新型硬质合金——添加稀土元素的硬质合金

    摘要：主要介绍了添加稀土元素硬质合金的性能和应用，并列入一些试验数据。

    关键词：稀土元素；硬质合金；切削刀具

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。

    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

    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。

 

    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

    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=value="2" HasSpace="False" Negative="False" NumberType="1" TCSC="0">2mm，f=0.21mm/r，干切)。

    主切削力Fc的试验公式为：

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

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    Fc=2204αp^0.86f^0.80   (N)   (YT14-45)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    YT14R的主切削力平均低于YT14约6％。

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    用YW1R、YW1刀片车削45钢，切削力曲线略去，其试验公式为：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    Fc=1771αp^0.98f^0.79    (N)  (YW1R-45)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    Fc=2196αp¹f^0.87      (N)  (YWl—45)

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。

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

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    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。

 

    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)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r，ν=120m/min

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    刀具几何参数γ₀=5。，α₀=8。，κ_r =90。，r_E =0.6mm

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    (2)用YT14R、YT14刀片车削高强度钢38GrNi3MoVA(调质，HRC38-40)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    切削用量αp=1mm，f=0.20mm/r

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    刀具几何参数γ₀=5。，α₀=8。，κ_r =90。，r_E =0.8mm

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">(3)用YW1R、YW1刀片车削38CrNi3MoVA(HRC38-40)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 24pt; LINE-HEIGHT: 28pt">切削用量αp=1mm，f=0.21mm/r

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    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。

 

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：

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    ν=206.10/T^0.18    (YT14R—38CrNi3MoVA)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    ν=192.25/T^0.18    (YT14—38CrNi3MoVA)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    ν=178.4/T^0.17     (YW1R—38CrNi3MoVA)

normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 28pt">    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。

    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

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。

 

    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。