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郑州华晶金刚石股份有限公司

陶瓷刀具、超硬材料刀具谁主沉浮?

关键词 刀具 , 超硬材料|2014-11-18 09:43:13|来源 郑州博特硬质材料有限公司
摘要 河南是我国超硬材料的重要基地,是国内超硬材料及制品产业的余姚发源地及行业中心。特别是以郑州为核心的河南省超硬材料产业具有人才、技术、信息、产品、产业、市场和行业管理服务等方面的众多...
   刀具材料发展背景:

  刀具材料的发展历史,就是金属切削加工发展、革新的历史,刀具材料的发展日新月异,把切削加工不断提高到新的水平。今天的陶瓷刀具和超硬刀具材料比以往的碳素工具钢切削速度提高了100多倍,可见,为了适应新兴工业发展的需要,人们的创新能力也不断被挖掘,刀具材料也在适应这个优胜劣汰的环境,每一种新刀具材料的出现,都使机械加工的能力和水平向前迈进一步。

  一百三十多年来,刀具材料从碳素工具钢到超硬刀具材料有了很大的发展,18世纪首先出现了碳素工具钢,能承受的切削温度200~250℃,切削速度只有4~10m/min。1990年出现了高速钢刀具,红硬性有所提高,可在500~600℃下进行切削。切削速度提高了3~4倍。随后出现了碳化钨钴硬质合金,可在800~1000℃的切削温度下加工,切削速度比普通高速钢高4~10倍,而且可以加工多种难加工材料,大大提高了金属切削加工的劳动生产率,促进了机械工业的发展。

  河南是我国超硬材料的重要基地,是国内超硬材料及制品产业的余姚发源地及行业中心。特别是以郑州为核心的河南省超硬材料产业具有人才、技术、信息、产品、产业、市场和行业管理服务等方面的众多优势,在2002年12月成功申报国家超硬材料产业基地,使郑州高新区成为我国第一家也是唯一一家国家级超硬材料产业基地。郑州博特硬质材料有限公司(以下简称博特公司)就是在这样的历史背景下建立起来的。

  一、 硬质合金刀具

  1968年前后出现的涂层硬质合金刀具及其迅速发展是硬质合金最重要的的发展,这对推广使用可转位刀片有特别重要的意义,它促使切削加工水平和能力向前迈进了一大步。涂层硬质合金刀片可加工各种金属盒非金属材料,与非涂层刀片相比,可提高切削速度30~40%,刀具耐用度提高两倍,使切削效率提高80%以上。应特别指出的是,近年来,涂层技术已进入超硬型材料领域,如立方氮化硼CBN)和金刚石涂层技术已于1972年获得成功,涂层立方氮化硼刀具主要用于切削淬硬钢、高速钢、不锈钢和高温合金。

  二、陶瓷刀具

  陶瓷刀具材料的出现和发展,把切削加工的能力和水平提高到一个新的高度。特别是最近十几年来,无论在刀具性能、产品种类和使用领域的开拓方面都有相当的进展。氧化铝陶瓷刀具、氮化硅陶瓷刀具硬度高,耐磨性、耐热性和化学惰性好,在1200~1300℃的高温下,切削性能仍不改变,可以250~400m/min的速度切削钢,800~1000m/min的速度切削铸铁。切削速度比硬质合金还高1~2倍,刀具耐用度高4~9倍,工序劳动减少40%左右,并可用于连续车削和铣削,有很高的生产率。例如,用V=390m/min的速度切削铸铁,陶瓷刀具的耐用度为碳化钨基硬质合金的5倍;为碳化钛基硬质合金的3倍。加工40Cr钢时,陶瓷刀具的耐用度为硬质合金的5~6倍。陶瓷刀片已取代了硬质合金涂层刀片加工铸铁飞轮,其效果是显而易见的。

  三、超硬刀具

  1957年美国GE公司首次合成立方氮化硼(CBN)。它是一种超硬刀具材料,有很多独特的优点。硬度达HV8000~9000,接近金刚石;可在高达1400~1500℃的温度下进行切削,允许使用更高的切削速度,对进一步提高生产率有很大的潜力。1972年聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼广泛用于工业,使金属切削加工业与当代材料工业发展的适应性增强了。聚晶金刚石可加工铜、铝等有色金属以及耐磨塑料、硬橡胶等非金属材料直至硬质合金、陶瓷、纤维玻璃灯硬脆材料,其耐用度比硬质合金刀具高20~200倍;加工效率和精度远非硬质合金刀具所能比美,切削性能甚至比天然金刚石还好。聚晶立方氮化硼可加工淬硬钢、冷硬铸铁和镍基、钴基合金,还可加工喷焊、喷涂表面。例如车削硬度为HRC55的喷有铬化硼的表面,用硬质合金只能加工3件,用立方氮化硼可加工1000件,表面粗糙度为Ra0.63~1.25um。

  这两种超硬刀具材料已做成可转位刀片,并以用于车、铣削。用于精铣和半精铣HRC40~70淬火钢时,切削用量为切削速度80~800m/min,每齿进给量0.005~0.15mm,切削深度0.05~1.5mm,表面粗糙度Ra0.2um,精铣铸铁还可采用更高的切削用量,切削效率比硬质合金高1.5~3倍。用于铣削过共晶硅铝合金时,切削深度可达9mm,表面粗糙度Ra0.42~1.0um。超硬刀具材料的发展,又把切削加工水平提高到一个崭新的水平,可在1000m/min以上的高速切削进行切削加工,并且加工硬度达HRC70的工件。

  小结:

  陶瓷刀具、超硬材料刀具谁主沉浮?与其他刀具材料相比,陶瓷刀具的最重要特点就是硬度高且高温性能好,所以在高速切削下,刀具仍有良好的耐磨性和耐热性。因陶瓷刀具强度和断裂韧性仍然比硬质合金低,所以在断续切削时的抗破损能力还有待于继续提高。陶瓷刀具不及立方氮化硼刀具的韧性和硬度。所以根据其硬度和韧性的差异,在切削硬度低于50HRC以下和小切深小进给情况下的淬火钢工件时,陶瓷刀具是较好的选择。立方氮化硼刀具更适合于工件硬度高于50HRC情况。不仅能连续切削,而且能胜任恶劣的加工环境,实现连续到断续切削,可以这样说,立方氮化硼刀具是可以取代陶瓷刀具加工难加工材料,如果您正在使用陶瓷刀具加工汽车发动机、汽车齿轮、变速箱、轴承滚道、风力发电机、工业泵等,建议采用立方氮化硼刀片,对提高加工生产率、降低加工成本是百利而无一害的。郑州博特公司提供整套加工方案, 针对有缺陷、加工难度大的工件有成功的加工案例,可分享给用户。对于不同材质的加工,博特量体裁衣制定一套经济的、最可行的解决方案。(本文参考文献《陶瓷刀具切削加工》)
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