陶瓷HDM-1只達(dá)5000次。

5切削機理(1)陶瓷的常溫硬度和高溫硬度高于硬質(zhì)合金陶瓷的常溫硬度略高于硬質(zhì)合金。Al2O3基或Si3N4基陶瓷的硬度常為HRA92.5～94；而YG類與YT類硬質(zhì)合金的硬度則分不為HRA89～91與HRCHRA90～93。高溫硬度與硬質(zhì)合金差不較大，例如，在800℃時，硬質(zhì)合金YT15的硬度僅為HRA78；而陶瓷尚保持HRA89。故陶瓷刀具抗磨料磨損及切削硬材料的性能明顯優(yōu)于硬質(zhì)合金。(2)陶瓷的高溫彈性模量高于硬質(zhì)合金。在高溫下，陶瓷的彈性模量為420～520GPa，約與YT類硬質(zhì)合金相當(dāng)，但低于YG類硬質(zhì)合金；在高溫下，A12O3基與Si3N4基陶瓷的彈性模量降低較少，而硬質(zhì)合金降低較多。故陶瓷刀具切削硬材料時顯示出它的優(yōu)越性。(3)Al2O3基陶瓷在高溫下化學(xué)性能穩(wěn)定刀具材料形成自由能越低，則化學(xué)性能越穩(wěn)定。在1000℃時Al2O3、TiC、WC的形成自由能分不為-65、-45、-10kcal/mol，故Al2O3的化學(xué)穩(wěn)定性和抗擴散磨損的能力，不僅遠(yuǎn)高于WC，而且高于TiC，故Al2O3基陶瓷切削出長切屑的鋼材時，具有良好的切削性能。作者曾用HDM-4(Al2O3基)與HDM-3(Si3N4基)陶瓷車削高強度鋼38CrNi3MoVA(HRC36～40)，切削用量為αp=0.5mm,f=O.1mm/r，ν=170m/min。HDM-4切削20min后，前刀面上形成月牙洼的寬度僅為0.3mm；而HDM-3切削6.8min后，月牙洼寬度就已達(dá)到0.6mm。在掃描電鏡上對兩種陶瓷刀具的月牙洼中部表面進行能譜分析，結(jié)果見表2。

由表2可見，工件材料中的Fe元素大量擴散到HDM-3刀具的表面，與刀具中的成分化合形成新的物質(zhì)；而Fe元素進人HDM-4刀具表面甚少，故Al2O3基陶瓷適合切削出長切屑的鋼材，而Si3N4基陶瓷對此不能勝任。超硬刀具材料——金剛石與立方氮化硼(一)

摘要：介紹了超硬刀具材料(金剛石與立方氮化硼)的種類、進展過程、制造方法、性能與應(yīng)用范圍，并列入了一些切削難加工材料的試驗數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：超硬材料；金剛石；立方氮化硼；刀具；切削性能

1前言現(xiàn)代刀具材料高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷的要緊硬質(zhì)成分是碳化物、氮化物、氧化物。例如，高速鋼是加入了合金成份(W、Mo等)的碳化鐵；硬質(zhì)合金要緊是碳化物、氮化物和碳氮化物：陶瓷則是氧化物和氮化物。這些化合物的硬度最高達(dá)3000HV，加上粘結(jié)物質(zhì)其總體硬度在2000HV以下。關(guān)于現(xiàn)代工程材料的加工，在某些情況下，上述刀具材料的硬度已不敷使用，因此超硬刀具材料便應(yīng)運而生，20世紀(jì)的后40年中有了較大的進展。超硬材料的化學(xué)成分及其形成硬度的規(guī)律與其他刀具材料不同，立方氮化硼是非金屬的硼化物，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方體；而金剛石由碳元素轉(zhuǎn)化而成，其晶體結(jié)構(gòu)與立方氮化硼相似。它們的硬度大大高于其他物質(zhì)。在幾千年前，人類就差不多發(fā)覺和使用天然金剛石；而人造金剛石的制造和應(yīng)用則是上一個世紀(jì)中的事。氮化硼差不多上人造的。在20世紀(jì)后期，人造金剛石和立方氮化硼兩種超硬材料得到了飛躍的進展。人造金剛石以往多在高溫、高壓(熱壓法)條件下形成，稱為PCD，后來又出現(xiàn)了其他制造方法。PCD人造金剛石的研究始于1940年，1954年美國正式宣告此種金剛石研制成功，1957年開始工業(yè)生產(chǎn)。瑞典于1953年宣告成功，1962年開始工業(yè)生產(chǎn)。到1969年，全世界人造金剛石產(chǎn)量為4000萬克拉(carat)；當(dāng)時天然金剛石年產(chǎn)量為4400萬克拉。1963年中國宣告PCD制造成功。1996年，中國人造金剛石產(chǎn)量達(dá)2.4億克拉，出口6～8.5千萬克拉。90年代末，中國年產(chǎn)量達(dá)5億克拉，居全世界首位。最大的外國公司年產(chǎn)人造金剛石近年也達(dá)1億克拉以上。1957年，美國GE公司壓出CBN(立方氮化硼)單晶粉，70年代初，制成聚晶的PCBN刀具。1972年，蘇聯(lián)亦制成PCBN刀具。1966年，中國研制成功單晶CBN。稍后，制成PCBN。近年，又以化學(xué)氣相沉積(CVD)法制成人造金剛石。

2超硬刀具材料的種類超硬刀具材料，尤其是金剛石，其種類較多。立方氮化硼有CBN單品粉，用于制作磨具；還有PCBN聚晶片及PCBN聚晶復(fù)合片，用于制作刀具及其他工具。立方氮化硼是人造的。金剛石分天然金剛石(ND)與人造金剛石。人造金剛石有PCD單晶粉，用于制作磨具；PCD單晶粒，可做刀具；PCD聚晶片及聚晶復(fù)合片，用于制作刀具及其他工具；CVD金剛石薄膜及厚膜，可用于制作刀具、工具，并可作為光學(xué)、電子高科技原材料。

3超硬刀具材料的制造方法人造超硬刀具材料的制造方法專門多，那個地點要緊介紹熱壓法和氣相沉積法。熱壓法制造金剛石和立方氮化硼所用的設(shè)備是六面頂或兩面頂?shù)囊簤簷C。壓制單晶超硬材料．需將原料置于葉蠟石的腔體中。壓制PCD單晶粉的原料是石墨片，石墨片與觸媒劑Ni-Mn片層疊置于腔體中；壓制PCD聚晶片的原料是PCD單晶粉，加入結(jié)合劑Ni、Si、Co等；壓制CBN單晶粉的原料為六方氮化硼(HBN)粉；壓制PCBN聚晶片的原料為CBN單晶粉，同時需分不置人觸媒劑與結(jié)合劑。熱壓工藝示意圖見圖1、圖2。其壓力、溫度及加壓時刻均列于圖中。加壓過程中的壓力與升壓、終壓有所不同，葉蠟石腔體中的壓力與頂錘部的壓力也不一樣，圖1、圖2所示的壓力是指頂錘部的壓力。溫度是腔溫。時刻是加熱時刻、保溫時刻與降溫時刻等過程的總和，關(guān)于各種壓機，這些參數(shù)將有所不同，本文給出的數(shù)據(jù)只是一個大概的數(shù)字。

類似熱壓法制造PCD，還有“爆炸法”，在容器中利用炸藥爆炸產(chǎn)生高溫高壓，而使石墨轉(zhuǎn)化為金剛石。爆炸法的工藝和產(chǎn)品質(zhì)量均不易操縱，故專門少正式使用。CVD法是一種氣相沉積法。屬于這種工作原理在非金剛石基底上沉積金剛石的方法專門多，如“熱絲法CVD法”、“電子增強CVD法”、“微波PCVD法”、“射頻PCVD法”、“直流PCVD法”、“直流電弧PCVD法”、“直流等離子體噴射CVD法”、“電子回旋共振PCVD法”、“火焰燃燒法”、“準(zhǔn)分子激光CVD法”等?！盁峤zCVD法”最為常用。圖3為熱絲CVD金剛石厚膜生長沉積技術(shù)原理示意圖。原料為乙醇(酒精)、氫氣和甲烷，熱絲為Ta絲或W絲。加熱到2000～2500℃高溫的熱絲及在熱絲和基體間施加電壓而形成的等離子體，使氫分子與含碳?xì)怏w分子離解，形成原子態(tài)氫和能夠形成SP3鍵的碳?xì)浠鶊F。該基團在有原子氫的作用下在適當(dāng)溫度的基體表面經(jīng)歷吸附的化學(xué)過程，去氫而形成金剛石的碳結(jié)構(gòu)。操縱熱絲的溫度及施加電壓和電流密度，特不是氣體的組成、生長容器的壓力和基體溫度，即能有效地操縱膜生長的速率和成膜質(zhì)量。

在基體(襯底)上成厚膜后，需使膜與基體分離，并切割成一定形狀的小塊，再將小塊釬焊在硬質(zhì)合金上形成復(fù)合刀片或刀具，如圖4所示。

若制造CVD薄膜金剛石刀具，則在刀具直接沉積金剛石薄膜即可，膜厚僅為10μm左右。而厚膜的厚度能達(dá)0.5～0.6mm以上。4超硬刀具材料的性能超硬材料具有優(yōu)異的機械性能、物理性能和其他性能，其中有些性能專門適合于刀具。

4.1具有專門高的硬度天然金剛石的硬度達(dá)10000HV；CBN的硬度達(dá)7500HV。與其他硬物質(zhì)相比，SiC硬度為3000～3500HV，A12O3為2700HV，TiC為2900～3200HV，WC為2000HV，Si3N4為2700～3200HV；作為刀具材料用的硬質(zhì)合金，其硬度僅為1100～1800HV。

4.2具有專門好的導(dǎo)熱性人然金剛石的熱導(dǎo)率達(dá)2000W?m-1?K-1，CBN的熱導(dǎo)率達(dá)1300W?m-1?K-1。紫銅的導(dǎo)熱性專門好，其熱導(dǎo)率僅為393W?m-1?K-1；純鋁為226W?m-1?K-1，故金剛石與CBN的熱導(dǎo)率分不是紫銅的5倍和3.5倍，是純鋁的8倍和5倍。硬質(zhì)合金的熱導(dǎo)率僅為35～75W?m-1?K-1。

4.3具有專門高的楊氏模量天然金剛石的楊氏模量達(dá)1000GPa，CBN的楊氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、WC、TiC的楊氏模量僅分不為390、350、650、330GPa。物質(zhì)的楊氏模量大確實是剛性好。

4.4具有專門小的熱膨脹天然金剛石的線膨脹系數(shù)為1×10-6/K，CBN的線膨脹系數(shù)為(2.1～2.3)×10-6/K。而硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)為(5～7)×10-6/K。

4.5具有較小的密度天然金剛石的密度為3.52g/cm3，CBN的密度為3.48g/cm3。與Al2O3、Si3N4的密度接近。

4.6具有較低的斷裂韌性天然金剛石的斷裂韌性為3.4MPa?m0.5,CBN與之接近。陶瓷刀具材料的斷裂韌性在各種刀具材料中是屬于較低者，然尚能達(dá)7～9MPa?m0.5。故金剛石與CBN性脆，是其弱點。

4.7化學(xué)性質(zhì)CBN熱穩(wěn)定性好，在大氣中達(dá)1300～1500℃不分解。對鐵族元素呈惰性；在酸中不受滲蝕，在堿中約300℃時即受浸蝕；與過熱的水蒸汽也能起作用。金剛石在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；在氧氣中約660℃開始石墨化，鐵族元素特不是鐵元素能催進石墨化；在酸、堿中都不受浸蝕。

4.8電學(xué)性質(zhì)純凈的不含雜質(zhì)的金剛石是絕緣體，室溫下電阻率在1016Ω?cm以上。只有摻人了其他元素后，才顯出半導(dǎo)體特性。同Si、Ce、As等半導(dǎo)體材料相比，金剛石具有特不寬的禁帶，小的介電常數(shù)，高的載電子遷移率，大的電擊穿強度，講明金剛石是一種性能優(yōu)良的寬禁帶高溫(>500℃)半導(dǎo)體材料。天然金剛石無磁性；人造金剛石中若含有Ni、Co、Fe等觸媒雜質(zhì)，則具有磁性，雜質(zhì)越多，磁性越強。

4.9光學(xué)性質(zhì)金剛石具有專門高的折射率和強的散光性，還具有優(yōu)良的透光性能，能透過專門寬的波段。某些金剛石在紫外區(qū)、可見區(qū)直至遠(yuǎn)紅外區(qū)的大部波段(O.22～2.5μm)差不多上透明的。以上超硬材料所具備的優(yōu)異或特異的性能和性質(zhì)，決定了它們有著寬敞用途。與天然金剛石(ND)相比，人造聚晶金剛石(PCD)的硬度、楊氏模量和熱導(dǎo)率稍低，斷裂韌性、熱膨脹率稍高。人造CVD金剛石的各種性能則介于ND與PCD之間，更接近于天然金剛石。例如，天然金剛石的硬度達(dá)10000HV，PCD約為8000HV，CVD金剛石可達(dá)9000HV。

5超硬刀具材料的應(yīng)用范圍立方氮化硼具有高硬度、高熱穩(wěn)定性，對鐵族元素呈惰性，故最適合制作切削下列材料的刀具：切削各種淬硬鋼，包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、軸承鋼、模具鋼等；切削各種鐵基、鎳基、鈷基和其他熱噴涂(焊)零件。金剛石具有更高的硬度及其他優(yōu)異性能用，它所制作的刀具，應(yīng)用范圍更為廣泛，能夠加工各種難加工材料、非難加工材料；對有色金屬，要緊對銅、鋁及其合金，進行超周緊密削加工；因為金剛石刀具，尤其是天然金剛石刀具，其切削刃能夠磨得十分銳利，能夠研磨出納米級的鈍圓半徑；切削純鎢、純鉬；切削工程陶瓷、硬質(zhì)合金、工業(yè)玻璃；切削石墨、各種塑料；切削各種復(fù)合材料，包括金屬基與非金屬基的、纖維加強和顆粒加強的；用于牙科、骨科所用的各種醫(yī)療器械工具；用于各種木材加工刀具和石材加工工具；……金剛石和立方氮化硼單晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂紙。金剛石還大量用于制作拉絲模、砂輪修正器和石油、地礦部門的鉆探鉆頭。還用于各種耐磨件。大部分能用金剛石刀具切削的難加工材料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等，立方氮化硼刀具也能勝任，但一般立方氮化硼刀具的使用壽命低于金剛石刀具。而金剛石刀具不能加工鐵基材料。超硬刀具材料――金剛石與立方氮化硼(二)

摘要：介紹了超硬刀具材料(金剛石與立方氮化硼)在加工不同工件材料時的切削數(shù)據(jù)。工件材料包括銅、鋁合金和一些難加工材料。文中列出較多的試驗數(shù)據(jù)和曲線，闡述了超硬刀具的切削性能和切削處理。關(guān)鍵詞：超硬材料；金剛石；立方氮化硼；刀具；切削性能；切削機理1前言隨著現(xiàn)代科技的進展，各種新型工件材料得到了進展和應(yīng)用。其中有許多是難加工材料，且其加工精度與技術(shù)條件的要求越來越高。傳統(tǒng)的刀具材料，如高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等常不能滿足上述加工的需要，而必須采納超硬材料刀具。由于超硬刀具材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)專門小，制成刀具時能夠刃磨、研磨出極其銳利的切削刃。故超硬材料刀具能夠進行周緊密削與超周緊密削。在這一方面，金剛石刀具尤為突出，人們常用金剛石刀具對有色金屬及其合金進行超周緊密削。利用超硬材料刀具有高硬度、高楊氏模量、高導(dǎo)熱性能與低摩擦、低熱膨脹的特點，故可切削各種硬材料和難加工材料。然而，除考慮超硬刀具材料與被加工材料之間機械、物理性能和匹配以外，還應(yīng)注意它們之間化學(xué)性能的匹配。本文中將闡明PCPN刀具加工淬硬鋼與冷硬鑄鐵的優(yōu)越性，和金剛石刀具不能切削淬硬鋼的緣故，并列出切削試驗數(shù)據(jù)。本文還將介紹超硬材料刀具切削難加工材料(如純Mo、純W數(shù)種硬脆非鐵質(zhì)金屬與非金屬材料以及復(fù)合材料等)的情況，列出切削試驗數(shù)據(jù)，分析切削機理。

2聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具切削淬硬鋼用PCBN刀具車削淬硬鋼T10A(60～63HRC)，并與人造金剛石(PCD)、硬質(zhì)合金YS8、Si3N4基復(fù)合陶瓷刀具進行對比。圖1所示為PCBN與PCD刀具的磨損曲線。

切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，ν=84m/min刀具幾何參數(shù)：γ0=0°，α0=8°PCBN：κr=45°，λs=0°，rε=0.5mm，bγ1=0.2mm，γ01=-20°PCD：rε=4mm，λs=0°，bγ1=0.2mm，γ01=-20°不加切削液。圖2所示為YS8與Si3N4基復(fù)合陶瓷刀具的磨損曲線。

切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，0=44m/min刀具幾何參數(shù)：γ0=-8°，α0=8°，κr=45°，λs=-4°，rε=0.5mm。不加切削液。由圖1、圖2能夠看出，在車削淬硬鋼時，Si3N4基復(fù)合陶瓷刀具的磨損略小于YS8硬質(zhì)合金，它們的切削速度低，ν=44m/min。在切削速度高達(dá)ν=84m/min時，PCBN的后刀面磨損量大為減緩。切削時刻近30min，VB=0.25～0.3mm。但PCD刀具急劇磨損。因為在700℃以上，金剛石在Fe元素的催化作用下轉(zhuǎn)化為石墨而失去了硬度。金剛石中的C元素易向淬硬鋼工件方面擴散，降低刀具的硬度。在700～800~C溫度下，它也能產(chǎn)生氧化反應(yīng)：C+O→COCO+O→CO2作者還用PCBN刀具車削淬硬合金鋼CrMnB(60～64HRC)，切削用量、刀具幾何參數(shù)同上，但切削速度從18m/min到150m/min范圍內(nèi)變化，分為6檔，得到6條磨損曲線；然后規(guī)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為VBs=0.2mm，進一步得到T-ν曲線如圖3所示。

其泰勒(Taylor)方程：ν=11000/T1.84盡管6把PCBN刀具的切削數(shù)據(jù)比較分散，但仍有刀具耐用度隨切削速度提高而降低的規(guī)律。但m=1.84，比一般刀具的m值大得多，講明切削速度在18～150m/min范圍內(nèi)對刀具耐用度的阻礙專門小。3聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具車削冷硬鑄鐵用PCBN刀具車削球墨冷硬鑄鐵(含C2.8～3.5％，Mn0.4～1.0％，Si0.3～3.2％)，硬度為58～68HS。切削用量：αp=O.3mm，f=0.22mm/r，v=-60m/min刀具幾何參數(shù)：γ0=-3°，α0=8°，κr=84°，λs=0°，rε=0.6mm，bγ1=O.25mm，γ01=-15°，不加切削液。圖4為這一組試驗的磨損曲線。可見PCBN刀具的耐用度相當(dāng)長，切削路程達(dá)8000m時，VB值僅為0.16mm。

若用硬質(zhì)合金YG6X刀具車削冷硬鑄鐵，切削速度只能采納6～10m/min，其刀具耐用度和加工效率均比PCBN刀具低得多。在工業(yè)工程與機械制造中，黑色金屬特不是鋼、鐵用量最大，故PCBN在鋼、鐵的硬切削中能發(fā)揮重大作用。PCBN刀具正可補金剛石刀具之不足。

4超硬刀具切削純鉬、純鎢用CVD金剛石厚膜刀具車削純鉬棒，硬度為125HBS。切削用量：αp=0.1mm，f=0.05mm/r，v=32.3～64m/min切削試驗中：兼用硬質(zhì)合金813作對比。刀具幾何角度：CVDγ0=-5°，α0=7°，κr=45°，λs=3°，rε=0.5mm813γ0=30°，α0=9°，κr=90°，λs=O°，rε=0.3mm不用切削液。CVD厚膜金剛石刀具用兩種切削速度：第一種：ν=64m/min，與813對比，現(xiàn)在CVD刀具磨損甚快。第二種：ν=32.3m/min，也不如813。刀具磨損曲線如圖5所示。

由圖5可見，硬質(zhì)合金813刀具用ν=64m/min車削純鉬時，刀具磨損比CVD金剛石刀具慢得多，CVD金剛石刀具的切削速度降低到32.3m/min時，也不能改變這一狀況?？雌饋斫饎偸毒叩母哂捕炔黄鹱饔谩Ｓ腥苏J(rèn)為