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    新型刀具材料——稀土硬質(zhì)合金 發(fā)布時(shí)間:2020-08-07     次瀏覽
    在現代機械加工中,刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得最多,幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應用,已有整整一個(gè)世紀的歷史,硬質(zhì)合金則已有半個(gè)世紀。但二者均研制出許多新品種,其性能不斷提高,在機械加工中發(fā)揮著(zhù)重要...

      在現代機械加工中,刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得最多,幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應用,已有整整一個(gè)世紀的歷史,硬質(zhì)合金則已有半個(gè)世紀。但二者均研制出許多新品種,其性能不斷提高,在機械加工中發(fā)揮著(zhù)重要作用。添加稀土元素的硬質(zhì)合金則是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學(xué)元素周期表中原子序數57~71(從La到Lu),再加上21和39(Sc和Y),共17個(gè)元素。將某些稀土元素,以一定方式,微量添加到傳統的硬質(zhì)合金牌號中,即可有效地提高它們的機械性能與切削性能。我國稀土元素資源豐富,對稀土硬質(zhì)合金的研究開(kāi)發(fā),領(lǐng)先于其他國家。已研制出下列牌號的刀具用稀土硬質(zhì)合金:YG8R(相當于ISOK30級別)、YG6R(K20)、YW1R(M10)、YW2R(M20)、YT5R、YT14R(P20)、YT15R(P10)、YS25R(P25)。還有礦山、地質(zhì)工具牌號YG11CR。作者對上述P類(lèi)、M類(lèi)、K類(lèi)稀土硬質(zhì)合金的切削性能均作了系統的試驗研究,并探討了它們的切削機理。

      稀土硬質(zhì)合金的機械、物理性能

      在YG8、YT14、YW1硬質(zhì)合金中添加了Ce、Y等稀土元素后,形成了稀土硬質(zhì)合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工;YT14R主要用鋼材的半精加工;YW1R則為通用牌號,可用于各種工件材料的半精加工。

      經(jīng)過(guò)測試,添加稀土元素后硬質(zhì)合金的組織比較致密;室溫硬度和高溫硬度有所改善;斷裂韌性和抗彎強度顯著(zhù)提高,分別提高20%和10%以上。

      稀土硬質(zhì)合金的耐磨損和使用壽命試驗

      通過(guò)試驗我們知道,與無(wú)稀土元素的原刀片相比,YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高。

      我們還進(jìn)行了稀土硬質(zhì)合金的抗沖擊試驗,用YG8R、YT14R、YW1R等添加稀土元素的硬質(zhì)合金刀片,與未添加稀土元素的YG8、YT14、YW1刀片,車(chē)削花鍵軸鋼件,便刀尖受沖擊,直至刀尖破損為止。經(jīng)多次重復試驗,在刀尖破損前,YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數分別比YG8、YT14、YW1刀片提高1~2倍以上。

      稀土硬質(zhì)合金的切削力試驗

      用添加稀土元素的硬質(zhì)合金刀片YT14R、YW1R車(chē)削45#鋼(HB200),與YT14、YW1刀片對比。用三向電阻式測力儀,測量并記錄三向切削力:主切削力Fc,切深方向切削力Fp,進(jìn)給方向切削力Ff。在多次改變切削參數的情況,得出的統計結果是:YT14R、YW1R刀片的Fc,分別比YT14、YW1刀片減小5%左右,而它們的Fp與Ff則比YT14、YW1刀片減小10%~15%以上。

      主切削力的試驗公式為:

      YT14R車(chē)削45#鋼Fc=2059ap0.89f0.84N

      YT14車(chē)削45#鋼Fc=2104ap0.86f0.80N

      YW1R車(chē)削45#鋼Fc=1771ap0.98f0.79N

      YW1車(chē)削45#鋼Fc=2196ap1f0.87N

      切削機理

      稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶體中,能強化硬質(zhì)相;并能抑制WC晶粒不均勻長(cháng)大,使之趨向均勻,平均晶粒尺寸有所減小。少量稀土元素還固溶在粘結相Co中,使粘結相得到強化。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及(W,Ti)C/(W,Ti)C等相界面間,常與雜質(zhì)S、O等化合形成RE2O2S等化合物,改善了界面上潔凈狀況并提高了硬質(zhì)相與粘結相的潤濕性。由此,稀土硬質(zhì)合金的沖擊韌性、抗彎強度及工作時(shí)的抗沖擊能力明顯得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗擴散和抗氧化的能力亦有一定提高。

      經(jīng)過(guò)電鏡測試,還發(fā)現稀土硬質(zhì)合金刀片在切削時(shí)表層有富鈷現象,故能降低切屑、工件與刀具間的摩擦系數,從而可以降低切削力。

      稀土元素在自然界蘊藏豐富,價(jià)格不高,添加在硬質(zhì)合金中可以明顯地提高機械、物理性能和使用性能,故有廣闊的應用前景。

      應用實(shí)例

      1.北京建筑機械廠(chǎng)用YT14R和YT14硬質(zhì)合金車(chē)削45#鋼軸(調質(zhì),硬度HB250),切削速度v=60m/min,切削深度ap=0.5mm,進(jìn)給量f=0.51mm/r。YT14R的使用壽命比YT14提高2倍,且已加工表面質(zhì)量略有改善

      2.北京內燃機總廠(chǎng)采用YT14R和YT14硬質(zhì)合金刀具車(chē)削45#凸輪軸(調質(zhì),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打刀現象少于YT14。

      3.北京內燃機總廠(chǎng)用YW1R和YW1硬質(zhì)合金車(chē)削45#凸輪軸(調質(zhì),HRC28~32),v=92m/min,ap=3mm,f=0.6mm/r。YW1R平均能加工60~70件,無(wú)打刀現象,而YW1只能加工30~32件,且有時(shí)打刀。

      4.中國航天工業(yè)總公司五院第502研究所采用YW1R和YW1刀具車(chē)削不銹鋼1Cr18Ni9Ti(抗拉強度sb=0.55GPa)和高溫合金GH3128(sb=0.84GPa),v=30~60m/min,ap=0.7~1.5mm,f=0.08mm/r。YW1R的使用壽命為YW1的2倍以上,YW1的加工表面粗糙度為Ra=3.2mm,YW1R為Ra=1.6mm。

      5.北京第一機床廠(chǎng)用YG8R和YG8硬質(zhì)合金車(chē)削灰鑄鐵HT200(硬度HB170~180),v=80m/min,ap=2mm,f=0.3mm/r。YG8R的使用壽命為YG8的1.5~2倍,且抗沖擊性能有所改善。


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