新型硬质合金——添加稀土元素的硬质合金

HEATS

1 概述

    在WC基的硬质合金中，添加少量的铈(Ce)、钇(Y)等稀土元素，可以改善合金的性能。在化学元素周期表中，稀土元素共有17个，其中一部分可得到应用。不仅用于刀具材料，在矿山工具、模具、顶锤用硬质合金中添加稀土元素也极有发展前景。我国稀土元素的资源极为丰富，故稀土硬质合金的研制在世界上领先，很多国家不具备这一条件。 5 B5 I+ b; I) u7 b& y

    自“七五”、“八五”以来，我国工厂、研究院所已研制出很多牌号的稀土硬质合金：YG8R，YG6R，YG11CR，YW1R，YW2R，YT5R，YT14R，YT15R，YS25R。作者与本校师生对上述许多牌号进行过系统的切削试验，探讨过切削机理。

k7 P$ W9 B- E3 n5 w

2  稀土硬质合金的机械、物理性能 , M" s1 _2 E9 l; K F! J

    在P类、M类、K类硬质合金中各选一个牌号，用稀土硬质合金YG8R(相当于K30)、YT14R(相当于P20)、YW1R(相当于M10)与未加稀土元素的普通硬质合金YG8、YT14、YW1对比，其机械、物理性能经测试列于表1。

- B2 m9 }0 n; {$ y2 T

 

+ v9 [' n4 v8 b1 e/ L. J

# V+ J# G, l0 w- w6 L8 W

    由表1可见，添加稀土元素后，硬质合金的断裂韧性与抗弯强度有明显增加；硬度亦有少许提高。

3 U& w# \7 N6 ?

3  切削力对比试验 / }$ G) J: @1 i; t% s- G; ]" ]

    用YT14R与YT14刀片车削45钢(正火，HB=200)．用三向电阻式测力仪测量主切削力F_f和径向切削力Fp，并记录下来，得到Fc-ν、F_f-ν，Fp-ν曲线，如图1所示(αp=2mm，f=0.21mm/r，干切)。

0 R3 r6 Q. f$ P. W2 [8 A# K

+ U+ H) ~6 U# [# h- U: y* D; X e

. X; d6 |4 M2 t: l- k5 Y

* Y* w& ?3 H) Q$ Y, q g: n4 R

    主切削力Fc的试验公式为：

     Fc=2159αp^0.89f^0.84   (N)   (YT14R-45)

    Fc=2204αp^0.86f^0.80   (N)   (YT14-45)

    YT14R的主切削力平均低于YT14约6％。

& q: t% K7 z* q3 d% z

    用YW1R、YW1刀片车削45钢，切削力曲线略去，其试验公式为：

Q s1 T+ l/ Q4 d, c E$ Z+ {6 ?

    Fc=1771αp^0.98f^0.79    (N)  (YW1R-45)

    Fc=2196αp¹f^0.87      (N)  (YWl—45)

& n; C& s3 s3 W: B. `1 @7 q

4  摩擦系数对比 2 ~% o- Y% D7 A

    测得三个方向的切削力以后，可以按下列公式计算出前刀面与切屑之间的摩擦系数μ。

     μ=tan[tan^-1{(F_f²+Fp²)^0.5/Fc]+3γ₀}

    式中，γ₀—刀具前角

在不同切削速度下，算出摩擦系数μ，绘成图2。

 

) p& a* M$ A( _0 D8 ~6 R) S/ U' O

    可以看出，YT14R的摩擦系数显著地小于YT14。这是切削力减小的原因。在用YW1R、YW1刀片切削时，也有同样的规律。

5  在连续切削条件下刀具磨损、使用寿命的对比

    (1)用YG8R、YG8刀片车削灰铸铁HT200(HB200) + @1 u4 P2 S% v0 x) m& l

4 m. W' C" Z$ m& z4 `: o

    切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r，ν=120m/min

    刀具几何参数γ₀=5。，α₀=8。，κ_r =90。，r_E =0.6mm

+ V0 S' g0 \0 e- U

    (2)用YT14R、YT14刀片车削高强度钢38GrNi3MoVA(调质，HRC38-40)

2 o3 u1 f6 v! E$ o

    切削用量αp=1mm，f=0.20mm/r

. m0 L! r$ y2 B$ Y; Z7 q- B

    刀具几何参数γ₀=5。，α₀=8。，κ_r =90。，r_E =0.8mm

(3)用YW1R、YW1刀片车削38CrNi3MoVA(HRC38-40)

, K P3 \- V7 u

切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r

    刀具几何参数γ₀=8。，α₀=60，κ_r =90。，r_E =0.5mm

刀具磨损曲线与T-ν曲线见图3、图4。

 

' f) h" Y. l5 s, `6 k

) ]/ U* R; H% `% a

从图3、图4可知，稀土硬质合金刀具的使用寿命T约比未添加的合金增长20-50％。 : i7 ?, S5 x) ~! ?- J; S

    根据图4，各种情况下的Taylor(泰勒)公式如下： 2 K1 k2 Q% B, |5 ~2 C

+ h4 x/ ]) ~5 N6 T) t9 o

    ν=206.10/T^0.18    (YT14R—38CrNi3MoVA)

    ν=192.25/T^0.18    (YT14—38CrNi3MoVA)

    ν=178.4/T^0.17     (YW1R—38CrNi3MoVA)

    ν=173.3/T^0.17     (YW1—38CrNi3MoVA)

6  在断续切削条件下刀具磨损的对比

    用YW1R、YW1刀片车削合金钢42CrMo齿轮(HB280，43个齿)。当齿轮转动1周，车刀将承受43次冲击。切削用量αp=1mm，f=O.2mm/r，ν=100m/min，冲击频率为216Hz．刀具磨损曲线见图5。

6 r3 i+ P" X9 g Y* r: r

. r5 g+ d1 {, ^- o% H1 A3 V6 a

    由图5可见，稀土硬质合金YW1R抗冲击的能力优于YW1，即在同一磨损量VB下，YW1R刀片比YW1刀片能够承受更多的冲击次数(多出30～60％)。YT14R、YT14刀片在断续切削时也有同样的情况。根本原因还是因为添加稀土元素后，硬质合金的断裂韧性有所提高。

; u- ?$ U0 `* l$ F$ ^$ l

7  稀土硬质合金刀具的切削机理

用稀土硬质合金刀片YT14R与普通刀片YT14车削38CrNi3MoVA高强度钢(HRC36～40)，改变4种切削速度，即v=60，100，140，180m/min，各切削3min，然后，借助于扫描电镜上的能谱分析，测得车刀前刀面土月牙洼部分表面的成分，列于表2中。 ! N0 v, y6 d# v$ `- Z8 z+ [, P

, O! |: p7 y7 C4 u2 s2 f$ g% N

 

! e* k$ f8 d/ U

5 E! S: N; e; M1 E0 M+ s+ Z

    W，Ti，Co为硬质合金刀片中的化学元素，其中一部分往切屑表面扩散；Fe、Ni为切屑(工件)中的化学元素，其中一部分往刀片表面扩散。由表2可知，切削速度越高，则相互扩散的作用越强烈，即有更多的Fe、Ni元素由工件一方扩散到刀片表面；更多的W、Ti、Co元素由刀片一方扩散到切屑表面，使刀片表面的W、Ti、Co含量减少。含稀土元素的YT14R刀片与切屑之间的相互扩散显著小于YT14刀片，即刀片表面的W、Ti、Co相对较多，而Fe、Ni元素从切屑一方过来较少，从而造成YT14R刀片表面硬度较高，耐磨性更好。进一步研究表明，稀土元素加入硬质合金，能够强化硬质相，强化粘结相，并能净化晶界。从而起到提高韧性、抗弯强度与硬度的效果。刀片硬度尤其是刀片表面硬度的提高，能够减小刀片与切屑之间的摩擦系数，从而降低切削力。 : U/ P2 r: F$ ]; o7 G% x

    添加稀土元素的硬质合金以其改善了韧性与抗弯强度的优势，最适用于粗加工刀具牌号、顶锤和拉丝模产品及钻探工具。如YT5R在机械加工粗切削中发挥了很大作用，YS25R存铣削中使用效果很好。稀土硬质合金在21世纪中必有发展和应用前景。 U M. B* V Q; G4 }0 s- \