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。
' B' D7 n& S" O, g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
+ y8 o% Q: p2 L8 G# e- m) r$ t( d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。
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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。
* t$ p: G* v9 F# D+ b! ]0 n  r3  切削力对比试验
- G+ }+ q) ]: c% f' M. P- t2 ^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)。
+ ?2 ?+ t& U! r- _! R# r8 |& q
: b2 Z9 o0 s, A: c0 s1 C( f+ s主切削力Fc的试验公式为：
" T4 S, M7 Q2 }" v- FFc=2159αp0.89f0.84   (N)   (YT14R-45)
! y: c# j* }5 }1 v5 _Fc=2204αp0.86f0.80   (N)   (YT14-45)
, E4 ~, H  K3 w8 aYT14R的主切削力平均低于YT14约6％。
2 w' ^7 s1 ~! s1 m- t9 B+ ]用YW1R、YW1刀片车削45钢，切削力曲线略去，其试验公式为：
4 [# Q# x) P1 u# g  m2 b2 rFc=1771αp0.98f0.79    (N)  (YW1R-45)
1 m. d$ Q8 {9 vFc=2196αp1f0.87      (N)  (YWl—45)
4  摩擦系数对比
& J( i- o% c' @8 X0 h& ^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{(Ff2+Fp2)0.5/Fc]+3γ0}
2 N- T) s6 @7 G9 l7 d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。
- |, V6 h/ w6 m3 t
9 Z* c  k+ u, `: }; Z! r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。
2 }  _6 n' K6 d/ W( |2 a5  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)
; X- Z$ X4 C0 ~1 f- f切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r，ν=120m/min
# D/ P3 y5 }( y( f刀具几何参数γ0=5。，α0=8。，κr =90。，rE =0.6mm
(2)用YT14R、YT14刀片车削高强度钢38GrNi3MoVA(调质，HRC38-40)
% p! ~/ ~+ x" |0 ?8 R: T* W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)
" g$ k9 O+ o  [8 d  T& \切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r
刀具几何参数γ0=8。，α0=60，κr =90。，rE =0.5mm
# ^$ x# p- V; P8 w刀具磨损曲线与T-ν曲线见图3、图4。

+ Y3 t  ]. a# _/ B; e$ U5 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％。
根据图4，各种情况下的Taylor(泰勒)公式如下：
ν=206.10/T0.18    (YT14R—38CrNi3MoVA)
- I2 s2 ^* I2 H" k* A2 wν=192.25/T0.18    (YT14—38CrNi3MoVA)
ν=178.4/T0.17     (YW1R—38CrNi3MoVA)
ν=173.3/T0.17     (YW1—38CrNi3MoVA)
. A) H% R& Y$ c: T  q/ w6  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。
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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。
3 s( u  q3 ^; @* a% g7  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。
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0 B" y% d7 |0 e0 A( B( p( nW，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。
8 u7 g% ?7 C# B* M4 @2 |$ k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