新型刀具材料——稀土硬质合金

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在现代机械加工中，刀具材料以硬质合金和高速钢用得最多，几乎各占一半。高速钢的发明和应用，已有整整一个世纪的历史，硬质合金则已有半个世纪。但二者均研制出许多新品种，其性能不断提高，在机械加工中发挥着重要作用。添加稀土元素的硬质合金则是刀具材料新品种之一。稀土元素是指化学元素周期表中原子序数57～71(从La到Lu)，再加上21和39(Sc和Y)，共17个元素。将某些稀土元素，以一定方式，微量添加到传统的硬质合金牌号中，即可有效地提高它们的机械性能与切削性能。我国稀土元素资源丰富，对稀土硬质合金的研究开发，领先于其他国家。已研制出下列牌号的刀具用稀土硬质合金：YG8R(相当于ISOK30级别)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25)。还有矿山、地质工具牌号YG11CR。作者对上述P类、M类、K类稀土硬质合金的切削性能均作了系统的试验研究，并探讨了它们的切削机理。　　
  K* \! @' J* V1 @' p( \' j) C      稀土硬质合金的机械、物理性能
　　在YG8、YT14、YW1硬质合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬质合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于铸铁和有色金属的粗加工；YT14R主要用钢材的半精加工；YW1R则为通用牌号，可用于各种工件材料的半精加工。
　　经过测试，添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密；室温硬度和高温硬度有所改善；断裂韧性和抗弯强度显著提高，分别提高20%和10%以上。
　　稀土硬质合金的耐磨损和使用寿命试验
　　通过试验我们知道，与无稀土元素的原刀片相比，YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用寿命均有不同程度的提高。
. m+ L& q" n8 d" C9 f% R7 Y1 n; R; O　　我们还进行了稀土硬质合金的抗冲击试验，用YG8R、YT14R、YW1R等添加稀土元素的硬质合金刀片，与未添加稀土元素的YG8、YT14、YW1刀片，车削花键轴钢件，便刀尖受冲击，直至刀尖破损为止。经多次重复试验，在刀尖破损前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的冲击次数分别比YG8、YT14、YW1刀片提高1～2倍以上。
　　稀土硬质合金的切削力试验
　　用添加稀土元素的硬质合金刀片YT14R、YW1R车削45#钢(HB200)，与YT14、YW1刀片对比。用三向电阻式测力仪，测量并记录三向切削力：主切削力Fc，切深方向切削力Fp，进给方向切削力Ff。在多次改变切削参数的情况，得出的统计结果是：YT14R、YW1R刀片的Fc，分别比YT14、YW1刀片减小5%左右，而它们的Fp与Ff则比YT14、YW1刀片减小10%～15%以上。
　　主切削力的试验公式为：
　　YT14R车削45#钢Fc=2059ap0.89f0.84N
　　YT14车削45#钢Fc=2104ap0.86f0.80N
, P) S9 K9 N  Q  _3 n　　YW1R车削45#钢Fc=1771ap0.98f0.79N
　　YW1车削45#钢Fc=2196ap1f0.87N
　　切削机理
　　稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶体中，能强化硬质相；并能抑制WC晶粒不均匀长大，使之趋向均匀，平均晶粒尺寸有所减小。少量稀土元素还固溶在粘结相Co中，使粘结相得到强化。稀土元素富集在WC/Co的相界面处及(W,Ti)C/(W,Ti)C等相界面间，常与杂质S、O等化合形成RE2O2S等化合物，改善了界面上洁净状况并提高了硬质相与粘结相的润湿性。由此，稀土硬质合金的冲击韧性、抗弯强度及工作时的抗冲击能力明显得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗扩散和抗氧化的能力亦有一定提高。
8 m, h* g, x! A! k( J　　经过电镜测试，还发现稀土硬质合金刀片在切削时表层有富钴现象，故能降低切屑、工件与刀具间的摩擦系数，从而可以降低切削力。
% f6 X- N8 x1 u& S# b) f　　稀土元素在自然界蕴藏丰富，价格不高，添加在硬质合金中可以明显地提高机械、物理性能和使用性能，故有广阔的应用前景。
　　应用实例
. S. U1 {' i, P6 f　　1.北京建筑机械厂用YT14R和YT14硬质合金车削45#钢轴(调质，硬度HB250)，切削速度v=60m/min，切削深度ap=0.5mm，进给量f=0.51mm/r。YT14R的使用寿命比YT14提高2倍，且已加工表面质量略有改善
) p& P- g; w! B　　2.北京内燃机总厂采用YT14R和YT14硬质合金刀具车削45#凸轮轴(调质，HRC28～32)，v=92m/min，ap=3mm，f=0.6mm/r。YT14R平均能加工80～100件，而YT14只能加工40～50件。且YT14R打刀现象少于YT14。
3 T7 D$ x* |8 U# Q1 I- s( D　　3.北京内燃机总厂用YW1R和YW1硬质合金车削45#凸轮轴(调质，HRC28～32)，v=92m/min，ap=3mm，f=0.6mm/r。YW1R平均能加工60～70件，无打刀现象，而YW1只能加工30～32件，且有时打刀。
6 h- U+ C# N' b' h- u  T* g( z. c7 h　　4.中国航天工业总公司五院第502研究所采用YW1R和YW1刀具车削不锈钢1Cr18Ni9Ti(抗拉强度sb=0.55GPa)和高温合金GH3128(sb=0.84GPa)，v=30～60m/min，ap=0.7～1.5mm，f=0.08mm/r。YW1R的使用寿命为YW1的2倍以上，YW1的加工表面粗糙度为Ra=3.2mm，YW1R为Ra=1.6mm。
' g6 [2 L4 D( V$ r　　5.北京第一机床厂用YG8R和YG8硬质合金车削灰铸铁HT200(硬度HB170～180)，v=80m/min，ap=2mm，f=0.3mm/r。YG8R的使用寿命为YG8的1.5～2倍，且抗冲击性能有所改善