新型硬质合金——添加稀土元素的硬质合金

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1 概述 4 j. w0 O5 o4 N, s" p; m0 S1 {

    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。

    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。

2  稀土硬质合金的机械、物理性能 * ]0 k) i3 H1 ~0 W% 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。 ; B- {+ a) F: |' i) N& {7 a0 P

 

6 R3 v' ^: Y# o l

$ K4 K& _ X9 V8 j, {0 _

    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。 ! K/ j/ F% l' q8 x+ j

3  切削力对比试验 4 B: |& D6 V V5 s1 J9 A% q" u

0 B! E6 l& Y/ s; i: ?2 h$ C" C

    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)。

) O: w+ Z& n2 e& R @- v9 B+ J2 _

7 P0 z$ P2 J- F" s& z7 O6 d

/ ~! D' Z% X" t3 B7 x- X) W

    主切削力Fc的试验公式为： $ y" n3 K* i, a [% R$ U0 U4 \

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

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

% [4 i3 u! S3 N l

    YT14R的主切削力平均低于YT14约6％。

1 g- J% R+ N l1 S: h/ D+ d, r

    用YW1R、YW1刀片车削45钢，切削力曲线略去，其试验公式为：

. U3 a" g8 I: O( y

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

4 k: e+ s$ u3 D$ c4 i

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

0 G$ G5 q6 g4 F( q u1 b4 J3 C8 D- S/ ]

4  摩擦系数对比

    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。 . | p6 n. L2 I2 O1 Z7 |' D

     μ=tan[tan^-1{(F_f²+Fp²)^0.5/Fc]+3γ₀} / `) `2 H# y% J; k3 U+ C

    式中，γ₀—刀具前角

& J7 J8 S* K5 H+ Y3 a% L8 u: O7 q

在不同切削速度下，算出摩擦系数μ，绘成图2。

 

+ n, m: G/ W/ H4 V4 c% n

1 c8 I% A/ C% i2 x8 ~

    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。 # R" b K0 P0 \

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

, B; P& f: M2 w! f- l

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

( R% D% Z# g, c# O

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

$ O0 \8 l6 y" j

    切削用量αp=1mm，f=0.20mm/r

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

. k7 F2 n1 G# L, t E% t5 z

(3)用YW1R、YW1刀片车削38CrNi3MoVA(HRC38-40)

* C7 K8 `. {% }% D

切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r

% ]0 ~# R! r( i6 O5 m( A& ]

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

& I4 X) u( E6 w" I) V, k( L! W

刀具磨损曲线与T-ν曲线见图3、图4。 W8 _% Z" U8 D* F7 B

 

9 k+ M0 ~9 C5 a" c! B! v2 }# L) n

- L4 I0 Y. z: ^7 w

8 F- |6 K8 K9 g2 d

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％。 : ^5 J) q6 q ?6 O

    根据图4，各种情况下的Taylor(泰勒)公式如下：

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

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

& D# D2 W: I, d# h+ S: E: Q5 G1 E+ a" z

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

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

1 R9 E9 }' ~9 Q& o

6  在断续切削条件下刀具磨损的对比 5 C1 C& k% l/ u8 W0 F- l& j

    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。

$ i' D" E) b& f0 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。

1 S* V2 C8 \4 P# [. L. w

7  稀土硬质合金刀具的切削机理 7 f2 \7 a" w" ?. a8 u

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。 * R% U- b& t0 C% c" m

 

8 P$ B( n+ O' a" w

    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。

    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。