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军工产品加工中所用刀具材料的新发展(下)

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:23:54

3 刀具材料的化学成分

古代人类所用的刀具材料多为天然物质，如石材料、天然金刚石等，甚至还用过陨铁。到现代，绝大多数刀具材料使用人造的材料，可保证大量供应，并使质地均匀、可靠。

纵观各种刀具材料，除人造金刚石的原料为石墨(碳元素)外，其他品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量(见表1～表4)，这正是刀具材料所需要的性质。

表1 各种碳化物的性质
碳化物性质	TiC	ZrC	HfC	VC	TaC	NbC	WC
密度r(g/cm³)	4.85～4.93	6.44～6.90	12.20～12.70	5.36～5.77	14.48～14.65	7.82	15.60～15.70
熔点q(℃)	3180～3250	3175～3540	3885～3890	2810～2865	3740～3880	3500～3800	2627～2900
硬度(HV)	2900～3200	2600	2533～3202	2800	1800	2400	2400
弹性模量E (GPa)	316～448	323～489	433	260～274	371～389	344	536～721
碳化物性质	MO₂C	B₄C	SiC	Cr₃C₂	Cr₇C₃	Cr₂₃C₆	Fe₃C
密度r(g/cm³)	8.9	2.50～2.54	3.21～3.22	6.68	6.92	6.97～6.99	-
熔点q(℃)	2 690	2350～2470	2200～2700 分解	1895	1782	1518	1650
硬度(HV)	1 500	2400～3700	3000～3500	1800	1882	1663	860
弹性模量E(GPa)	544	295～458	345～422	380	-	-

表2 各种氮化物的性质
碳化物性质	TiN	ZrN	HfN	VN	TaN	NbN	WN
密度r(g/cm³)	5.44	7.35	13.94	6.08	14.1	8.26～8.40	8.33
熔点q(℃)	2900～3220	2930～2980	3300～3307	2050～2360	2980～3360	2050	2420
硬度(HV)	1800～2100	1400～1600	1500～1700	1500	1060	1400	1720
弹性模量E (GPa)	616	-	-	-	587	493	-
碳化物性质	NB(立方)	Si₃N₄	AlN	CrN	Cr₂N	Mo₂N	WN
密度r(g/cm³)	3.48～3.49	3.18～3.19	3.25～3.30	6.10	6.51	8.04	-
熔点q(℃)	2720～3000 分解	1900分解	2200～2300分解	1500	-	-	800
硬度(HV)	7000～8000	2670～3260	1225～1230	1000～1188	1522～1629	630	-
弹性模量E (GPa)	720	470	281～352	-	-	-	-

表3各种氧化物的性质
碳化物性质	TiO₂	ZrO₂	HfO₂	V₂O₅	Ta₂O₅	Nb₂O₅	WO₃	Al₂O₃	Cr₂O₃
密度r(g/cm³)	4.24	6.27	9.68	3.36	8.73	4.95	6.47	3.97	5.21
熔点q(℃)	1855～1885	2900	2780～2790	670～685	1755～1815	1473～2130	2050	2420	2309～2359
硬度(HV)	1000	1300～1500	940～1100	-	890～1290	-	2300～2700	1720	2915
弹性模量E (GPa)	240～290	250	-	-	-	-	-	370	-

如碳素工具钢，其主要成分是Fe₃C，合金工具钢中有复合碳化物，如合金渗碳体(Fe，Cr)₃C等。高速钢中有更多的复合碳化物.硬质合金的硬质相主要为WCT 和TiC，但经常加入Ta，Nb等元素而形成复合的固溶体，且须用Co，Ni等为黏结材料。陶瓷的基体材料常用Al₂O₃和Si₃N₄，但又加入了碳化物、其他氧化物和氮化物，甚至硼化物。立方氮化硼则是一种非金属氮化物。

在刀具材料中，碳化物用得最多。各种金属碳化物分1型、2型、3型、6型、7型和23型等，即MC(如TiC、SZrC等)、M₂C(如Mo₂C等)、M₃C(如Cr₃C₂、Fe₃c等)、M₆C(如Fe₃(W，Mo)₃C₆等)、M₇C(如Cr₇C₃等)和M₂₃C(如Cr₂₃C₆等)。各型碳化物的生成，均遵循一定规律。它们也可形成复合碳化物，但其物理、力学性质难以查到确切的数据。

近年中，氮、碳和金属(一种或二种)的复合化合物在刀具涂层中用得较多。根据巴尔查斯(Balzer)涂层公司的资料，列出几种涂层材料的物理、力学性能，以资参考。

表4 各种硼化物的性质
碳化物性质	TiB₂	ZrB₂	HfB₂	VB₂	TaB₂	NbB₂	W₂B₅	CrB₂	FeB	Fe₂B
密度r(g/cm³)	4.38	6.17	10.50	5.06～5.28	12.38	6.97	11.0	5.22	7.15	7.34
熔点q(℃)	2790	3200	3250	2400	3037	3000	2370	2200	1650	1410
硬度(HV)	3310～3430	2230～2274	2400～3400	2797～2813	2460～2540	2600	2650～2675	2020～2180	1600～1700	1290～1390
弹性模量E (GPa)	540	350	-	273	262	650	790	215	350	290

碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的种类如此众多，在刀具材料的研制和使用中发挥了很大作用。但已被用上并为人们所熟知的还只是其中的少数，多数未付诸应用，这一情况从表1~表5中可以看出。因此，人们在研制新刀具材料时，在化学组分上尚有选择余地和很大潜力可挖。当然，表中所列的化合物并非都有用上的可能，因为不能仅考虑物质的性能，还应顾及资源、价格和工艺等因素。

4 刀具材料与工件材料的匹配

军工产品多用难加工材料，如高强度、超高强度钢、高锰钢、淬硬钢和冷硬铸铁、不锈钢、高温合金、钛合金、复合材料等。刀具、工件两方面材料的力学、物理和化学性能必须得到合理的匹配，切削过程方能正常进行，并获得正常的刀具寿命；否则，刀具就可能会急剧磨损，刀具寿命很短。例如，硬度高的工件材料，就必须用更硬的刀具来加工；高速钢刀具硬度不够，不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁，硬质合金和陶瓷刀具则能胜任，CBN刀具更佳。加工硬脆材料，不仅要求刀具有很高的硬度，还要求有高的弹性模量，否则刃部难以支撑。用硬质合金刀具加工淬硬钢及其它硬脆材料，必须采用弹性模量较高(WC成分较多)的K类或M类牌号。以上是力学性能的匹配。不仅考虑刀具材料的常温力学性能，还应考虑其高温性能。

在加工导热性差的工件时，应采用导热性较好的工具，以使切削热得以传出。从而降低切削温度。这是物理性能匹配的例子。

工件、刀具双方材料中的化学元素如有容易化合、相互发生化学作用或扩散作用者，应设法回避。例如，含钛的金属材料——钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等，不能用含钛元素的刀具进行切削。也就是说，P类硬质合金、TiC基与Ti(C，N)基硬质合金、涂层硬质合金(多数涂层材料含钛)均不能使用；应采用K类硬质合金或高速钢。凡加工塑性材料出长切屑且与前刀面发生摩擦者，应特别注意刀-屑双方元素的相互扩散，故加工非淬硬钢材应当采用P类硬质合金或Al₂O₃基陶瓷，而不能采用K类合金与Si₃N₄基陶瓷。金刚石在600~700 ℃以上时将转化为石墨，Fe元素将起催化作用而加速这种转化，故金刚石刀具不能加工钢铁材料。CBN最适合加工钢铁，但只能进行干切削，水基切削液在高温下将使CBN分解。这些是化学性能匹配的例子。化学作用在低温条件下一般进行缓慢，高温下加剧。力学、物理、化学作用有时是综合影响而且是相互关联的，对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深入，有待进一步研究。

5 结语



工件与刀具双方交替进展、相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年代。近50年中，硬质合金不断提高自身的性能，发展了许多新品种，从高速钢的领域中占领了大片阵地，成为当前用量超过一半的刀具材料，这是当年人们所未能估计到的。预计到21世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大；高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的阵地。由于资源、价格和性能的原因，陶瓷材料亦将得到发展，代替一部分硬质合金刀具。然而，由于陶瓷的切削性能与硬质合金相比，差距不是那么巨大，加上其强度、韧性和可加工性的不足，未来陶瓷刀具的发展不会像过去硬质合金替代高速钢那样迅猛。超硬材料将得到更多的应用。新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出将越来越快。在刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是主要矛盾。有可能在21世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各种涂层刀具和复合结构都能在一定程序上克服上述矛盾，故极有发展前景。在未来，刀具材料将接受工件一方及制造系统更新、更严峻的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面，将成为未来刀具材料发展的特点。

目前，碳化物、氮化物、氧化物和硼化物是刀具材料的主体成分。用石墨合成为人造聚晶金刚石已跳出了这个圈子。近年武汉大学采用RF-PECVD法在麻花钻上涂覆C₃N₄薄膜，膜的硬度接近超硬材料，钻头使用寿命大为提高。在21世纪里，刀具材料将有出人意料的新的飞跃发展。

表5 几种涂层材料的性能
材料名称	显微硬度(HV)	与钢的干摩擦因数	最高适用温度(℃)	颜色
TiCN	2300	0.4	400	蓝灰色
AlCrN	3200	0.35	1100	蓝灰色
TiAlN	3300	0.4	900	蓝灰色或紫灰色

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