新型刀具材料——稀土硬質(zhì)合金

    在各種硬質(zhì)合金刀具材料中，添加少量的稀土元素，均可有效地提高硬質(zhì)合金的斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度。硬質(zhì)合金的耐磨性和硬度也有一定的改善。因此，刀具在正常磨損下的使用壽命得以延長(zhǎng)，抗沖擊性能能夠提高。稀土元素蘊(yùn)藏量豐富，價(jià)格也不貴，故這種硬質(zhì)合金刀具材料極有應(yīng)用前景。 
    在現(xiàn)代機(jī)械加工中，刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得*多，幾乎各占一半。高速鋼的發(fā)明和應(yīng)用，已有整整一個(gè)世紀(jì)的歷史，硬質(zhì)合金則已有半個(gè)世紀(jì)。但二者均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要作用。添加稀土元素的硬質(zhì)合金則是刀具材料新品種之一。稀土元素是指化學(xué)元素周期表中原子序數(shù)57～71（從La到Lu），再加上21和39（Sc和Y），共17個(gè)元素。將某些稀土元素，以一定方式，微量添加到傳統(tǒng)的硬質(zhì)合*號(hào)中，即可有效地提高它們的機(jī)械性能與切削性能。我國(guó)稀土元素資源豐富，對(duì)稀土硬質(zhì)合金的研究開發(fā)，*于其他國(guó)家。已研制出下列牌號(hào)的刀具用稀土硬質(zhì)合金：YG8R（相當(dāng)于ISO K30級(jí)別）、YG6R（K20）、YW1R（M10）、YW2R（M20）、YT5R、YT14R（P20）、YT15R（P10）、YS25R（P25）。還有礦山、地質(zhì)工具牌號(hào)YG11CR。作者對(duì)上述P類、M類、K類稀土硬質(zhì)合金的切削性能均作了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并探討了它們的切削機(jī)理。 
稀土硬質(zhì)合金的機(jī)械、物理性能 
在YG8、YT14、YW1硬質(zhì)合金中添加了Ce、Y等稀土元素后，形成了稀土硬質(zhì)合金YG8R、YT14R、YW1R。YG8R主要用于鑄鐵和有色金屬的粗加工；YT14R主要用鋼材的半精加工；YW1R則為通用牌號(hào)，可用于各種工件材料的半精加工。 
經(jīng)過(guò)測(cè)試，添加稀土元素后硬質(zhì)合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度顯著提高，分別提高20%和10%以上。 
稀土硬質(zhì)合金的耐磨損和使用壽命試驗(yàn) 
通過(guò)試驗(yàn)我們知道，與無(wú)稀土元素的原刀片相比，YG8R、YT14R、YW1R刀片的耐磨性和使用壽命均有不同程度的提高。 
我們還進(jìn)行了稀土硬質(zhì)合金的抗沖擊試驗(yàn)，用YG8R、YT14R、YW1R等添加稀土元素的硬質(zhì)合金刀片，與未添加稀土元素的YG8、YT14、YW1刀片，車削花鍵軸鋼件，便刀尖受沖擊，直至刀尖破損為止。經(jīng)多次重復(fù)試驗(yàn)，在刀尖破損前，YG8R、YT14R、YW1R刀片所能承受的沖擊次數(shù)分別比YG8、YT14、YW1刀片提高1～2倍以上。 
稀土硬質(zhì)合金的切削力試驗(yàn) 
用添加稀土元素的硬質(zhì)合金刀片YT14R、YW1R車削45#鋼（HB200），與YT14、YW1刀片對(duì)比。用三向電阻式測(cè)力儀，測(cè)量并記錄三向切削力：主切削力Fc，切深方向切削力Fp，進(jìn)給方向切削力Ff。在多次改變切削參數(shù)的情況，得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是：YT14R、YW1R刀片的Fc，分別比YT14、YW1刀片減小5%左右，而它們的Fp與Ff則比YT14、YW1刀片減小10%～15%以上。 
主切削力的試驗(yàn)公式為： 
YT14R車削45#鋼 Fc=2059ap0.89 f0.84N 
YT14車削45#鋼 Fc=2104ap0.86 f0.80N 
YW1R車削45#鋼 Fc=1771ap0.98 f0.79N 
YW1車削45#鋼 Fc=2196ap1 f0.87N 
切削機(jī)理 
稀土元素存在于（W,Ti）C或（W,Ti,Ta,Nb）C固溶體中，能強(qiáng)化硬質(zhì)相；并能抑制WC晶粒不均勻長(zhǎng)大，使之趨向均勻，平均晶粒尺寸有所減小。少量稀土元素還固溶在粘結(jié)相Co中，使粘結(jié)相得到強(qiáng)化。稀土元素富集在WC/Co的相界面處及（W,Ti）C/(W,Ti)C等相界面間，常與雜質(zhì)S、O等化合形成RE2O2 S等化合物，改善了界面上潔凈狀況并提高了硬質(zhì)相與粘結(jié)相的潤(rùn)濕性。由此，稀土硬質(zhì)合金的沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度及工作時(shí)的抗沖擊能力明顯得到提高。其硬度、耐磨性及刀具表面上抗擴(kuò)散和抗氧化的能力亦有一定提高。 
經(jīng)過(guò)電鏡測(cè)試，還發(fā)現(xiàn)稀土硬質(zhì)合金刀片在切削時(shí)表層有富鈷現(xiàn)象，故能降低切屑、工件與刀具間的摩擦系數(shù)，從而可以降低切削力。 
稀土元素在自然界蘊(yùn)藏豐富，價(jià)格不高，添加在硬質(zhì)合金中可以明顯地提高機(jī)械、物理性能和使用性能，故有廣闊的應(yīng)用前景。 
應(yīng)用實(shí)例 
1. 北京建筑機(jī)械廠用YT14R和YT14硬質(zhì)合金車削45#鋼軸（調(diào)質(zhì)，硬度HB250），切削速度v=60m/min，切削深度ap=0.5mm，進(jìn)給量f=0.51mm/r。YT14R的使用壽命比YT14提高2倍，且已加工表面質(zhì)量略有改善 
2.北京內(nèi)燃機(jī)總廠采用YT14R和YT14硬質(zhì)合金刀具車削45#凸輪軸（調(diào)質(zhì)，HRC28～32），v=92m/min，ap=3mm，f=0.6mm/r。YT14R平均能加工80～100件，而YT14只能加工40～50件。且YT14R打刀現(xiàn)象少于YT14。 
3.北京內(nèi)燃機(jī)總廠用YW1R和YW1硬質(zhì)合金車削45#凸輪軸（調(diào)質(zhì)，HRC28～32），v=92m/min，ap=3mm，f=0.6mm/r。YW1R平均能加工60～70件，無(wú)打刀現(xiàn)象，而YW1只能加工30～32件，且有時(shí)打刀。 
4.中國(guó)航天工業(yè)總公司五院第502研究所采用YW1R和YW1刀具車削不銹鋼1Cr18Ni9Ti（抗拉強(qiáng)度　　sb=0.55GPa）和高溫合金GH3128（sb=0.84GPa），v=30～60m/min，ap=0.7～1.5mm，f=0.08mm/r。YW1R的使用壽命為YW1的2倍以上，YW1的加工表面粗糙度為Ra=3.2mm，YW1R為Ra=1.6mm。 
5. 北京*機(jī)床廠用YG8R和YG8硬質(zhì)合金車削灰鑄鐵HT200（硬度HB170～180），v=80m/min，ap=2mm，　f=0.3mm/r。YG8R的使用壽命為YG8的1.5～2倍，且抗沖擊性能有所改善。