【木材切削原理与刀具】(53)一一硬质合金!

FOU 3周前 13浏览 0评论

  1)硬质合金的组成与性能硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物(称硬质相)和金属(称粘结相)通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金刀具中常用的碳化物有WC、TC、TaC和NbC等。常用的黏结剂是Co,碳化钛基的黏结剂是Mo、N。

  硬质合金的物理力学性能取决于合金的成分、粉末颗粒的粗细和合金的烧结工艺。合金中含高硬度、高熔点的硬质相愈多,其硬度和高温硬度愈高;含黏结剂愈多,其强度也愈高。在合金中加入TaC和MC有利于细化晶粒,这可提高合金的耐热性。常用的硬质合金牌号中含有大量的WC和TC,因此硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性均高于工具钢。硬质合金的常温硬度可达89-94HRA,耐热温度可达800-1000℃。

  2)普通硬质合金的分类、牌号与使用性能硬质合金按其化学成分与使用性能分为四类:钨钻类(WC+C),即YG类;钨钛钻类(WC+TiC+Co),即YT类;添加稀有金属碳化物类[WC+TC+TaC(NbC)+Co],即YW类;碳化钛基类(TC+WC+Ni+Mo),即YN类。最常用的国产牌号、性及对应的新国标牌号见表2-2。

  YG类合金的抗弯强度和韧性都比YT类的高,YG类合金可减少切削时的崩刃,但YG类得耐热性比YT类的差。YG类合金能承受对刀具的较大冲击,且其导热性较好,这有利于降低切削温度。此外,YG类合金磨削加工性好,它可以刃磨出较锋利的刃口。一般而言,合金中的含钴量愈高,其韧性也愈好。

  YT类合金有较高的硬度,特别是有较高的耐热性、较好的抗黏结和抗氧化能力。它主要用于加工以钢为代表的塑性材料。YT类合金磨损慢,刀具寿命高。合金中含TC量较多者,含Co量就少,耐磨性、耐热性就更好,适合精加工。但TiC量增多时,合金导热性变差,焊接与刃磨时容易产生裂纹。含TC量较少者,则适合粗加工。

  YW类合金中加入了适量的稀有难溶金属碳化物,以提高合金的性能。其中效果显著的是加入TaC或NC,加入的稀有难溶金属碳化物的质量分数一般在4%左右。TaC和NbC在合金中的主要作用是提高合金的高温硬度和高温强度。在YG类合金中加入TaC,可使合金在800℃时其强度提高约0.15-0.20GPa。在YT类合金中加入TaC,可使合金的高温硬度提高约50~100HV。TaC和NC还可提高合金的常温硬度、抗弯强度和冲击韧性,特别是提高合金的

  抗疲劳强度。除此之外,TaC和NhC能阻止WC晶粒在烧结过程中的长大,这有助于细化晶粒,以提高合金的耐磨性。

  TaC在合金中的质量分数达12%-15%时,可增加合金抵抗周期性温度变化的能力,防止其产生裂纹,并提高其抗塑性变形的能力。此外,TaC和NbC还可改善合金的焊接、刃磨工艺性和提高合金的使用性能。

  YN类合金的主要特点是硬度非常高,可达90-95HRA,它还有较好的耐磨性、耐热性和抗氧化能力,它在1000-1300℃高温下仍能进行切削。

  普通硬质合金中WC粒度为几个微米;细晶粒合金平均粒度在1.5μm左右;超细晶粒合金粒度在0.2-1pm之间,其中绝大多数在0.5um以下。

  由于细晶粒合金中的硬质相和黏结相高度分散,这增加了它的黏结面积和提高了它的黏结强度。因此,它的硬度和强度都比同样成分的合金高,且它的硬度提高约1.52HRA,抗弯强度提高约0.6~0.8CPa,并且高温硬度也能提高一些。

  在生产超细晶粒合金时,除必须使用细的WC粉末外,还应添加微量的抑制剂,以控制晶粒长大,并采用先进烧结工艺,成本较高。

  涂层硬质合金是20世纪60年代出现的新型刀具材料。常采用化学气相沉积(CVD)工艺,在硬质合金表面涂覆一层或多层(5-13μm)难溶金属碳化物。涂层合金有较好的综合性能,基体强度韧性较好,表面耐磨、耐高温。但涂层硬质合金的刃口锋利程度与抗崩刃性不及普通合金。涂层材料主要有:TiC、miN、Al203及其复合材料。它们的性能如表2-3所示。

  TiC涂层具有很高的硬度与耐磨性,抗氧化性也很好。因为切削时TiC涂层能产生氧化钛薄膜,所以它能降低刀具与工件的摩擦系数,从而减少刀具的磨损。一般TiC涂层刀具的切削速度可提高40%左右。TiC涂层的缺点是其线膨胀系数与基体的差别较大,这会导致涂层与基体间形成脆弱的脱碳层,从而降低了刀具的抗弯强度。

  TiN涂层在高温时能形成氧化膜,且其抗黏结性能好,这能有效地降低刀具的切削温度。此外TN涂层的抗热振性能也较好。TN涂层的缺点是它与基体的结合强度不及TiC涂层的,而且当涂层厚度大时涂层易剥落。

  TiC-TiN复合涂层:第一层涂Tic,能使涂层与基体黏结牢固不易脱落。第二层涂TN,能减少表面层与工件的摩擦。TrC-Al2O3复合涂层:第一层涂TC,能使涂层与基体黏结牢固不易脱落。第二层涂03,能使表面层具有良好的化学稳定性与抗氧化性能。这种复合涂层能像陶瓷刀具那样高速切削,其耐用度比TiC、TiN涂层刀片的都高,同时又能避免陶瓷刀的脆性易崩刃的缺点。

  目前单涂层刀片已很少应用,大多采用TiC-TiN复合涂层或TiCA203TN三复合涂层。

  钢结硬质合金是由WC、TiC作为硬质相,高速钢作为粘结相,通过粉末冶金工艺制成的。它可以锻造、切削加工、热处理与焊接。钢结硬质合金淬火后的硬度高于高性能高速钢的;强度和韧性胜过硬质合金的。