高可靠性的NX3035金属陶瓷刀具材料
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论在何种加工场合,NX3035金属陶瓷刀具都显示出很高的抗热冲击性能、优异的耐磨性能以及较长的刀具寿命。在干式切削中也获得了相同的结果。可以说,NX3035金属陶瓷是一种稳定性极高的万能金属陶瓷刀具材料。

图1 车削用NX3035金属陶瓷刀片

图2 金属陶瓷合金的组织结构模式
金属陶瓷是一种适合高速、高效切削加工钢件的刀具材料,它的抗高温氧化性能优于硬质合金,与钢的化学亲和力小,耐磨性能优异,能获得优质美观的精密加工表面。在重视加工表面品质的IT产业电子器件、汽车零件和工业机械零件的精密切削加工中,金属陶瓷是不可缺少的刀具材料。
日本三菱材料公司开发并已实现商品化的NX3035金属陶瓷刀片(见图1)在精车钢件和轻载切削中显示出极高的可靠性,性能优于原有的金属陶瓷刀片,是能承担长时间持续加工并能获得优质加工面的刀具材料,现对其特点和切削性能简介如下。

金属陶瓷的特点及必须攻克的课题

金属陶瓷的材料组织模型如图2所示。材料组织为以钛(Ti)为主要成分的硬质粒子与软质金属结合相分散组合而成。在通常情况下,硬质粒子由钛和其他金属复合碳化物(Ti,M)CN(其中,M表示金属,指钨、铌、钼等)组成。金属结合相则由以钴、镍为主要成分的合金组成。通过改变硬质粒子的成分及其粒度、结合相等,金属陶瓷合金的性质就会发生很大变化。金属陶瓷合金与钛的亲和力小,是由于其硬质粒子即使在高温下也不会融入铁中。但是,金属陶瓷合金的抗热冲击性能比硬质合金差,在湿式切削等交变热循环条件下,容易产生热裂纹,并因热裂纹扩展而导致崩刃,这是因为金属陶瓷合金的硬质粒子(Ti、M)CN的热传导率比硬质合金的WC硬质粒子低而产生的本质问题。
近年来,为了保护环境和降低成本,湿式切削有向不使用切削液的干式切削和喷雾式近干切削变化的趋势,但在重视加工面品质的精密切削加工领域,仍然主要采用湿式切削,在这种条件下,因热冲击而使刀尖产生的热裂纹和崩刃必然会反映在被加工表面,而使加工面的品质变差。因此,提高抗热冲击性能是金属陶瓷刀具材料必须攻克的课题。

NX3035金属陶瓷材料的特点

(1)高抗热冲击性能

为了提高NX3035金属陶瓷合金的抗热冲击性能,应着眼于两个要点:其一是金属陶瓷合金的热传导系数;其二是硬质粒子的粒度。抗热冲击性能可以用热冲击抵抗系数值来表示和比较,即:热冲击抵抗系数=[热传导系数×破坏强度×(1-泊松比)]÷(杨氏模量×热臌胀系数)。提高热冲击抵抗系数最有效的方法是提高金属陶瓷合金的热传导系数,要达到这一目的,应从金属结合相入手。在研究开发NX3035金属陶瓷的课题中,从研究原材料、成分配比、碳量、氮量和烧结工艺等入手,对金属结合相进行了特殊合金化处理,成功提高了材料的热传导性能。图3为NX3035金属陶瓷与原有金属陶瓷的热冲击抵抗系数的对比结果。由图可知,由于NX3035金属陶瓷金属结合相的改进,提高了热传导系数,使其具有非常优异的抗热冲击性能。由图4所示,NX3035金属陶瓷为硬质粒子平均粒度超过1µm的中等粒度组织,即使切削刃因热冲击而产生了热裂纹,也能最大限度地抑制热裂纹的扩展,因此,这种中等粒度是最佳粒度。

图3 热冲击抵抗系数的对比
(a)NX3035(中等颗粒)
(b)原有金属陶瓷(微粒组织)
图4 NX3035的金相组织

图5 NX3035的表面结构模式

(2)优异的耐磨性能

NX3035金属陶瓷是一种先进的刀具材料,要承担高速切削加工任务,还需要进一步提高其耐磨性能。为此,在制作NX3035金属陶瓷的烧结表面时,应在距表面数百微米深度内,减少金属结合相的含量,以形成高硬度的表面层(硬化层),使NX3035金属陶瓷具有优异的耐磨性能,不仅能与非涂层的金属陶瓷相匹敌,而且与涂层金属陶瓷也不相上下。硬化层提高耐磨性能的作用是不言而喻的,通过减少金属结合相,使与铁亲和力更小的硬质粒子数量增加,切削时不易粘刀,从而能提高精加工表面的光泽度。

NX3035金属陶瓷刀具的切削性能

用NX3035金属陶瓷刀具断续切削合金钢(JIS-SCM440)时,出现崩刃时的冲击次数见图6。由出现崩刃时的冲击次数对比结果可知,NX3035金属陶瓷刀具的抗热冲击性能是市售金属陶瓷刀具的1.5-3倍,即便是在容易使刀具寿命不稳定的湿式切削中,也显示出非常优异的刀尖稳定性,能长时间保持精加工表面的品质。
切削条件:刀片:CNMG120408-SH;切削速度:Vc=400m/min;进给量:f=0.2mm/r;切深:ap=1.5mm;湿式切削
图6 NX3035的抗崩刀性能对比
用NX3035金属陶瓷刀具连续车削合金钢(JIS-SCM440)外圆时,耐磨性能的对比曲线见图7。NX3035的耐磨性能不仅优于非涂层金属陶瓷刀具,而且也优于PVD涂层的金属陶瓷刀具。因此,用NX3035取代PVD涂层金属陶瓷刀具,在降低刀具成本上也具有吸引力。
切削条件:刀片:CNMG120408-SH;切削速度:Vc=250m/min;进给量:f=0.15mm/r;切深:ap=1.0mm;湿式切削
图7 NX3035的耐磨性能对比
由NX3035金属陶瓷刀具与市售金属陶瓷刀具的精加工表面粗糙度对比结果见图8。NX3035金属陶瓷刀具副切削刃的边界损伤被抑制,能保持良好的精加工表面质量。除了刀具材料的特性外,选择最佳断屑槽形、刀尖钝化等因素对保持精加工表面品质也十分重要。
切削条件:工件材料:JIS-S45C;刀片:TNGG160404R-F;切削速度:Vc=150m/min;进给量:f=0.08mm/r;切深:ap=0.1mm;湿式切削;切削时间:10min
图8 NX3035的精加工表面粗糙度对比

NX3035金属陶瓷刀具的加工实例

NX3035金属陶瓷刀具已被许多客户使用,并获得了高度评价,现介绍几个加工实例。图9是在湿式切削齿轮端面的实例。由于齿轮外圆上有轮齿,故属于断续切削。对于金属陶瓷刀具而言,湿式断续切削是一种容易产生切削刃崩损的加工形态,但NX3035金属陶瓷刀具显示出正常磨损,其加工的工件数是市售金属陶瓷刀具的1.5倍以上,后刀面磨损宽度VB极小。图10是在湿式车削轴外圆的加工实例。市售的PVD涂层金属陶瓷刀具在对精加面影响很大的副切削刃上出现了异常损伤,而NX3035金属陶瓷刀具无任何异常损伤,其使用寿命是PVD涂层金属陶瓷刀具的2倍。

图9 NX3035加工实例1

图10 NX3035加工实例2
无论在何种加工场合,NX3035金属陶瓷刀具都显示出很高的抗热冲击性能、优异的耐磨性能以及较长的刀具寿命。在干式切削中也获得了相同的结果。可以说,NX3035金属陶瓷是一种稳定性极高的万能金属陶瓷刀具材料。
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2010年第1期
上载于:2014-1-6 11:08:25

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