（机械制造及其自动化专业论文）新型wc基纳米复合刀具材料及其切削性能研究.pdf

摘要 高速、高效切削加工技术是先进实用的制造技术，己成为切削加工的主流， 而高性能刀具材料对实现高效加工具有重要的影响。众所周知，高效加工对刀具 材料的要求比普通加工更加苛刻，要求刀具材料的性能更高、可靠性更好。虽然 目前已有多种多样的高效加工刀具材料，但刀具材料不可能是万能的，各有其特 点和应用范围。目前，刀具材料有p c b n 、p c d 、陶瓷、金属陶瓷、硬质合金刀 具和涂层刀具等。但加工铸铁类工件材料还缺乏一类力学性能介于硬质合金刀具 材料和陶瓷刀具材料之间的非t i c ( n ) 基金属陶瓷刀具材料。因此，本文探讨研究 开发新一类适于高效加工铸铁类工件材料的高性能新型w c 基纳米复合刀具材 料，以扩大刀具材料的品种。 本文系统研究了纳米复合刀具材料的设计、组分配比、制备工艺及其优化、 力学性能与显微组织结构之间的关系、刀具材料的断裂机制、刀具材料的摩擦磨 损特性以及刀具的切削性能和磨损破损机理等。 提出了基于界面增强的纳米复合刀具材料设计方法，并根据界面的损坏机制， 建立了基于界面脱粘和断裂的强度模型，并对纳米复合刀具材料增强相含量与界 面强度之间的关系进行了分析与研究。 建立了纳米复合刀具材料的设计理论框架，利用界面脱粘极限体积含量模型 及内应力作用下径向裂纹不贯穿条件的极限体积含量模型，确定增强相的最大极 限体积含量。利用界面断裂条件下材料承受最大载荷，设计基体相与增强相的粒 径配比。此外，利用界面增强条件，建立了纳米复合刀具材料致密化模型。确定 了刀具材料的基体相为w c ，增强相为z r 0 2 ，弥散相为a 1 2 0 3 。 基于热力学原理，分析并计算了w c 基纳米复合刀具材料体系内各相间的化 学热力相容性。同时，将工件材料的组成元素视为纳米复合刀具材料的一种相， 分析了刀具材料各相与工件材料组成元素间的化学热力相容性，确定了合适的刀 工匹配关系。 研究了w c 基纳米复合刀具材料的制备工艺，并对纳米添加相进行了分散试 验研究，探讨了纳米粉末分散的影响因素。研究了分散介质温度对分散体系的影 响，并系统分析了分散温度对纳米颗粒分散的稳定机制。结果表明，在分散介质 温度1 0 0 下分散可获得良好的分散效果。 研究了w c 基纳米复合刀具材料的致密化机理，通过对纳米复合刀具材料烧 结温度和保温时间的优化设计，确定了w z l 0 a 纳米复合刀具材料较为合适的烧 结温度为1 6 0 0 、保温时间为3 0 m i n 、烧结压力为3 2 m p a 3 5 m p a ，制备的w z l 0 a i l j 尔人学博十。7 ：佗论文 纳米复合刀具材料的密度为1 2 8 e v c m ，维氏硬度为1 9 8 g p a ，抗弯强度为9 9 6 m p a ， 断裂韧性为9 2m p a m m ，导热系数为3 8 w ( m k ) 。 研究了w c 基纳米复合刀具材料增韧补强机理。结果表明，纳米复合刀具材 料的主要增强增韧机制为纳米晶粒的细化机制，裂纹扩展中的偏转、弯曲、分支、 桥连以及增强相的相变增韧作用等。此外，纳米相的多尺度效应和弥散强化效应 以及纳米晶粒的钉扎作用等促进了材料裂纹的微细化并提高了材料的抗弯强度和 断裂韧性。 研究了w c 基纳米复合刀具材料的显微组织结构，利用透射电镜和扫描电镜 对纳米复合刀具材料显微结构及界面结构特征进行了分析研究。结果表明，w c 基纳米复合刀具材料界面所占比例较大，材料内部主要以晶间型组织结构为主， 部分存在晶内型结构。 研究了w c 基纳米复合刀具材料裂纹扩展形式和断裂机制，结果表明，烧结 制备工艺( 特别是烧结温度) 对刀具材料的断裂形式和断裂机制影响较为明显。 在烧结温度低于1 6 0 0 时，w c 基纳米复合刀具材料主要以沿晶断裂为主，当烧 结温度高于1 6 5 0 时，w c 基纳米复合刀具材料以穿晶断裂方式为主。 基于分形理论，建立了沿晶断裂、穿晶断裂和沿晶穿晶混合断裂三种断裂形 式下的分形模型，并依据能量耗散原理，对分形模型进行了分析与计算。结果表 明，沿晶断裂的能量消耗最大，穿晶断裂的能量消耗最小，并依据该结论，结合 纳米复合刀具材料的显微组织结构，验证了优化的制备工艺。 研究了w c 基纳米复合刀具材料w z l 0 a 高效切削灰铸铁和球墨铸铁的切削 性能，并对刀具切削加工中的切削力、切削温度与切削参数之间的关系进行了系 统研究与分析。结果表明，在同等切削条件下，w z l 0 a 纳米复合刀具产生的切 削力、切削温度等均比y g 8 硬质合金刀具低，特别适于在2 0 0 m m i n - - 3 0 0 m m i n 的切削速度范围内切削球墨铸铁，刀具寿命比y g 8 普通硬质合金提高6 0 1 2 5 。通过对刀具磨损和破损区域微观形貌观察与分析，揭示了w c 基纳米复合 刀具材料的摩擦磨损特性和磨损机理以及刀具的破损机制。 本课题得到国家重点基础研究发展计划资助( 9 7 3 ) ( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 2 ) 和国家 自然科学基金( 5 0 8 7 5 1 5 6 ) 的支持。 关键词高效加工；纳米复合刀具材料；断裂分形；强韧化机理；刀具磨损 a b s t r a c t h i g hp e r f o r m a n c em a c h i n i n g ( h p m ) i so n eo ft h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e sa n di sg o i n g t ob et h em a i n s t r e a md u et oi t sa d v a n t a g e s t h et o o lm a t e r i a l i si n d i s p e n s a b l ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rh i g hp e r f o r m a n c em a c h i n i n g i t sw e l lk n o w n t h a tt h er e q u i r e m e n t so ft o o lm a t e r i a lf o rh p ma r em o r es t r i n g e n tt h a nt r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gi nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dr e l i a b i l i t yt ot o o lm a t e r i a l s c u r r e n t l y , t h e r e a r em o r ec o m p r e h e n s i v et y p e so f t o o lm a t e r i a l s ，s u c ha sp c b n ，p c d ，c e r a m i c s ，c e r m e t ， c e m e n t e dc a 巾i d ea n dc o a t e dt o o lm a t e r i a l s ，e t a l ，e a c ho f w h i c hh a sd i f f e r e n tp e o p e r t i e s a n di ss u i t a b l ef o rm a c h i n i n gt h ed i f i n i t ew o r k p i e c em a t e r i a l s h o w e v e lt h e r ei sn o t o o lm a t e r i a lt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sb e t w e e nc e m e n t e dc a r b i d et o o lm a t e r i a l 锄dc e 舢i ct o o lm a t e r i a l s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rh i g hp e r f o r m a n c em a c h i n i n g c a s ti r o n f o re x a m p l e ，t h et i c c n ) b a s e dc e r m e tw h i c hi s s u i t a b l ef o rh i g hp e r f o r m a n c e m a c h i n i n gs t e e l i nt h i sp a p e r ，an o v e lw c b a s e dn a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a li s d e v e l o p e dt h a ti ss u i t a b l ef o rh i g hp e r f o r m a n c em a c h i n i n gc a s ti r o na n de x p a n dt h e v a r i e t yo ft o o lm a t e r i a l i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g nt h e o r yf o rn a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l s ，t h ec o m p o s i t i o n o fm et o o lm a t e r i a l ，t h et o u g h e n i n ga n ds t r e n g t h i n gm e c h a n i s m s ，h o tp r e s s m g t e c h n o l o g y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r e ，f r a c t u r em e c h a n i s m s ，t r i b o l o g i c a l b e h a v i o r sa n dt h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo f t h et o o lm a t e r i a la r ei n v e s t i g a t e d ad e s i g nm e t h o d o l o g yf o rn a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l ( n t m ) i sd e v e l o p e d b a s e do ni n t e r f a c e e n h a n c e dt h e o r y a ni n t e n s i t ym o d e l i sd e v e l o p e db a s e do n i n t e r f a c i a ld e b o n d i n ga n di n t e r f a c i a lf r a c t u r em e c h a n i s m s m e a n w h i l e ，t h ee f f e c to f r e i n f o r c i n gp h a s ec o n t e n to ng r a i nb o u n d a r i ys t r e n g t hi sd i s c u s s e da l s o t h e o r e t i c a lf r a m ef o rt h ed e s i g no fn t mi se s t a b l i s h e d t h ec r i t i c a l v o l u m e c o n t e n to fr e i n f o r c i n gp h a s ei sd e t e r m i n a t e db a s e do ni n t e r f a c e - e n h a n c e dt h e o r ya n d t o u g h e n i n gm e c h a n i s mo fr e s i d u a lt h e r m a ls t r e s s e si nn a n o c o m p o s i t et o o l m a t e r i a l g r a i nd i 锄e t e rr a t eb e t w e e nt h em a t r i xa n dr e i n f o r c i n gg r a i ni sd e t e r m i n e db a s e do n t h em a x i m u ml o a d i n gw h e ni n t e r f a c ef r a c t u r e dd e n s i f i c a t i o nm o d e li sb u i l tb a s e do n t h ei n t e r f a c et o u g h e n i n gm e c h a n i s m b a s e d o nt h e r m o d y n a m i c st h e o r y , t h e c o m p o s i t i o ns y s t e mf o rt h et o o lm a t e r i a li s d e c i d e da st u n g s t e nc a r b i d em a t r i x ，t w o r e i n f o r c i n gp h a s e s z i r c o n i aa n da l u m i n a c h e ：m i c a lc o m p a t a b i l i t yb e t w e e nt h ep h a s e si nt h et o o lm a t e r i a li s c o n s i d e r e d x l 【i j 东大学博十学何沦文 b a s e do nc h e m i c a lc o m p a t a b i l i t yt h e o r yw h e nd e s i g n i n gt h et o o lm a t e r i a l s m e a n w h i l e ， t h ec h e m i c a lc o m p a t a b i l i t yb e t w e e nt h et o o lm a t e r i a la n dt h ew o r k p i e c em a t e r i a lm u s t b ec o n s i d e r e d a na p p r o p r i a t em a t c h i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h et o o lm a t e r i a l sa n dt h e w o r k p i e c ei sd e t e r m i n e d f a b r i c a t i o nt e c h n i q u eo fn t mi ss t u d i e da n dad i s p e r s i o ne x p e r i m e n t si sc a r r i e d o u tt oi n v e s t i g a t et h ed i s p e r s i v i t yo fn a n oa d d i t i v e s t h ef a c t o r sf o ri n f l u e n c i n gt h e d i s p e r s i o np r o c e s s i n ga r ea l s oe x p l o r e d t h ed i s p e r s i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a ta g o o dq u a l i t y , r e - a g g l o m e r a t e dc o m p o s i t ep o w d e rc a nb eo b t a i n e db yt h eo p t i m i z a t i o n o ft h em o l e c u l a rw e i g h ta n dc o n c e n t r a t i o no fd i s p e r s a n t ，e s p e c i a l l yt h ea d j u s t m e n to f t h em e d i at e m p e r a t u r ei st h em o s ti m p o r t a n t r e s u l t ss h o wt h a t10 0 ( 2i st h eb e s t t e m p e r a t u r et oa c h i e v eag o o dd i s p e r s i o nm i x t u r e t h ed e n s i f i c a t i o nm e c h a n i s mo ft h en a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l si ss t u d i e da n d t h es i n t e r i n gp a r a m e t e r s ，f o re x a m p l e ，t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ea n ds o a k i n gt i m e ，a r e o p t i m i z e d t h eo p t i m a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eb e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw z 10 aa r e o b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e16 0 0 。c ，s o a k i n gt i m e3 0 m i n a n dp r e s s u r e3 2 m p a - - - 3 5 m p a t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r e ：d e n s i t y12 8 9 c m ， v i c k e r sh a r d n e s s19 8 g p a , b e n d i n gs t r e n g t h9 9 6 m p a , f r a c t u r et o u g h n e s s9 2 m p a m 2 a n dh e a tc o n d u c t i v i t yc o e f f i c i e n t38 w ( m k ) ，r e s p e c t i v e l y s t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gm e c h a n i s m sf o rn t mw e r et h o r o u g h l ys t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a tt h em a i ns t r e n g t h e n i n ga n d t o u g h e n i n gm e c h a n i s m so ft h em a t e r i a l s i n c l u d et h ee f f e c to fg r a i nf i n i n ga n dg r a i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n gc a u s e db y n a n o s c a l ep a r t i c l e s ，r e s i d u a ls t r e s st o u g h e n i n ga n dt h ep h a s et r a n s i t i o nt o u g h e n i n g e f f e c tc a u s e d a d d i t i o n a l l y , t h em u l t i s c a l ee f f e c t ，t h ed i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n ge f f e c t a n dn a n o - g r a i np i n n i n ge f f e c ta r ee m p h a s i z e do nt h et o u g h e n i n ga n ds t r e n g t h e n i n gt h e n a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l s m i c r o s t r u c t u r eo fw cm a t r i xn a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a li ss t u d i e d b yt e m a n ds e m ，i tr e v e a l st h a tg r a i nb o u n d a r i e sh a v eal a r g ep r o p o r t i o ni nn a n o c m p o s i t et o o l m a t e r i a l sa n di n t e rg r a n u l a rm i c r o s t r u c t u r ei st h em a i ns t r u c t u r e m e a n w h i l e ，af e w s m a l li n t r ag r a n u l a rs t r u c t u r e sa r ei n v o l v e di nt h et o o lm a t e r i a l s i nt h i sp a p e r m u c he f f o r ti sp a i do nt h em i c r o c r a c kp r o p a g a t i o na n df r a c t u r e m e c h a n i s mo ft h en a n o c m p o s i t et o o lm a t e r i a l r e s u l t sr e v e a lt h a ts i n t e r i n gp a r a m e t e r s h a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h ef r a c t u r em o d ea n df r a c t u r em e c h a n i s m s i ts h o w st h a t i n t e r g r a n u l a rf r a c t u r ei st h em a i nf r a c t u r em o d ew h e ns i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei sl o w e r t h a n16 0 0 。cw h i l ei n t r a g r a n u l a rf r a c t u r ea p p e a r e dw h e ns i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s x 1 1 a b s t r a c t 曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量曼曼量曼曼曼皇皇曼皇曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼i 一一i 。量 h i g h e rt h a n16 5 0 。ci nw c b a s e dn a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l s t h r e ef r a c t a lf r a c t u r em o d e l s ( i n c l u d i n gi n t e r g r a n u l a r f r a c t u r e ，i n t r a g r a n u l a r f r a c t u r ea n dt h em i x t u r ef r a c t u r eo fi n t e r g r a n u l a ra n di n t r a g r a n u l a r ) a r ep r o p o s e db a s e d o nt h ef r a c t a lt h e o r y a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e dt of r a c t a lf r a c t u r e m o d e l sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe n e r g yd i s s i p a t i o n r e s u l t ss h o wt h a te n e r g y c o n s u m p t i o no fi n t e r g r a n u l a rf r a c t u r ei st h em o s tw h i l ei n t m g r a n u l a rf r a c t u r e i st h e l e a s t p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yc a nb eo p t i m i z e db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ff r a c t u r e f r a c t a lm o d e l sa n dm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s c u t t i n gp e r f o r m a n c eo fw cb a s e dn a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l si nm a c h i n i n g c a s ti r o n sa n dn o d u l a rc a s ti t o na r es t u d i e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n g p a r a m e t e r sa n dc u t t i n gf o r c e so rc u t t i n gt e m p e r a t u r ei sd i s c u s s e d r e s u l t ss h o wt h a t c u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r eo fw z 10 an a n o c o m p o s i t et o o lm a t e r i a l si s s m a l l e rt h a ny g 8c e m e n t e dc a r b i d et o o lm a t e r i a l w z10 at o o lm a t e r i a li s m o r e s u i t a b l ef o rc u t t i n gn o d u l a rc a s ti r o n i nt h ec u t t i n gs p e e do f2 0 0 m m i nt o3 0 0 m m i n a n dt h et o o ll i f ei sp r o l o n g e dm o r et h a n6 0 - - - - 12 5 w e a rm e c h a n i s m sa n df a i l u r e m e c h a n i s m so ft h ew z 10 at o o lm a t e r i a l sa r es t u d i e db a s e do nt h ew e a rm o r p h o l o g i e s o f t h et 0 0 1 k e y w o r d sh i g hp e r f o r m a n c em a c h i n i n g ，n a n o c o m p o s i t e t o o lm a t e r i a l s ，f r a c t a l f r a c t u r e ，t o u g h e n i n gm e c h a n i s m s ，t o o lw e a l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名他砂乙日期：、今r 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名匐黼师签名 日期：冲，p 第1 章绪论 第l 章绪论 制造业，特别是装备制造业，是一个国家的基础性和支柱性产业，为各行各 业提供现代化设备，在国民经济中占有重要地位。我国国民经济和社会发展“十 一五规划纲要、国家中长期科学和技术发展规划纲要，对振兴装备制造业和增 强装备制造业的自主创新能力都做出了明确部署。国务院下发的“关于振兴装备 制造业的若干意见”中，明确提出了十六项重大关键装备技术的发展为今后一个 时期制造业的重大任务。在装备制造业中，切削加工占主导地位，而高速、高效、 高精度和绿色化是切削加工的发展方向。高端数控设备和刀具是实现高效加工不 可或缺的加工工具，其中，刀具材料在高速、高效加工中起最主要的作用。因此， 研究开发适应高速、高效切削加工用的刀具材料对促进装备制造业的发展具有重 要意义。本章阐明课题的研究背景、综述国内外刀具材料研究现状，指出存在的 主要问题，并介绍本文的研究意义与研究内容。 1 1 高效切削加工技术及其特点 切削加工是机械制造行业中占主导地位的加工方法【l ，2 1 ，占整个切削加工量的 9 0 左右1 3 叫。近几年来，随着产品竞争对切削加工效率日益增长的需要，加工效 率不断提高，带动了我国机械行业的快速发展。包括高速切削加工、高性能切削 加工和复合切削加工在内的高效切削加工，是先进制造技术之一，也是切削加工 的发展方向【1 7 1 ，可大幅提高加工效率并降低生产成本。目前，随着航空航天工业、 汽车工业、国防工业、模具制造业的发展，金属材料及难加工材料( 包括高硬钢、 铸铁及其合金、耐热合金等) 的高效加工已成功应用，大幅缩短了制造周期，加 速了新产品的开发。 高效加工的关键技术是高效数控加工设备和刀具。高效数控加工设备的主要 内容包括高速主轴系统、快速进给系统数控单元、高性能c n c 控制系统以及与 之相关的功能部件等【7 】；刀具主要包括刀具设计制造技术和刀具材料，它直接影 响加工效率、加工精度、表面质量和加工成本。同时，高效数控刀具材料和刀具 结构是变化、更换最为迅速的因素，其中刀具材料在高效加工中具有重要地位。 在高效加工中，机床主轴转速更快、进给量和切削速度更大，使得刀具在更加恶 劣的条件下工作，如承受较高的压力、温度、高速摩擦作用以及高频率的冲击和 振动等，使得刀具寿命过短，严重制约了高效加工的应用。因此，高效加工对刀 具材料的要求比普通切削加工更加苛刻，要求刀具寿命更长，更加安全、可靠瞄9 1 。 i l j 东人。博十。1 _ f 7 ：论文 基于此，开发性能优异的、能够胜任高效加工的新型刀具材料是目前刀具材料研 究者面临的一个重要而亟待解决的问题。 1 2 高效加工刀具材料国内外研究现状及存在问题 随着制造技术的全球化发展趋势，制造业的竞争更加激烈，对制造技术带来 了巨大挑战，首当其冲的是刀具的变化。刀具的进步取决于刀具材料的进步和发 展。为了适应高速化、高精化、高生产率的要求，要求刀具材料具有较高的强度、 较高的硬度和耐磨性、耐高温性等特点，特别为适应当前环境保护的要求，提出 了条件更为苛刻的干切削，因此，对切削加工刀具材料的性能提出了更高的要求 1 9 j 。近年来，切削刀具的设计和制造技术日新月异，相应推动了刀具材料的快速 发展。目前，应用在切削加工领域的刀具材料主要包括以下几种： 1 2 1 高性能高速钢刀具材料 传统的w 1 8 c r 4 v 高速钢由于耐热性较差，已不适宜用于高效、高速切削加 工。粉末冶金高速钢由于碳化物偏析小、晶粒细等特点，其强度、韧性、耐磨性、 红硬性等方面较普通高速钢均有大幅提高，其硬度可达6 7 h r c ，抗弯强度可达 2 5 3 0 3 4 0 0 m p a ，特别是在刀具表面涂覆一层t i n 、t i c n 、t a l n 等涂层后，切 削速度可达到1 5 0 - - - 2 0 0 m m i n ，世界各工业发达国家最近几年都在大力发展粉末 冶金高速钢( p mh s s ) 1 。o 】。随着切削加工效率的提高和产品竞争的日益加剧，粉末 冶金高速钢刀具在自动生产线上已大量采用。另外，由于粉末冶金高速钢具有良 好的力学性能，此类刀具材料非常适宜制造大尺寸刀具、精密刀具、复杂结构刀 具等，已广泛应用于汽车、航空发动机和汽轮机等行业。同时，该类材料还可作 为涂层刀具材料的基体。但是，高速钢在高温下切削时，其强度、硬度和耐热性 能等急剧下降，特别是当温度超过5 8 0 时，高速钢切削性能已达到极限，几乎 不能进行切削i l 。 1 2 2 硬质合金刀具材料 硬质合金材料是继高速钢之后出现的另外一种刀具材料【l2 1 ，目前应用最为广 泛，在现代加工领域占有举足轻重的地位，伴随它的出现，切削效率明显提高。 目前，根据硬质合金刀具材料中添加物的类型，可将其分为以下三类【l 孓1 5 l ，见表 1 1 。此外，根据被加工材料的特征，又可将其分为n 类、s 类和h 类，其中n 类主要用于加工铝合金及有色金属，s 类主要用于加工高温合金和耐热材料，h 类主要用于加工高硬材料。 硬质合金刀具材料的基体为w c ，是通过向w c 中添加金属粘结相( 如c o 、 n i 等) 制备出的材料，它具有一系列的优异性能。如我国生产的常用牌号y g 3 、 第1 章绪论 y g 6 、y g 6 x 和y g 8 ( 8 9 h r a ) 等，这类合金材料的硬度为8 8 h r a - - 9 1 5 h r a ， 抗弯强度11 0 0 m p a - - - 1 5 0 0 m p a 。特别是最近几年发展起来的超细硬质合金刀具材 料，抗弯强度达到2 0 0 0 m p a - - - 4 0 0 0 m p a ，硬度可达9 2 h r a ，并且具有良好的导热 性和化学稳定性。由于该类刀具材料具有较高的强度、韧性以及抗冲击性能，在 制造尺寸较小的整体复杂硬质合金刀具方面得到广泛应用【l 昏1 8 】，可大幅提高切削 速度和切削加工效率。目前，该类刀具材料主要用来加工钢、铸铁及其合金、铁 基、镍基、钴基合金以及不锈钢等难加工材料。然而，硬质合金刀具材料由于利 用金属c o 作为粘结相，在高速加工发热量较高、化学活性较强( 与金属c o 等发 生反应) 的工件材料时，当切削温度升高到一定程度时，会出现金属相的软化、扩 散和氧化现象，严重降低硬质合金刀具材料的硬度和强度，使硬质合金刀具在 5 0 0 以上切削时引起反应，加速刀具磨损，缩短刀具寿命，降低刀具材料的切削 性能，限制该类刀具材料性能的发挥【l9 2 0 l 。目前，普通硬质合金刀具材料主要适 合在1 0 0 m m i n 、- 2 0 0 m m i n 的切削速度范围内加工1 7 j 。 表1 1 常用硬质合金分类及其特点 1 2 3 涂层刀具材料 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢( 也可涂覆在陶瓷、金刚石 和立方氮化硼等超硬刀片上) 基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好 的难熔金属或非金属化合物而获得的高性能刀具材料。涂层可使刀具材料具有优 异的减磨抗磨功能和自润滑功能，适合于高速切削加工。目前，根据涂层方法的 不同，涂层刀具分为物理气相沉积( p v d ) 涂层刀具和化学气相沉积( c v d ) 涂 层刀具1 2 l 】以及等离子体化学气相沉积( p a c v d ) 等，见表1 2 。其中，p v d 的沉 积温度为5 0 0 ，涂层厚度约2 1 t m - 5 p , m ，一般适用于高速钢；c v d 沉积温度为 9 0 0 l1 0 0 ，涂层厚度可达5 “m 1 0 肛m ，一般适用于硬质合金刀具；而p a c v d 涂层主要适用于涂层温度在2 0 0 以下的涂层，一般为多涂层工艺。 根据涂层材料性质的不同，涂层刀具主要分为硬涂层刀具和软涂层刀具1 2 。 硬涂层刀具追求的是高的硬度和耐磨性，典型的涂层材料有n c 、t i n 、a 1 2 0 3 、 山东人。7 ：博十7 ：何论文 t i c n 、t i a i n 、a i t i n 2 2 之5 】等涂层。软涂层的主要目的是降低摩擦系数，减小粘结 和摩擦抗力，典型的软涂层主要有m o s 2 、w s 2 、z a s 2 等。随着纳米技术的发展， 制造纳米涂层，可满足不同的功能和性能要求【2 6 】。 表1 2 涂层方法及涂层分类 涂层方法 黼勰耋鬻裟戮蒹尝淼 基体材料选择高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具及超硬刀具 涂层材料分类硬涂层、软涂层 涂层方式单涂层、多涂层、纳米涂层、梯度涂层 涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系 数小和导热系数低等特剧2 7 。2 引，切削时可比未涂层刀具寿命提高3 5 倍以上。此 外，涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具材料与工件材料间的扩散和化 学反应，从而减小了月牙洼磨损。然而，涂层刀具材料的可靠性受基体成分和涂 层工艺的影响较大，而且涂层比较脆i l 引，在较为苛刻的条件下容易发生脱落。同 时涂层刀片的重磨性型3 0 j ，涂层设备复杂，工艺要求较高，涂层时间长，刀具成 本相对较高。但由于涂层刀具有着较为突出的优点，是目前高效粗加工刀具材料 研究的重要内容。 1 2 4 陶瓷刀具及其它高硬刀具材料 目前，国内外常用于高效、高速切削加工的高硬刀具材料主要有陶瓷刀具材 料、聚晶金刚石( p c d ) 刀具、立方氮化硼( c b n ) 和金刚石刀具等，它们各有 特点。陶瓷刀具材料方面，主要以a 1 2 0 3 基和s i 3 n 4 基陶瓷刀具应用最为广泛刁5 1 。 根据对目前国内外已有陶瓷刀具材料的统计与分析，以a 1 2 0 3 为基体，添加的增 强相种类可分为以下几种类型：t i c 、t i n 、t i b 2 、s i c p 、s i c w 、h f c 、w c 、t i ( c ，n ) ( w ，t i ) c 、m 0 2 c 和z r 0 2 。除此之外，还有其它备选成分如z r b 2 掣3 6 ，37 1 ，种类较 多。山东大学( 原山东工业大学) 开发的a 1 2 0 3 基陶瓷刀具，其硬度为9 3 5 9 5 3 h r a ，抗弯强度为7 5 0 8 5 0 m p a ，断裂韧性为3 9 - - 5 1 m p a m 2 ，此外，还 开发了晶须增韧a 1 2 0 3 基陶瓷刀具j x 系列和颗粒增韧l p 系列，其硬度达到 9 4 h r a ，抗弯强度达到7 5 0 - - 8 0 0 m p a ，断裂韧性为5 - - - 8 m p a m i 2 1 7 。另外，山东 大学还开发了性能优异的a 1 2 0 3 基梯度功能陶瓷刀具和陶瓷硬质合金复合刀片 等，该类刀具材料具有较好的力学性能1 3 8 , 3 9 】。袁训亮通过向a 1 2 0 3 基体中添加 t i c 和w c ，制备出力学性能较优的纳米复合刀具材料，其硬度超过2 0 g p a 、抗 弯强度为8 4 0 m p a 、断裂韧性为5 3 m p a m 忱。 s i 3 n 4 陶瓷刀具材料主要以纯s i 3 n 4 陶瓷或以s i 3 n 4 陶瓷为基体 4 1 - 4 3 】，添加其 第1 章绪论 它碳化物或金属，如t i c 或金属c o 等，该类刀具材料具有较高的断裂韧性。如 山东大学吕志杰【删开发的s i 3 n 4 基s i 3 n d t i c 纳米复合陶瓷刀具材料，其抗弯强度 为1 0 2 5 m p a ，断裂韧性达到8 5 m p a m 舱，邹斌【4 5 j 开发的s i 3 n 4 t i n 纳米复合陶瓷 刀具材料，抗弯强度为1 0 7 9 8 m p a 、硬度为h v1 5 4 7 g p a 、断裂韧性为9 1 m p a m 2 。 此外，s i