新型刀具材料——稀土硬質(zhì)合金

    在現(xiàn)代機(jī)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(yīng)用，已有整整一個世紀(jì)的歷史，硬質(zhì)合金則已有半個世紀(jì)。但二者均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要作用。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(shù)57～71(從La到Lu)，再加上21和39(Sc和Y)，共17個元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金牌號中，即可有效地提高它們的機(jī)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(dāng)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、M類、K類稀土硬質(zhì)合金的切削性能均作了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并探討了它們的切削機(jī)理。

稀土硬質(zhì)合金的機(jī)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(qiáng)度顯著提高，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(yàn)

    通過試驗(yàn)我們知道，與無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(yàn)，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(fù)試驗(yàn)，在刀尖破損前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數(shù)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(yàn)

    用添加稀土元素的硬質(zhì)合金刀片YT14R、YW1R車削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(shù)的情況，得出的統(tǒng)計結(jié)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(yàn)公式為：

YT14R車削45#鋼Fc=2059ap0.89f0.84N

YT14車削45#鋼Fc=2104ap0.86f0.80N

YW1R車削45#鋼Fc=1771ap0.98f0.79N

YW1車削45#鋼Fc=2196ap1f0.87N

切削機(jī)理

    稀土元素存在于(W,Ti)C或(W,Ti,Ta,Nb)C固溶體中，能強(qiáng)化硬質(zhì)相；并能抑制WC晶粒不均勻長大，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(jié)相Co中，使粘結(jié)相得到強(qiáng)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(jié)相的潤濕性。由此，稀土硬質(zhì)合金的沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度及工作時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(kuò)散和抗氧化的能力亦有一定提高。

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

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

應(yīng)用實(shí)例

    1.北京建筑機(jī)械廠用YT14R和YT14硬質(zhì)合金車削45#鋼軸(調(diào)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(nèi)燃機(jī)總廠采用YT14R和YT14硬質(zhì)合金刀具車削45#凸輪軸(調(diào)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(xiàn)象少于YT14。

    3.北京內(nèi)燃機(jī)總廠用YW1R和YW1硬質(zhì)合金車削45#凸輪軸(調(diào)質(zhì)，HRC28～32)，v=92m/min，ap=3mm，f=0.6mm/r。YW1R平均能加工60～70件，無打刀現(xiàn)象，而YW1只能加工30～32件，且有時打刀。

    4.中國航天工業(yè)總公司五院第502研究所采用YW1R和YW1刀具車削不銹鋼1Cr18Ni9Ti(抗拉強(qiáng)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(jī)床廠用YG8R和YG8硬質(zhì)合金車削灰鑄鐵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。