新型刀具材料--稀土硬质合金

在各种硬质合金刀具材料中,添加少量的稀土元素,均可有效地提高硬质合金的断裂韧性和抗弯强度。硬质合金的耐磨性和硬度也有一定的改善。因此,刀具在正常磨损下的使用寿命得以延长,抗冲击性能能够提高。稀土元素蕴藏量丰富,价格也不贵,故这种硬质合金刀具材料极有应用前景。 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ISO K30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。

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。

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=2059ap0.89 f0.84N YT14车削45#钢 Fc=2104ap0.86 f0.80N YW1R车削45#钢 Fc=1771ap0.98 f0.79N YW1车削45#钢 Fc=2196ap1 f0.87N 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RE2O2 S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。 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。

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 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 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.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。 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。 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。

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