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金属切削刀具材料的发展现状分析

2009年08月11日 10:02中国机床商务网点击:2900

  随着数控机床和难加工材料的不断发展,金属切削刀具发挥越来越重要性的作用,要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在影响金属切削发展的诸多因素中,刀具材料起着决定性作用。从刀具材料方面来讲,近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、立方氮化硼等超硬刀具材料,使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。

  高速钢

  高速钢自1900年面世至2000年,尽管各种超硬材料不断涌现,但始终未能动摇其切削刀具的霸主地位,2000年以后硬质合金已成为高速钢的“天敌”,正在持续不断地侵蚀着高速钢刀具的市场份额,但对于某些如螺纹刀具、拉削刀具等对韧性要求较高的刀具,高速钢仍可与硬质合金“分庭抗礼”,甚至占明显优势。

  据有关方面统计分析,2004年我国生产高速钢7.8万吨,几乎占全球产量的50%,生产了约25亿件刀具,其中近20亿件低档出口。2005年全国高速钢产量8.3万吨,其中低合金高速钢(钨当量6%~12%)占40%左右,刀具的生产、销售情况和2004年差不多。从整体形势分析,目前最突出的矛盾是低档产品恶性膨胀,而高档产品严重短缺,或者说高端失守、低端混战,倘任其自由发展,高速钢刀具在切削领域的地位只会越来越低,甚至退出,将市场拱手让给外国佬。

  人们习惯上将高速钢分为四大类:

  1)通用高速钢(HSS)

  以W18Cr4V为代表的HSS曾辉煌过一个世纪,为我国刀具行业做出过杰出的历史性贡献,但由于还存在不少弊端,现已逐步淡出市场;M2钢的市场份额已由上世纪90年代的60%~70%下降到目前的20%~30%;9341是我国自行研制的HSS,市场份额占20%左右,W7、M7等其他HSS产量比较低。HSS已占高速钢总量60%以上。由于HSS的强韧性和较高的耐磨性、红硬性等优异性能,在丝锥、拉刀等刀具领域,还会牢牢守住一块地盘,不过阵地在逐年减少。

  2)高性能高速钢(HSS-E)

  HSS-E是指在HSS成分基础上加入Co、Al等合金元素,并适当增加含碳量,以提高耐热性、耐磨性的钢种。这类钢的红硬性比较高,经625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上,刀具的耐用度为HSS刀具的1.5~3倍。

  以M35、M42为代表的HSS-E产量逐年在增加,501是我国自产的高性能高速钢,在成形铣刀、立铣刀等方面应用十分普遍,在复杂刀具方面应用也比较成功。由于数控机床、加工中心、高难加工材料发展迅速,HSS-E刀具材料亦逐步增加。

  3)粉末高速钢(HSS-PM)

  和冶炼高速钢相比,HSS-PM力学性能有显着的提高。在硬度相同的条件下,后者的强度比前者高20%~30%,韧性提高1.5~2倍,在国外应用十分普遍。我国在上世纪70年代曾研制出多种牌号的HSS-PM,并投入市场,但不知何故夭折,现在各工具厂所用材料均系进口。值得欣喜的是,河冶科技股份有限公司(原河北冶金研究院)已能生产HSS-PM,并小批量供货,效果不错。由于资源日益枯竭和HSS-PM自身优良的综合性能及市场的需求,HSS-PM必将会有一个长足的进步。

  4)低合金高速钢(DH)

  由于合金资源越来越少、成套麻花钻出口及低速切削工具的需要,钢厂和工具厂共同开发出301、F205、D101等多种牌号的DH.2003年我国生产高速钢6万吨,其中DH两万吨,占高速钢的1/3;2004年DH占高速钢的40%,2005年、2006年仍呈增长势头。但其中水分不少,有些根本不属高速钢,硬度也达不到63HRC,也被标以HSS.

  硬质合金

  机械制造业需要“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的经营理念,在当代刀具制造和使用领域,“效率第一”的理念已经取代了传统的“性能价格比”老概念,这一变化为高技术含量的高效刀具的发展扫清了障碍。

  硬质合金不仅具有较高的耐磨性,而且韧性也较高(和超硬材料相比),所以得到广泛的应用,展望未来,它仍然是应用最广泛的刀具材料。从历届机床工具博览会上可以看出,硬质合金可转位刀具几乎覆盖了所有的刀具品种。随着科学技术的发展和刀具技术的进步,硬质合金的性能得到很大改善:一是开发了提高韧性的1~2μm细颗粒硬质合金;二是开发了涂层硬质合金。与高速钢刀具相比,硬质合金涂层刀具的市场份额增长幅度更大,因为在高温和高速切削参数下,高强度更为重要。

  现代切削刀具,硬质合金大展其威,展望未来,刀具材料无疑是硬质合金的天下。

  超硬刀具材料

  超硬材料是指以金刚石为代表的具有很高硬度物质的总称。超硬材料的范畴虽没有一个严格的规定,但人们习惯上把金刚石和硬度接近于金刚石硬度的材料称为超硬材料。

  1)金刚石

  金刚石是目前世界上已发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性等性能,在有色金属和非金属加工中得到广泛的应用,尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中,如轿车发动机缸体、缸盖、变速箱和各种活塞等的加工中,金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。近年来,由于数控机床的普及和数控加工技术的高速发展,可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及。金刚石刀具现在和将来都是数控加工中不可缺少的重要刀具。

  2)立方氮化硼(CBN)

  立方氮化硼是氮化硼的同素异构体,其结构与金刚石相似,硬度高达8000~9000HV,耐热度达1400℃,耐磨性好。近年来开发的多晶立方氮化硼(PCBN)是在高温高压下将微细的CBN颗粒通过结合相烧结在一起的多晶材料,既能胜任淬硬钢(45~65HRC)、轴承钢(60~64HRC)、高速钢(63~66HRC)、冷硬铸铁的粗车和精车,又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。

  3)陶瓷刀具

  陶瓷刀具是最有发展潜力的刀具之一,目前已引起世界工具界的重视。在工业发达的德国,约70%加工铸件的工序是由陶瓷刀具来完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%.由于数控机床、高效无污染切削、被加工材料硬等因素,迫使刀具材料必须更新换代,陶瓷刀具正是顺乎潮流,不断改革创新,在Al2O3陶瓷基体中添加20%~30%的SiC晶液制成晶须增韧陶瓷材料,SiC晶须的作用犹如钢筋混凝土中的钢筋,它能成为阻挡或改变裂纹扩展方向的障碍物,使刀具的韧性大幅度提高,是一种很有发展前途的刀具材料。为了提高纯氧化铝陶瓷的韧性,加入含量小于10%的金属,构成所谓金属陶瓷,这类刀具材料具有强大的生命力,正以强劲势头向前发展,也许将来会自成一系,成为刀具材料家族新成员。

  陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等,它们是地壳中最富足的资源,发展此类刀具不存在原料来源问题。因此,开发应用陶瓷刀具有重要的战略意义和深远的历史意义。

  由于切削加工机床和切削技术的突飞猛进,迫使刀具被动式同步。刀具材料的发展趋势,是向着高效率、高速度、高寿命方向发展。在各种刀具材料的发展中,硬质合金(包括涂层硬质合金)一枝独秀;HSS将进一步萎缩;HSS-E增幅缓慢;HSS-PM将有长足的进步;DH还会继续膨胀扰乱市场,不过好景不长;超硬刀具材料有广阔的发展空间,将继续扩大应用比例。形成了以硬质合金为主线,各种材料既有独特的优点和应用范围,又互相发展、互相竞争,又相互有所取代补充的整体格局。
(文章来源:中国金属加工在线)
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