硬質合金刀具材料滿意的選擇「多圖」

車刀材料的選擇

常用的硬質合金可根據其制造的合金元素不同，分為以下四類：

1．鎢鈷合金

      由碳化鎢和鈷組成，常溫時的硬度為HRA87～92，紅硬性為800--900，代號為YG，常用商標為YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YGll等。其中YG3X及YG6X歸于細顆粒碳化鎢合金。YA6則是我國試制成功的一種含有少數碳化鈷的細顆粒硬質合金。

      鎢鈷合金冷硬性很高，耐性也較好，宜用于加工脆性資料，如金屬蝕口鑄鐵，也可車削沖擊性較大的工件。因為它的紅硬度較差，在600℃時，鎢鈷合金簡單和切屑粘結，使刀頭前面磨損，故不宜用于車削軟鋼等耐性金屬。

      YG6X細顆粒碳化鈷合金耐磨性較好，其強度近似YG6，因而車削冷硬合金鑄鐵、耐熱合金鋼及普通鑄鐵等都有杰出效果。

2．鎢鈦鉆合金

      由碳化鎢、碳化鈦及元素鉆組成，代號用YT表明，常用的有YT5、YTl4、YTl5、YT30等商標。鎢鈷鈦合金的冷硬功能和紅硬功能比硬質合金高。在高溫條件下比鎢鈷合金耐熱耐磨、抗粘性大，宜于加工鋼料及其他耐性金屬資料，但因為性脆，不耐沖擊，故不宜加工脆性金屬。

3．鎢鈷鈦鈮合金

      它是鎢鈷鈦合金中的新產品，由碳化鎢、碳化鈦、鈷、少數碳化鈮組成，代號為YW，常用商標為YWl、YW2。它的耐磨性和熱硬性都比較好，適用于切削各種鑄鐵和特殊合金鋼材，如不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼等較難加工的資料。

4．鎢鈷鈮類合金

      這是一種含有少數碳化鈮的細顆粒鎢鉆類硬質合金，代號為YA，常用商標為YA6。它的耐磨功能更高，適合于不銹鋼、耐熱鋼、特硬鑄鐵、鐵合金、硬塑料、玻璃和陶瓷等的加工。

      在選用硬質合金時，應根據硬質合金本身功能特點、加工工件資料和切削條件等因素歸納考慮。

      除高速鋼和硬質合金兩種常用車刀切削資料外，還有碳素工具鋼、合金工具鋼、金剛石、陶瓷等。碳素工具鋼、合金工具鋼的切削功能差，而金剛石價格高，以上三者都較少采用。

      因為陶瓷資料比硬質合金的紅硬性更高，耐磨性好，價格低，正成為一種使用廣泛的刀具資料，但因為該種資料性脆、怕沖擊、刃磨困難，所以在使用時仍受到一定的限制。

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齒輪加工中強力噴丸

強力噴丸是提高齒輪齒部彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的重要方法，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪壽命的重要途徑。本文主要介紹齒輪加工中的強力噴丸工藝。

1、工作原理  

強力噴丸工藝主要是利用高速噴射的細小鋼丸在室溫下撞擊受噴工件表面，使工件表層材料產生彈塑性變形并呈現較高的殘余壓應力，從而提高工件表面強度及疲勞強度。噴丸一方面使零件表面發生彈性變形，同時也產生了大量孿晶和位錯，使材料表面發生加工強化。如圖1所示：

.    圖1-a   經噴丸處理的零件表面    圖1-b 未經噴丸處理的零件表面

噴丸對表面形貌和性能的影響主要表現在改變零件的表面硬度、表面粗糙度、抗應力腐蝕能力和零件的疲勞壽命。零件的材料表層在鋼丸束的沖擊下發生循環塑性變形。根據材料的性質和狀態的不同，噴丸后材料的表層將發生以下變化：硬度變化、組織結構的變化、相轉變、表層殘余應力場的形成、表面粗糙度的變化等。

2、    噴丸強度的測量方法

當一塊金屬片接受鋼丸流的噴擊時會產生彎曲。飽和狀態和噴丸強度是噴丸加工工藝中的兩個重要概念。飽和狀態是指在同一條件下繼續噴擊而不再改變受噴區域機械特性時的狀態。所謂噴丸強度，就是通過打擊預制成一定規格的金屬片（即試片），在規定的時間使之達到飽和狀態的強弱程度，并用試片彎曲的弧高值來度量其噴擊的強弱程度。

目前，應用廣的美國機動車工程學會噴丸標準中采用阿爾曼提出的噴丸強化檢驗法——弧高度法，該方法由美國GM公司的J. O. Almen（阿爾門）提出，并由SAEJ442a和SAE443標準規定的測量方法，其要點是用一定規格的彈簧鋼試片通過檢測噴丸強化后的形狀變化來反映噴丸效果。對薄板試片進行單面噴丸時，由于表面層在彈丸作用下產生參與拉伸形變，所以薄板向噴丸面呈球面彎曲。通常在一定跨度距離上測量球面的弧高度值，用其來度量噴丸的強度。測定弧高度值是通過將阿爾門試片固定在專用夾具上，經噴丸后，再取下試片，然后用阿爾門量規測量試片經單面噴丸作用下產生的參與拉伸形變量（即弧高度值）。如用試片測得的弧高值為0.35mm時，記作0.35A。

噴丸強度的另一種檢驗方法為殘余應力檢測，即對經強力噴丸后的工件進行殘余應力的檢測，具體的檢驗方法為X射線衍射法。在美國SAE J784a標準中推薦如下方法：X射線的入射和衍射束必須平行于齒輪的齒根，圓柱直齒輪和圓柱螺旋齒輪上的測量位置應當在齒根的寬度中央，照射區域必須集中在齒根圓角的中心，不能橫向延伸超出規定的齒根圓角表面深度的測量點，照射區域大小的控制可以通過對直光束和適當遮蓋齒根表面實現；在每個選定受檢的齒輪上，少要任選兩個齒進行評估，兩齒間隔180。如果齒的有效齒廓受到保護沒有研磨，則可以認為齒根研磨的用于表面下殘余應力測量的齒輪未受損壞并且可以用于生產。

3、    噴丸對提高零件疲勞抗力的作用

a．借助表面冷變形實現材料表面強化的本質在于冷變形造成材料表層組織結構的變化、引入殘余壓應力以及表面形貌的變化。

b． 噴丸使材料表面性能改善

c． 強化噴丸過程中，當微小球形鋼丸高速撞擊受噴工件表面時，使工件表層材料產生彈、塑性變形，撞擊處因塑性形變而產生一壓坑，撞擊導致壓坑附近的表面材料發生徑向延伸。當越來越多的鋼丸撞擊到受噴工件表面時，工件表面越來越多的部分因吸收高速運動鋼丸的動能而產生塑性流變，使表面材料因塑性變化而產生的徑向延伸區域越來越大，發生塑性形變的表面逐步連接成片，則使工件表面逐步形成一層均勻的塑性變形層。塑性變形層形成后，繼續噴丸會使塑變層因繼續延伸而厚度逐步變薄，同時塑變層的徑向延伸會因受到鄰近區域的限制而導致重疊部分發生破壞，終塑變層因持續的噴丸而剝落。所以必須對噴丸的時間加以嚴格的控制。

4、噴丸對滲碳齒輪表層殘余應力的影響

關于噴丸使工件表面形成殘余應力的原因，根據Al-Obaid等人的觀點：當高速鋼丸撞擊到試樣表面,撞擊處產生塑性變形而殘余一壓坑,當越來越多的鋼丸撞擊到試樣表面時,則會在試樣表層產生一層均勻的塑變層,由于塑性變形層的體積膨脹會受到來自未塑性變形近鄰區域的限制,因此整個塑變層受到一壓應力。

由于殘余壓應力及其分布對齒輪疲勞壽命有較大的影響,而噴丸強化工藝的優劣將直接影響殘余應力大小及其分布。因此準確測定受噴零件的表層殘余應力對于評價噴丸工藝的優劣是一個行之有效的手段。

5、噴丸對零件表面粗糙度的影響

強化噴丸會引起零件受噴表面的塑性變形，使零件的表面粗糙度發生變化。表面粗糙度是一種微觀幾何形狀誤差，又稱為微觀不平度。表面粗糙度和表面波度、形狀誤差一樣，都屬于零件的幾何形狀誤差，表面粗糙度對于機器零件的使用性能有著重要的影響。噴丸對材料表面粗糙度的影響通常在Ra0.6～20mm范圍內。在不改變工藝參數的條件下，材料原始表面粗糙度愈高，噴丸后的Ra值愈大。生產實踐證明，一般情況下，噴前表面粗糙度在6.3mm以下，噴丸可以提高或維持原表面粗糙度，如果原表面粗糙度在6.3mm以上，則噴丸后表面粗糙度有所降低。

在生產實踐中，要想獲得較理想的噴丸表面，應從以下幾個方面著手：

提供較好的原始表面，Ra值應在6.3mm以下；

選擇合理的鋼丸直徑和噴丸壓力；

在大直徑鋼丸噴丸強化后，采用較小鋼丸低壓力(不能改變噴丸強度值)覆蓋一次，可達到較好的表面粗糙度。

噴丸后的零件表面應輕微打磨，打磨時要控制表面金屬去除量。這樣，既不損害噴丸的強化效果，又可改善表面粗糙度。當然，這是一個多因素問題,不論采用什么方法，必須同時考慮其他因素的影響。

6 、工藝參數對噴丸效果的影響

對噴丸質量有影響的主要有以下幾個方面：

鋼丸材料、鋼丸直徑、鋼丸速度、鋼丸流量、噴射角度、噴射距離、噴射時間、覆蓋率等。其中任何一個參數的變化都會不同程度地影響噴丸強化的效果。

a、鋼丸的材料、硬度、尺寸及粒度對噴丸效果的影響

鑄鐵丸和鑄鋼丸通常用于硬齒面齒輪的噴丸。鑄鐵丸的缺點是韌性較低，在噴丸過程中易于破碎、耗損量大，對破碎的鋼丸要及時分離，否則會影響受噴表面質量。但鑄鐵丸的優點是價格便宜、硬度高，可以使受噴表面產生較高的殘余壓應力。鑄鋼丸與鑄鐵丸相比，其優點是不易破碎，對受噴表面幾何形貌有利。但鑄鋼丸硬度較鑄鐵丸低，在其他條件相同時，受噴表面的殘余壓應力低于鑄鐵丸。

非晶合金涂層在加工刀具上的應用

       近年來，跟著研討的不斷深入，加工技能高質量、低能耗的特色逐漸受到重視，并在航空航天范疇得到廣泛應用。加工技能包括加工機床、加工刀具和加工工藝等方面。《非晶中國工業開展咨詢》主要從加工刀具的資料涂層技能方面進行介紹，給非晶態合金應用提供新的方向和思路。

加工及對刀具的高要求

       加工(High PerformanceMachining，HPM)是在保證零件精度和質量的前提下，經過對加工進程的優化和進步單位時刻資料切除量來進步加工功率和設備利用率、下降生產成本的一種高功能加工技能。在加工體系中，刀具是完成切削加工的工具，直觸摸摸工件并從工件上切去一部分資料，使工件得到契合技能要求的形狀、尺度精度和外表質量。在整個加工進程中，刀具直接與工件觸摸，會呈現嚴峻的刀具磨損現象，因而刀具也是加工進程中的一大消耗品。刀具技能的內涵包括刀具資料技能、刀具結構設計和成形技能、刀具外表涂層技能等，也包含了上述單項技能歸納交叉形成的高速刀具技能、刀具可靠性技能、綠色刀具技能、智能刀具技能等。刀具作為機械制作工藝配備中重要的一類基礎部件。

       刀具在切削進程中承受深重的負荷，包括高的機械應力、熱應力、沖擊和振蕩等，如此惡劣的工作條件對刀具功能提出了高要求。挑選刀具資料、設計刀具結構、開展刀具涂層和高功能刀具技能成為進步切削加工水平的關鍵環節。《非晶中國工業開展咨詢》主要從刀具涂層技能等方面對刀具進行介紹，以促進先進刀具的開發，為進步制作技能水平發揮應有的效果。

加工刀具的外表涂層

       刀具外表涂層以增效和延壽為目的，是將耐高溫、耐磨損的資料涂覆在刀具基體資料外表。涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了刀具的月牙槽磨損。涂層刀具具有外表硬度高、耐磨性好、化學功能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低一級特性。現在，常用的刀具涂層辦法有化學氣相堆積法(CVD)、物理氣相堆積法(PVD)、等離子體化學氣相堆積法(PCVD)、熱噴涂法和離子束輔助堆積法(IBAD)，其中以PVD和CVD應用為廣泛。

       刀具的涂層技能現在現已成為進步刀具功能的關鍵技能。在涂層工藝方面，CVD依然是可轉位刀片的主要涂層工藝，在基體資料改進的基礎上，使CVD涂層刀具的耐磨性和韌性都得到進步。PVD相同取得了重大進展，開發了習慣高速切削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，如納米、多層結構等。等離子體化學氣相堆積法(PCVD)是將高頻微波導人含碳化物氣體發生高頻高能等離子，或者經過電極放電發生高能電子使氣體電離成為等離子體，由氣體中的活性碳原子或含碳基團在合金的外表堆積的一種涂層制備辦法。

非晶合金涂層的優勢

       刀具涂層技能向物理涂層附加大功率等離子體方向開展；功能薄膜向著多元、多層膜的方向開展；并研討集硬度、化學穩定性、抗癢化性于一體且具有低內應力和高附著力的薄膜制備技能。圖(a)為多層涂層，其內層的TiCN與基體有較強的結合力和強度，中心的Al2O3，作為一種有用的熱屏障可答應有更高的切削速度，外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損才能，外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態；圖(b)中納米涂層與傳統涂層比較，具有超硬度、超模量和高紅硬性效應，并且顯微硬度可超過40GPa；圖(c)納米復合結構涂層在強等離子體效果下，納米TiAlN晶體被鑲  

刀具的涂層技能

嵌在非晶態的Si3N4體內，當AlTiN晶體尺度小于10nm時，位錯增殖源難于啟動，而非晶態相又可阻撓晶體位錯的遷移，即使在較高的應力下，位錯也不能穿越非晶態晶界。這種結構薄膜的硬度可以達到50GPa以上，并可堅持適當優異的韌性，且當溫度達到900—1100℃時，其顯微硬度仍可堅持在30GPa以上。

       CVD和PVD涂層工藝技能和配備水平將得到進一步提升和工業化。復合、梯度、多層、納米多層、納米非晶態復合結構涂層及薄膜多元化、個性化、涂層、晶粒大小可控化等功能可定制的涂層(如高速干切削復合涂層技能)將逐漸工業化。另一方面，針對廢舊刀具回收利用的退涂技能、重涂技能也將由于綠色環保逐漸得到重視。此外，刀具軟涂層方向的自潤滑刀具作為可以完成干切削、準干式切削(MQL)的技能途徑之一現已受到重視。

非晶合金涂層刀具的前景

       刀具的切削功能是刀具資料、幾何結構和涂層相互組合的成果，新資料、立異的結構設計和涂層可以促進刀具功能的改進。我國的刀具制作技能依然與先進國家存在很大的差距，研討刀具技能火燒眉毛，特別是基礎資料和結構立異，需要打破傳統思維，斗膽立異，尋求刀具技能的新出路。

      “非晶中國大數據中心”信息標明：我國科學家在刀具上進行非晶態復合涂層技能攻關，并現已開端在企業試用，效果得到必定。未來，這將是非晶合金一個值得開發的高段應用市場。