新型硬质合金——添加稀土元素的硬质合金

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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。
! d7 M* d  ]' i# }" q& |" ~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。
% Q0 ?, A, `* j" J2  稀土硬质合金的机械、物理性能
  S: `, P- Q; B2 N# E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。
) e( W  p2 f) [* L2 I$ o
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  切削力对比试验
$ r2 k9 ^# a) p6 [* {1 v9 h! s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Ff和径向切削力Fp，并记录下来，得到Fc-ν、Ff-ν，Fp-ν曲线，如图1所示(αp=2mm，f=0.21mm/r，干切)。

% }, a. i( W; `8 n  A+ m1 e6 \7 }" H6 t主切削力Fc的试验公式为：
Fc=2159αp0.89f0.84   (N)   (YT14R-45)
/ h0 T/ Z" U3 M! [3 N: ]Fc=2204αp0.86f0.80   (N)   (YT14-45)
: y" Y/ p9 }+ E6 l9 {YT14R的主切削力平均低于YT14约6％。
用YW1R、YW1刀片车削45钢，切削力曲线略去，其试验公式为：
Fc=1771αp0.98f0.79    (N)  (YW1R-45)
Fc=2196αp1f0.87      (N)  (YWl—45)
4  摩擦系数对比
( n1 r) J% i; S) W/ m4 r3 f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。
( j5 Z$ A  V& F* L+ k  q7 Oμ=tan[tan-1{(Ff2+Fp2)0.5/Fc]+3γ0}
- I0 E) T. e# j; i) F. T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。
% f0 i, D  |2 C8 W
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)
切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r，ν=120m/min
! ?% ~4 O. x& a* c5 ^  ]刀具几何参数γ0=5。，α0=8。，κr =90。，rE =0.6mm
6 E- s+ d# Z& d0 h- J/ o(2)用YT14R、YT14刀片车削高强度钢38GrNi3MoVA(调质，HRC38-40)
3 @7 P& H( t" p; Y6 ^/ U切削用量αp=1mm，f=0.20mm/r
刀具几何参数γ0=5。，α0=8。，κr =90。，rE =0.8mm
(3)用YW1R、YW1刀片车削38CrNi3MoVA(HRC38-40)
切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r
% f; L3 H' K# i( x) n$ B+ C刀具几何参数γ0=8。，α0=60，κr =90。，rE =0.5mm
0 ]. _5 x9 K1 |) H  M7 _, i% y! ]刀具磨损曲线与T-ν曲线见图3、图4。
; @. p4 N4 X- X8 w5 |* m2 o
/ E, I8 m0 [4 A% ~& p4 W7 z( ]) V
- K* G, B+ s, l7 w9 X  J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％。
) y4 J" h  \5 l7 X根据图4，各种情况下的Taylor(泰勒)公式如下：
; l$ r( _& q7 c/ r/ Hν=206.10/T0.18    (YT14R—38CrNi3MoVA)
) h, R2 q/ a$ L. dν=192.25/T0.18    (YT14—38CrNi3MoVA)
2 s. H; y9 ?) v: w5 x/ ]! e9 i0 o- Jν=178.4/T0.17     (YW1R—38CrNi3MoVA)
/ b. o# m2 P6 W7 K3 G# ~5 f1 rν=173.3/T0.17     (YW1—38CrNi3MoVA)
4 f, P9 z+ ?" _+ W: R9 o6  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。

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。
7  稀土硬质合金刀具的切削机理
6 G& i$ M# z; _8 |. Y5 z+ [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。

" }0 O3 E5 E$ x, X9 T5 E: L# MW，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。
" H+ S* z9 }8 g, r# D4 o& D! ^8 N9 Y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。
文章关键词： 新型硬质合金