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陶瓷—金属覆层刀具材料--一种新型刀具材料 |
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作者：山东大学 王永国 李兆前 |
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摘要：通过在金属基体上覆层三元硼化物基陶瓷制备出的陶瓷—金属覆层刀具材料同时具有陶瓷材料硬度高、耐磨性好和金属材料强度高、韧性好、导热性好的性能优势，是一种极具发展潜力的新型刀具材料。
1 引言
陶瓷材料具有优良的耐磨性、耐热性、抗氧化性能等，但同时存在脆性大、强度低、导热性能不佳等性能缺陷，从而限制了其在机械加工领域的广泛应用。为了充分发挥陶瓷材料的性能优势，弥补其性能缺陷，实现陶瓷材料与金属材料的性能互补，一种全新的刀具材料——陶瓷—金属覆层刀具材料应运而生。这种新型刀具材料是通过在金属基体上覆层新型Mo2FeB2系三元硼化物基陶瓷制备而成，它同时具备了陶瓷材料硬度高、耐磨性好和金属材料强度高、韧性好、导热性好等优点，加上制备过程中陶瓷层形成的残余压应力，使其具有优于单一陶瓷材料或金属材料的综合性能优势；同时，新型陶瓷—金属覆层刀具材料还具有良好的经济性，是一种极具发展潜力的刀具材料。目前国内外还未见有关该刀具材料的报道，因此，对这种新型刀具材料进行深入研究及开发具有重要的理论意义和实用价值。
2 三元硼化物基金属陶瓷的特点
2.1 三元硼化物基金属陶瓷的力学性能
Mo2FeB2系三元硼化物基陶瓷(又称为KHM)由日本ToyoKohan公司首先研制成功。KHM材料具有硬度高、耐磨性好等优点，其耐磨性与WC-Co合金大体相当，但在加工时对其它材料的损伤比普通硬质合金对其它材料的损伤更小，且与铜、锌等有色金属反应率低，因此特别适用于制造有色金属加工工具。日本ToyoKohan公司开发的KHMMo2FeB2系三元硼化物基金属陶瓷的硬度范围为80～92HRA，抗弯强度范围为1.0～2.60GPa，均与硬质合金的硬度和抗弯强度范围相当；KHM的密度约为普通硬质合金密度的3/5(几乎与钢的密度相当)。表1为几种典型KHM材料的物理性能。表1 几种典型KHM材料的物理性能
| 材料型号 | V30 | V50 | C50 | C70 | H50 | H70 | | 密度(Mg/m3) | 8.2 | 8.3 | 8.3 | 8.3 | 8.1 | 8.1 | | 硬度(HRA) | 89 | 85 | 86 | 83 | 83 | 80 | | 抗弯强度(GPa) | 2.05 | 2.25 | 2.15 | 2.25 | 1.70 | 1.75 | | 杨氏模量(GPa) | 350 | 300 | 330 | 290 | 340 | 305 | | 断裂韧性(MN·m3/2) | 19.2 | 30.0 | 18.2 | 29.5 | 18.2 | 23.0 | | 热膨胀系数(10-6/K) | 8.5 | 10.5 | 11.1 | 10.2 | 11.0 | 13.9 |
KHM材料由V、C、H和M四个系列组成，其耐腐蚀性和抗氧化性随着Cr和Ni含量的增大而按V、C、H的顺序提高。由于材料的抗弯强度是硬度的函数(抗弯强度随硬度的降低而提高)，而在每个系列中，材料的硬度随着硼含量的增减而变化，因此材料的抗弯强度也是硼含量的函数(抗弯强度随硼含量的降低而提高)。表2为KHM材料的元素含量范围(在某些合金中还可添加少量钨、钛等元素)。表2 KHM的成分范围
| | | 元素 | B | Mo | Cr | Ni | Fe | | 含量范围(%) | 3～7 | 23～54 | 1～25 | 1～8 | 余量 |
2.2 三元硼化物基金属陶瓷的耐磨性
为了检验KHM材料的耐磨性，采用尾越(Ogoshi)磨损试验方法对KHM材料进行滑动磨损试验，采用沙粒喷射试验方法对KHM材料进行磨料磨损试验。
1) 尾越磨损试验
图1为尾越磨损试验的示意图。试验条件及过程如下：将固定的片状试样以恒定载荷压在旋转的环形试样上；选择滑动距离为600m，载荷185N，滑动速度0.21～4.39m/s。通过测定片状试样上产生的体积磨损量，计算在单位载荷和单位滑动距离下的单位磨损速率。试验结果表明：对于钢试件，KHM合金的耐磨性与硬质合金相当，但对其它材料的损伤比硬质合金小；Mo2FeB2陶瓷的耐磨性相当于(甚至优于)粉末冶金高速钢及硬质合金。借助于SEM和XRD对陶瓷和硬质合金的磨损面进行研究，结果发现：在高速滑动磨损时，在Mo2FeB2陶瓷磨损面上形成了MoO2、少量B2O3等低熔点氧化物，这些氧化物可起到防止粘着磨损的作用，而硬质合金磨损面上未形成此类氧化物。
图1 尾越磨损试验示意图
2) 磨料磨损试验
采用沙粒喷射法进行的磨料磨损试验结果表明，KHM合金比采用喷涂、渗氮、渗碳等方法进行表面硬化处理的材料更为耐磨，这是由于KHM材料中三元硼化物硬质相的存在使其抗磨粒磨损能力得以提高。
3 三元硼化物基金属陶瓷与钢基体的复合
由于Mo2FeB2基金属陶瓷的热膨胀系数为(8～13)×10-6/K，与钢的热膨胀系数接近，因此它与钢件复合时残余应力较小。另外，烧结过程中在界面形成的Fe-B或Fe-Mo2FeB2共晶液相使Mo2FeB2基金属陶瓷能与钢很好地结合在一起。目前国外已有KHM与各种钢基体复合的报道。陶瓷覆层与钢基体的复合如图2所示，其中图2a为陶瓷覆层—钢复合示意图，图2b为陶瓷覆层—钢—陶瓷覆层复合示意图。
图2 陶瓷覆层与钢基体复合示意图
表3列出了几种钢基体材料的热膨胀系数，可以看出，几种钢基体材料的热膨胀系数均大于最常用于与钢复合的KHMV30或KHMC50的热膨胀系数，因此可在陶瓷覆层表面形成残余压应力，而残余压应力的存在有助于提高材料的硬度和断裂韧性。表3几种基体材料的热膨胀系数(10-6/K)
| 基体材料 | 20～100℃ | 20～200℃ | 20～300℃ | 20～400℃ | 20～500℃ | 20～600℃ | | 45钢 | 11.59 | 12.32 | 13.09 | 13.71 | 14.18 | 14.67 | | 15Mn钢 | 12.3 | — | 13.2 | — | — | 14.9 | | T10钢 | 11.5 | 13.0 | 14.3 | 14.8 | 15.1 | 16.0 |
KHM作为高硬覆层材料，在与钢基体结合前可以为烧结体或压坯体。各种钢基体与KHMV50扩散结合(烧结温度：1500K；保温时间：1.2Ks；气氛：真空)的抗弯强度见表4。烧结粘结可获得高于400MPa的剪切强度。表4 各种钢基体与KHMV50扩散结合的抗弯强度
| 钢种 | S45 | CSCM440 | SKD61 | | 抗弯强度TRS(MPa) | 530 | 910 | 1220 |
4 陶瓷—金属覆层刀具材料的制备工艺
制备原料为水雾化的Fe-Cr-B合金、MoB粉、纯Ni、纯Mo和纯Cr粉(无须单独制备Mo2FeB2化合物，这种三元硼化物是在烧结过程中产生的)。原料混合粉末经球磨、喷雾干燥、制粒、与钢基体一起压形、真空烧结(烧结前先用氮气排除炉内空气，然后抽真空)即可得到陶瓷—金属覆层刀具材料。陶瓷—金属覆层刀具材料的一般制备工艺流程设计如图3所示。
图3 陶瓷—金属覆层刀具材料的制备工艺流程
(end)
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(5/16/2007) |
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