【分享】新型刀具材料——稀土硬质合金

艺林泉

新型刀具材料——稀土硬质合金  
   
摘自《MM机电信息》
  
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。