1 刀具材料的重要作用及其發(fā)展過(guò)程
刀具材料的發(fā)展與人類(lèi)社會(huì)生活、生產(chǎn)的發(fā)展,有著極為密切的關(guān)系。對(duì)于古人類(lèi),“刀”和“火”的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用,是兩項(xiàng)*偉大的發(fā)明,是人類(lèi)登上歷史舞臺(tái)的重要標(biāo)志刀具材料的改進(jìn)推動(dòng)著人類(lèi)社會(huì)文化和物質(zhì)文明的發(fā)展。例如在人類(lèi)歷史中,曾有過(guò)舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代,青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代等。與石器時(shí)代對(duì)應(yīng)的是人類(lèi)的原始社會(huì);與青銅器時(shí)代對(duì)應(yīng)的是人類(lèi)的奴隸社會(huì);與鐵器時(shí)代對(duì)應(yīng)的是人類(lèi)的封建社會(huì)及其以后的時(shí)代。
在傳統(tǒng)的機(jī)械加工中,刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀具幾何形狀是決定刀具切削性能的三大要求,其中刀具材料起著關(guān)鍵作用。在計(jì)算機(jī)集成先進(jìn)制造系統(tǒng)出現(xiàn)后,在刀具使用中還應(yīng)考慮“刀具系統(tǒng)”問(wèn)題。近年來(lái),各種難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用,先進(jìn)制造系統(tǒng)、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“綠色制造”和“潔凈制造”的發(fā)展與付諸實(shí)用,都對(duì)刀具特別是對(duì)刀具材料提出了更高、更新的要求。
古人類(lèi)仍能在大自然中尋用天然材料制作工具,如玉、石、天然金剛石甚至隕鐵都曾得到過(guò)應(yīng)用。在奴隸制社會(huì),曾用青銅制作工具;在“春秋”、“戰(zhàn)國(guó)”之交,特別是到了秦朝的時(shí)代,進(jìn)人封建社會(huì)的時(shí)候,鋼、鐵工具開(kāi)始出現(xiàn),碳素工具鋼開(kāi)始得到應(yīng)用,那時(shí)的碳素工具鋼與現(xiàn)代的T10、T12等鋼種已十分接近。與石料、銅料相比,碳素工具鋼具有更高的硬度,切削刃能夠磨得很鋒利,故切削效率和加工質(zhì)量相對(duì)較高。但碳素工具鋼只能承受200-250℃的切削溫度,用以切削一般鋼材只能應(yīng)用5-8 m/min的切削速度,不能滿(mǎn)足更高切削效率的要求。1865年,英國(guó)的羅伯特·墨希特(Rohert Mushet)發(fā)明了合金工具鋼,其牌號(hào)有CrWMn,9CrSi等,能承受350℃的切削溫度,加工一般鋼材時(shí)切削速度可提高到10-12m/min。為了適應(yīng)加工效率進(jìn)一步提高的要求,美國(guó)機(jī)械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)于1898年發(fā)明了高速鋼,當(dāng)時(shí)的成分為C0.67%, W18.91%,Cr5.47%,V0.29%,Mn0.11%,F(xiàn)e為余量。它能夠承受550-600℃的切削溫度,切削一般鋼材可采用25-30m/min的切削速度、從而使其加工效率比碳素工具鋼洽金工具鋼分別提高了4倍和2.5倍以上,從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,曾使美國(guó)、英國(guó)等主要資本主義國(guó)家的切削水平出現(xiàn)了一個(gè)飛躍,從而獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,機(jī)械制造工業(yè)也賴(lài)以迅速發(fā)展。
隨著人類(lèi)生話、生產(chǎn)水平的提高,高速鋼刀具已不能滿(mǎn)足高效率加工、高質(zhì)量加工以及難加工材料切削的要求。20世紀(jì)20年代到30年代,人們發(fā)明了鎢鈷類(lèi)和鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金,其常溫硬度達(dá)89-93HRA,能承受800-900℃以上的高溫,切削速度可以是高速鋼刀具的4-5倍以上,因而被迅速推廣應(yīng)用。在第二次世界大戰(zhàn)期間,由于兵工生產(chǎn)的需要,美、英、蘇、德各國(guó)開(kāi)始部分使用硬質(zhì)合金刀具;二戰(zhàn)結(jié)束后,逐步擴(kuò)大使用。50年代初,我國(guó)從蘇聯(lián)少量引進(jìn)硬質(zhì)合金,替代高速鋼刀具在生產(chǎn)中應(yīng)用。后來(lái),在蘇聯(lián)援助下,我國(guó)建設(shè)了株洲硬質(zhì)合金廠;又自力更生,用本國(guó)的技術(shù)和力量,建成了自貢硬質(zhì)合金廠。經(jīng)過(guò)40年的努力,中國(guó)硬質(zhì)合金刀具材料的產(chǎn)量已居世界各國(guó)的前列,成為生產(chǎn)硬質(zhì)合金的大國(guó),20世紀(jì)后半期,工件材料的品種不斷增多,其機(jī)械性能不斷提高,工件的批量和加工精度也不斷加大和提高,因而對(duì)刀具的使用性能不斷提出更新、更高要求。硬質(zhì)合金刀具材料為了適應(yīng)新的要求,自身有了更新的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新品種,其性能比之過(guò)去有了很大的提高。與高速鋼刀具相比,硬質(zhì)合金刀具較脆,韌性不足,可加工性也不好,故開(kāi)始時(shí)只用于一般車(chē)刀,后發(fā)展到用于面銑刀及其他刀具;但迄今為止,仍不能用于所有種類(lèi)的刀具。高速鋼刀具也有了發(fā)展,出現(xiàn)了許多新品種。然而,半個(gè)世紀(jì)來(lái),一半以上的高速鋼刀具被硬質(zhì)合金刀具所替代;高速鋼刀具材料憑借其良好的韌性和可加毛性,仍固守著切削刀其中不足一半的陣地。當(dāng)代,硬質(zhì)合金和高速鋼是兩種*主要的、用得*多的刀具材料。它們的總和當(dāng)占全部刀具的95%以上。
硬質(zhì)合金刀具仍不能滿(mǎn)足現(xiàn)代高硬度工件材料和超精密加工的要求,于是更新的刀具材料相繼出現(xiàn)。20世紀(jì)中期出現(xiàn)了氧化鋁及氧化鋁基復(fù)合陶瓷,稍后又出現(xiàn)了氮化硅及氮化硅基復(fù)合陶瓷。20世紀(jì)中后期,又制造出人造立方氮化硼和人造金剛石兩種超硬刀具材料,它們的硬度大幅度地高于硬質(zhì)合金與陶瓷由于韌性和可加工性的不足,以及價(jià)格等原因,陶瓷、氮化硼及金剛石刀具材料的應(yīng)用尚受到更大的局限。
綜上所述,刀具(工具)材料的發(fā)展,對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮了極其重要的作用。20世紀(jì)中,刀具(工具)材料的發(fā)展比過(guò)去幾十世紀(jì)要快得多C刀具材料的品種、類(lèi)型、數(shù)量、性能都有了很大的發(fā)展和提高!鞍倩R放,推陳出新”;20世紀(jì)特別是后平個(gè)世紀(jì),刀具材料大發(fā)展,大提高,令人眼花繚亂,目不暇接,從而推動(dòng)人類(lèi)的物質(zhì)文明迅猛前進(jìn)。
2 刀具材料的化學(xué)成分
在古代,人類(lèi)所用的刀具材料多為天然物質(zhì),如石材、天然金剛石等。近代、現(xiàn)代所用的刀具材料絕大多數(shù)出于人造,以便保證大量供應(yīng),并使質(zhì)地均勻、可靠。
縱觀現(xiàn)代的各種刀具材料,除金剛石的原料為石墨(碳元素)外,其他品種都離不開(kāi)碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。如表1至表4所示,這些化合物都具有高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量等特性,這正是刀具材料所需要的性質(zhì)。
從表可以看出,表中多為碳元素、氮元素、氧元素或硼元素與金屬元素的化合物;但也有例外,如SiC,B4C和Si3N等,硅(Si)和硼(B)并不是金屬,但結(jié)合后,硬度也很高,可以作為刀具材料而被利用。而氮(N)與硼(B)的結(jié)合,更能形成超硬刀具材料CBN。
表 各種化合物的性質(zhì)
| 性質(zhì)
|
密度
10³kg/m³
| 熔點(diǎn)
℃
| 硬度
HV
| 彈性模量
GPa
|
碳化物
| TiC
| 4.85-4.93
| 3180-3250
| 2900-3200
| 316-488
|
ZrC
| 6.44-6.9
| 3175-3540
| 2600
| 323-489
|
HfC
| 12.20-12.70
| 3885-3890
| 2533-3202
| 433
|
VC
| 5.36-5.77
| 2810-2865
| 2800
| 260-274
|
TaC
| 14.48-14.65
| 3740-3880
| 1800
| 371-389
|
NbC
| 7.82
| 3500-3800
| 2400
| 344
|
WC
| 15.6-15.7
| 2627-2900
| 2400
| 536-721
|
Mo2C
| 8.90
| 2690
| 1500
| 544
|
B4C
| 2.50-2.54
| 2350-2470
| 2400-3700
| 295-458
|
SiC
| 3.21-3.22
| 2200-2700分解
| 3000-3500
| 345-422
|
Cr3C2
| 6.68
| 1895
| 1800
| 380
|
Cr7C3
| 6.92
| 1782
| 1882
| -
|
Cr23C6
| 6.97-6.99
| 1518
| 1663
| -
|
Fe3C
| -
| 1650
| 860
| -
|
氮化物
| TiN
| 5.44
| 2900-3220
| 1800-2100
| 616
|
ZrN
| 7.35
| 2930-2980
| 1400-1600
| -
|
HfN
| 13.94
| 3300-3307
| 1500-1700
| -
|
VN
| 6.08
| 2050-2360
| 1500
| -
|
TaN
| 14.1
| 2980-3360
| 1060
| 587
|
NbN
| 8.26-8.40
| 2050
| 1400
| 493
|
Nb2N
| 8.33
| 2420
| 1720
| -
|
BN(立方)
| 3.48-3.49
| 2720-3000分解
| 7000-8000
| 720
|
Si3N4
| 318-3.19
| 1900分解
| 2670-3260
| 470
|
AlN
| 3.25-3.30
| 2200-2300分解
| 1225-1230
| 281-352
|
CrN
| 6.1
| 1500
| 1000-1188
| -
|
Cr2N
| 6.51
| -
| 1522-1629
| -
|
Mo2N
| 8.04
| -
| 630
| -
|
WN
| -
| 800
| -
| -
|
氧化物
| TiO2
| 4.24
| 1855-1885
| 1000
| 240-290
|
ZrO2
| 6.27
| 2900
| 1300~1500
| 250
|
HfO2
| 9.68
| 2780-2790
| 940-1100
| -
|
VO5
| 3.36
| 670-685
| -
| -
|
Ta2O5
| 8.37
| 1755-1815
| 890-1290
| -
|
Nb2O5
| 4.95
| 1470-1510
| 726
| -
|
WO2
| 6.47
| 1473-2130
| -
| -
|
Al2O3
| 3.97
| 2050
| 2300-2700
| 370
|
Cr2O4
| 5.21
| 2309-2359
| 2945
| -
|
硼化物
| TiB2
| 4.38
| 2790
| 3310-3430
| 540
|
ZrB2
| 6.17
| 3200
| 2230-2274
| 350
|
HfB2
| 10.5
| 3250
| 2400-3400
| -
|
VB2
| 5.06-5.28
| 2400
| 2797-2803
| 273
|
TaB2
| 12.38
| 3037
| 2460-2540
| 262
|
NbB2
| 6.97
| 3000
| 2600
| 650
|
W2B2
| 11.0
| 2370
| 2650-2675
| 790
|
CrB2
| 5.22
| 2200
| 2020-2180
| 215
|
FeB
| 7.15
| 1650
| 1600-1700
| 350
|
Fe2B2
| 7.34
| 1410
| 1290-1390
| 290 |
在刀具材料的成分中碳化物用得*多。人們對(duì)碳化物的研究較為透徹,所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)也較多。各種金屬碳化物分1型、2型、3型、6型、7型,23型等,即MC(如WC,Tic,ZrC等)、M2C(如Mo2C等M3C(如Fe3C、Cr3C2等)、M6C(如Fe3(W,Mo)3C6等),M3C(如Cr7C3等),M23C(如Cr23C6)。各型碳化物的形成,均遵循一定規(guī)律,也能形成復(fù)合碳化物,但其物理、力學(xué)性能測(cè)試還不夠,難以查到確切的數(shù)據(jù)。
對(duì)于碳素工具鋼,其主要成分是Fe3C,即滲碳體合金工具鋼中有復(fù)合碳化物,如合金滲碳體(F,Cr)3C等。高速鋼中有更多的復(fù)合碳化物。如鎢系高速鋼,M6C(Fe3W3C, Fe4W2C)是主要的成分在鎢釗系高速鋼中,M6C也是主要成分,其形式為Fe3(W,Mo)3C和Fe4(W、Mo)2C。
硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)相主要為MC (WC, TiC)等,但經(jīng)常加人Ta,Nb等元素而形成復(fù)合的碳化物,且必須用Co,Ni等元素為粘結(jié)材料。陶瓷中常用Al2O3和Si3N4為基體材料,但經(jīng)常加人碳化物、其他氧化物、其他氮化物或硼化物形成復(fù)合陶瓷。非金屬氮化物Si3N4在陶瓷中發(fā)揮了重要作用,形成了陶瓷刀具材料的一個(gè)重要分支。立方氮化硼也是一種非金屬氮化物。
表中的化合物只是碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的一部分;而已被付諸應(yīng)用并已為人們所熟知的只是表中的少數(shù)。因此,人們?cè)谘兄菩碌毒卟牧蠒r(shí),在化學(xué)組成上尚有選擇余地和很大的潛力叮挖當(dāng)然,表中所列的化合物并不是都能被應(yīng)用,因?yàn)槌丝紤]它們的綜合性能,還要顧及資源、價(jià)格、工藝等因素
3 刀其材料與工件材料的匹配 刀具、工件兩方面材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能必須得到合理的匹配,切削過(guò)程方能正常進(jìn)行,并獲得正常的刀具壽命,否則,刀具就可能會(huì)急劇磨損,其壽命很短。例如,硬度高的工件材料,就必須用更硬的刀具來(lái)加工;高速鋼刀具硬度不夠,不能用來(lái)切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵,硬質(zhì)合金和陶瓷刀具則能勝任,CBN刀具更佳加工硬脆材料,不僅要求刀具有很高的硬度,還要求有高的彈性模量,否則刃部難以支撐。用硬質(zhì)合金刀具加工淬硬鋼及其他硬脆材料,必須采用彈性模量較高、WC含量較多的K類(lèi)或M類(lèi)牌號(hào)。以上是力學(xué)性能的匹配不僅應(yīng)考慮刀具材料的常溫力學(xué)性能,還應(yīng)考慮其高溫性能。在加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí),應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的刀具,以使切削熱得以導(dǎo)出從而降低切削溫度。這是物理性能匹配的例子。
工件、刀具雙方材料中的化學(xué)元素如有容易化合、相互發(fā)生化學(xué)作用或擴(kuò)散作用者,應(yīng)設(shè)法回避。例如,含鈦的金屬材料——鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等,不能用含鈦元素的刀具進(jìn)行切削。也就是說(shuō),P類(lèi)硬質(zhì)合金、TiC基與Ti(C,N)基硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金(多數(shù)涂層材料含欽)均不能使用;應(yīng)采用K類(lèi)、M類(lèi)硬質(zhì)合金或高速鋼。凡加工塑性材料產(chǎn)生長(zhǎng)切屑且與前刀面發(fā)生摩擦者,應(yīng)特別注意刀一屑雙方元素的相互擴(kuò)散,故加工非淬硬鋼材應(yīng)當(dāng)采用P類(lèi)硬質(zhì)合金或Al203基陶瓷,而不能采用K類(lèi)合金與Si3N4基陶瓷。金剛石在600-700℃以上時(shí)將轉(zhuǎn)化為石墨,Fe元素將起催化作用而加速這種轉(zhuǎn)化,故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN*適合加工鋼鐵,但只能進(jìn)行干切削,水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學(xué)性能匹配的例子;瘜W(xué)作用在低溫條件下一般進(jìn)行緩慢,在高溫下加劇力學(xué)、物理、化學(xué)作用有時(shí)是產(chǎn)生綜合影響而相互關(guān)聯(lián)的,對(duì)它們的規(guī)律尤其是對(duì)化學(xué)作用的機(jī)理尚認(rèn)識(shí)不夠深人,有待進(jìn)一步研究。
4 刀具材料發(fā)展和展望
工件與刀具雙方交替進(jìn)展、相互促進(jìn),成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀(jì)前半、后半時(shí)期分別是高速鋼、硬質(zhì)合金大發(fā)展的年代。近50年中,硬質(zhì)合金不斷提高自身的性能,發(fā)展了許多新品種,從高速鋼的領(lǐng)域中占領(lǐng)了大片陣地,成為當(dāng)前用量超過(guò)一半的刀具材料,這是當(dāng)年人們所未能估計(jì)到的。預(yù)計(jì)在21世紀(jì),硬質(zhì)合金的使用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大;高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢(shì),仍將占有一定的陣地。由于資源、價(jià)格和性能的原因,陶瓷材料亦將得到發(fā)展,代替一部分硬質(zhì)合金刀具。然而,陶瓷與硬質(zhì)合金相比,由于其切削性能的差距不是那么巨大,加上其強(qiáng)度、韌性和可加工性的不足,未來(lái)陶瓷刀具的發(fā)展不會(huì)像過(guò)去硬質(zhì)合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應(yīng)用。新刀具材料的研制周期會(huì)越來(lái)越短,新品種、新牌號(hào)的推出將越來(lái)越快:在刀具材料發(fā)展中,硬度、耐磨性與強(qiáng)度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾有可能在21世紀(jì)中研制出既具有高速鋼、硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性,又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種涂層刀具復(fù)合片都能在一定程度上克服上述矛盾,故極有發(fā)展前景。在未來(lái),刀具材料將接受工件一方及制造系統(tǒng)更新、更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新品種的出現(xiàn)、各自所占比重的變化以及它們相互競(jìng)爭(zhēng)和相互補(bǔ)充的局面,將成為未來(lái)刀具材料發(fā)展的特點(diǎn)。
目前,碳化物、氮化物、氧化物、硼化物是刀具材料的主體成分。用石墨合成為人造聚晶金剛石已跳出了這個(gè)圈子。當(dāng)今常用的金剛石為C-12;美國(guó)CE公司已研制出同位素C-13的金剛石,其硬度、強(qiáng)度等均高于現(xiàn)有的金剛石。近期在太空中對(duì)碳分子試驗(yàn)的結(jié)果,又發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子組成的巴基球,即C-60,它比金剛石更堅(jiān)硬。或許C-13、C-60在未來(lái)能成為新的刀具材料。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外有人采用RF-PECVD法在刀具上涂孤C3N4薄膜,膜的硬度達(dá)到超硬材料的硬度,使刀具的使用壽命大為提高。
宇宙間物質(zhì)的形成和變化,復(fù)雜而奇妙:人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)尚處于膚淺階段。在未來(lái),可能會(huì)發(fā)現(xiàn)和制成嶄新的品種,具有優(yōu)異的性能,適合用作刀具的新材料。筆者期望,在21世紀(jì)中,刀具材料有出人意料的新的飛躍發(fā)展。 |