Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷刀具材料的應(yīng)用研發(fā)

文 曉

(廈門鎢業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，福建 廈門 361009)

1 前 言

在交通工具領(lǐng)域中，高溫合金、鈦合金、不銹鋼、復(fù)合材料等難加工材料，需要大量的切削加工才能完成。硬質(zhì)合金刀具以高效率、高速度、高精度和長壽命等特性,滿足了飛機(jī)、汽車等關(guān)鍵部件的加工需求。在機(jī)械加工中，刀具材料的切削性能是決定加工效率、加工質(zhì)量和加工成本的關(guān)鍵因素之一，因此，正確選用刀具材料至關(guān)重要[1, 2]。高速鋼和硬質(zhì)合金是目前使用最多的兩種刀具材料。近年來，以硬質(zhì)合金為材料的刀具占到了50%以上[3]。然而，鎢資源在世界多數(shù)國家是比較匱乏的，研發(fā)不含鎢或少含鎢的刀具材料具有世界性的戰(zhàn)略意義[4-7]。日本早在20世紀(jì)80年代就最先開展了碳氮化鈦基陶瓷刀具的研制和應(yīng)用。研究表明，金屬陶瓷材料非常適合高端精密切削加工和近凈成形加工，其應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大[8-10]。作為一種可部分替代硬質(zhì)合金的刀具材料[11, 12]，金屬陶瓷材料正受到越來越多的關(guān)注，成為近年來研究的熱點(diǎn)[13-16]。由于我國開展金屬陶瓷刀具方面的研究與開發(fā)較晚，發(fā)展較為緩慢，產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)及質(zhì)量穩(wěn)定性與國外產(chǎn)品差距較大，難以與國外同類產(chǎn)品相競爭。國家在《中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》中明確列出了高強(qiáng)超硬低成本碳氮化鈦基金屬陶瓷材料的研究與開發(fā)，可見對此材料的重視。

廈鎢金屬陶瓷材料產(chǎn)業(yè)化基地依托“廈門鎢業(yè)技術(shù)中心”和“國家鎢材料工程技術(shù)研究中心”平臺，專注于金屬陶瓷材料的研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用拓展，建立了材料研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、精益生產(chǎn)過程管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制和材料應(yīng)用開發(fā)的科學(xué)體系。目前，基地已具備產(chǎn)值5000萬/年的金屬陶瓷材料產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

2 Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷的優(yōu)勢

(1)資源優(yōu)勢 典型的Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷與WC-Co硬質(zhì)合金的成分對比如表1所示。由表1可見，Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷的配比組分比WC-Co硬質(zhì)合金更加復(fù)雜，主要組分TiCN的用量占到50%，相較WC-Co硬質(zhì)合金極大地縮減了戰(zhàn)略資源——鎢的用量。眾所周知，鈦在地球上的貯量為鎢的70倍，具有極大的成本和資源優(yōu)勢[2]。

表1 典型的金屬陶瓷與WC-Co硬質(zhì)合金的成分對比

(2)加工優(yōu)勢 Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷材料摩擦系數(shù)低，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散能力強(qiáng)，不易粘刀及產(chǎn)生積屑瘤，車銑削工件的速度可高出 1～3 倍，可大幅度提高加工效率、改善加工工件表面質(zhì)量和加工精度。從圖1可見，金屬陶瓷具有獨(dú)特的芯-殼顯微結(jié)構(gòu)，相成分組成非常復(fù)雜，金屬陶瓷燒結(jié)過程中的冶金反應(yīng)要比WC-Co硬質(zhì)合金復(fù)雜得多，工藝控制難度很高，需要專門的制備設(shè)備和控制工藝，也正因金屬陶瓷優(yōu)異的使用性能和高難度的制備要求，使其產(chǎn)品附加值遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金。

圖1 TiCN基金屬陶瓷與硬質(zhì)合金的組織結(jié)構(gòu)對比：(a)WC-Co硬質(zhì)合金，(b)TiCN基金屬陶瓷Fig.1 Comparison of microstructure between TiCN-based metals and cemented carbides: (a) WC-Co cemented carbide, (b) TiCN-based cermet

(3)性能優(yōu)勢 金屬陶瓷兼具了陶瓷材料和金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，具備陶瓷材料高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性的優(yōu)勢，同時(shí)具備優(yōu)秀的耐沖擊性和抗破損性，能夠滿足現(xiàn)代金屬加工中的復(fù)雜工況。

(4)前期基礎(chǔ) 廈鎢金屬陶瓷研發(fā)團(tuán)隊(duì)，自2008年開始研制的多款牌號，尤其在材料成分和微觀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品在鋼、有色金屬等加工過程中，達(dá)到了傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具壽命的2倍以上，且加工終表面的光潔度得到了極大改善。目前產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、3C行業(yè)、模具加工、航天材料、醫(yī)用工具等高端領(lǐng)域，應(yīng)用效果出色。

表2 廈鎢自行研發(fā)的系列高性能金屬陶瓷材料機(jī)械性能

3 Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷的技術(shù)瓶頸

Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷是在WC 基金屬陶瓷和TiC基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有更高強(qiáng)度、更高硬度以及更加優(yōu)良的耐高溫、耐磨性能的新型金屬陶瓷。目前，金屬陶瓷刀具的技術(shù)瓶頸主要是強(qiáng)度和韌性不足以及產(chǎn)業(yè)化質(zhì)量不穩(wěn)定。

金屬陶瓷共經(jīng)歷了3代：第1代主要成分是TiC和Ni兩相；第2代主要特點(diǎn)是通過Mo, Co的添加改善合金潤濕，從而顯著提升整體強(qiáng)韌性；第3代金屬陶瓷是日本科學(xué)家通過復(fù)合碳化物和氮化物的添加，使其在紅硬性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐用性方面有了顯著提升，并極大拓展了應(yīng)用范圍[17-20]。表3為碳氮鈦基金屬陶瓷材料近20年來的研究進(jìn)展。

廈鎢于2010年申報(bào)立項(xiàng)，開始實(shí)施“高強(qiáng)度高韌性Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷刀具的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，重點(diǎn)任務(wù)就是要攻克Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷的技術(shù)瓶頸，以填補(bǔ)國家及福建省在該領(lǐng)域的空白。

表3 TiCN基金屬陶瓷材料近20年研究進(jìn)展

廈鎢金屬陶瓷研發(fā)團(tuán)隊(duì)，采用細(xì)化晶粒、優(yōu)化成分、改善材料組織結(jié)構(gòu)等措施，提升材料性能。同時(shí)，設(shè)計(jì)工藝技術(shù)路線，嚴(yán)格控制主要工藝流程：配料→球磨→真空干燥→加成型劑→制?！鷫褐啤鸁Y(jié)→精加工。將每輪試驗(yàn)結(jié)果對原材料、成分配比、成型劑、球磨工藝及燒結(jié)工藝等主要工序進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋及工藝參數(shù)優(yōu)化，以確定最佳工藝流程及工藝參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上確立工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備，以此來進(jìn)一步突破金屬陶瓷產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中質(zhì)量穩(wěn)定性控制難等問題。

有研究表明，近年來Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷的強(qiáng)度得到不斷提高，從700～800 MPa 提高到2000～2800 MPa。獲得了比傳統(tǒng)TiC基金屬陶瓷更高的韌性和強(qiáng)度[33-35]，見表4。

表4 Ti(C,N)和TiC基金屬陶瓷高溫性能對比[35]

4 Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷的應(yīng)用

金屬陶瓷刀具的不足之處主要是韌性不夠高、切削刃抗塑性變形的能力不夠強(qiáng)，因此不適用于粗加工，也不適用于淬硬鋼和冷硬鑄鐵等硬脆材料的加工[1]。

Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷材料的特點(diǎn)主要包括耐高溫、抗氧化、超耐磨、摩擦系數(shù)小、無需涂層和密度低等。耐高溫，適宜干切，節(jié)約成本更環(huán)保；抗氧化，可實(shí)現(xiàn)高速加工，提高生產(chǎn)效率；超耐磨，使壽命延長；摩擦系數(shù)小，可實(shí)現(xiàn)被加工工件鏡面效果；無需涂層，方便重復(fù)修整使用；密度低，使同樣重量的材料可以做兩倍數(shù)量的終端產(chǎn)品，是一種資源經(jīng)濟(jì)型材料?？梢詫?shí)現(xiàn)在精加和半精加領(lǐng)域的高壽命、高效率和高表面光潔度加工，具體應(yīng)用加工領(lǐng)域見表5。

表5 TiCN基金屬陶瓷的適合加工領(lǐng)域

×：inappropriate ○：suitable ◎：fit well

P-steel,M-Stainless steel,N-nonferrous metal,H-hardened materials,S-hard to process materials

金屬陶瓷材料產(chǎn)業(yè)化基地自籌建以來，自主開發(fā)了系列牌號的高性能金屬陶瓷材質(zhì)，其組織結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。其中，GN491牌號適用于硬度低于HRC40的碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁合金等材料的精加工、半精加工，連續(xù)車削、銑削和開槽加工，尤其擅長鋁合金的高精表面加工，高耐磨性，高表面光潔度，高切削效率；GN391牌號具有優(yōu)良的耐磨性和韌性，易于磨削加工成型刀具產(chǎn)品；GN431牌號適用于不銹鋼和硬度在50-60HRC的高硬鋼的精加工和半精加工，可適應(yīng)復(fù)雜工況大余量加工沖擊；GN251牌號的耐高溫性能出色，化學(xué)穩(wěn)定性尤其優(yōu)異，適于高速切削和大余量加工。

目前，Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷已基本替代了TiC基金屬陶瓷，得到了廣泛應(yīng)用。Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷材料所衍生出來的產(chǎn)品主要涉及數(shù)控刀片、軸承成型刀片和整體銑刀類產(chǎn)品等，如表3所示。其中數(shù)控刀片是金屬陶瓷材料最成熟的應(yīng)用，種類涉及車刀、銑刀、螺紋刀和切槽刀等等。但該領(lǐng)域由于國外品牌進(jìn)入較早，目前在國內(nèi)市場占有率上處于優(yōu)勢地位，近年來，國內(nèi)品牌也開始強(qiáng)勢崛起。

圖2 廈鎢Ti(C, N)基金屬陶瓷材質(zhì)組織結(jié)構(gòu)照片：(a)GN491，(b)GN391，(c)GN431，(d)GN251Fig.2 Microstructure of Ti(C,N)-based cermets made by Xiamen Tungsten Co., LTD: (a) GN491, (b) GN391, (c) GN431, (d)GN251

圖3 廈鎢研發(fā)的數(shù)控刀片材質(zhì)及加工實(shí)例Fig.3 Products derived from TiCN-based cermet materials

軸承成型刀是金屬陶瓷材料最好的應(yīng)用之一，用于軸承套圈的成型加工，被加工材料主要為GCr15，材料硬度HRC24-28，硬質(zhì)合金材料無法適應(yīng)其更高表面光潔度和更長使用壽命的要求。廈鎢研制開發(fā)的Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷系列軸承加工刀片GN491，每刃加工件數(shù)可達(dá)472件，刀片壽命超出同類企業(yè)20%以上，見圖4。

金屬陶瓷整體銑刀和鏜、鉸刀具系列，擁有不需涂層、高轉(zhuǎn)速、小余量、高耐磨性、高壽命、高效率、高表面光潔度等特點(diǎn)。正好符合模具加工領(lǐng)域所需的中高轉(zhuǎn)速、小余量加工要求。廈鎢使用Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷制造的整體銑刀加工HRC25的45#鋼和HRC35的P20模具鋼，刀具壽命是常規(guī)硬質(zhì)合金涂層刀具的3～5倍，且被加工件表面光潔度效果良好，如圖5所示。

圖4 廈鎢研發(fā)的軸承加工刀片材質(zhì)及加工實(shí)例Fig.4 Products derived from TiCN-based cermet materials

圖5 金屬陶瓷整體銑刀加工表面效果Fig.5 Machining surface effect of cermet end mill

5 國產(chǎn)化路線

作為一種新興資源經(jīng)濟(jì)型切削工具材料，Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷刀具產(chǎn)品得到了市場很好的認(rèn)可，但日本、韓國等國的企業(yè)進(jìn)入較早，市場占有率和客戶認(rèn)可度較高，且價(jià)格便宜，因此國內(nèi)企業(yè)要想進(jìn)入有很大難度，簡單地降低價(jià)格并不利于該產(chǎn)品的良性發(fā)展。

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會工具分會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年中國刀具行業(yè)總體規(guī)模為400億RMB，圖6所示。其中金屬陶瓷材料的市場份額僅占2%，約為8億RMB，如表6所示。該數(shù)值在歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家，比例達(dá)到20%～25%[3]，因此，金屬陶瓷材料產(chǎn)品在國內(nèi)市場有很大的成長空間。設(shè)計(jì)Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷刀具領(lǐng)域的國產(chǎn)化路徑勢在必行。

廈鎢通過創(chuàng)建金屬陶瓷材料產(chǎn)業(yè)化基地，致力于國內(nèi)金屬陶瓷材料及其刀具系列產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造全流程的設(shè)計(jì)。目前該基地?fù)碛袕臐衲ァ婌F干燥、精密壓制到氣氛和壓力控制燒結(jié)的全套金屬陶瓷材料生產(chǎn)設(shè)備，以及端面磨、無心磨、4～6軸工具磨床等先進(jìn)金屬陶瓷材料加工和刀具制造設(shè)備。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中的各個(gè)關(guān)鍵工序控制點(diǎn)，擁有從材料成分分析、機(jī)械物理力學(xué)性能檢測到微觀組織結(jié)構(gòu)表征(SEM、EPMA和TEM等)的國際一流水平分析測試設(shè)備。

圖6 2015～2018年度中國刀具行業(yè)總體規(guī)模分析Fig.6 Analysis of the market of domestic tool industry in 2015～2018

ClassificationMarket share/Billion yuanRatioHigh-speed steel2050%Cemented acabide1845%Cermet0.82%Ceramic0.41%PCD/PCBN0.82%Domestic tool industryoverall scale of 201840100%

同時(shí)，通過金屬陶瓷整體刀具的應(yīng)用開發(fā)，積極培育潛在的高性能金屬陶瓷棒材產(chǎn)品客戶，拓展全流程過程產(chǎn)品的市場和銷售。

歷經(jīng)10年研發(fā)，廈鎢在金屬陶瓷整體刀具的設(shè)計(jì)、磨削工藝開發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用和市場推廣等方面不斷突破瓶頸，已掌握核心專利2項(xiàng)、技術(shù)訣竅26個(gè)，對牌號設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)、核心工藝參數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)形成了充分的保護(hù)?，F(xiàn)有牌號金屬陶瓷產(chǎn)品在國內(nèi)同類產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位，性價(jià)比高，具有較強(qiáng)的市場競爭力。

6 結(jié) 語

廈門鎢業(yè)技術(shù)中心長期聚焦于鎢、鉬、稀土和能源新材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)和共性基礎(chǔ)理論研究，面向集團(tuán)企業(yè)和全行業(yè)提供技術(shù)服務(wù)和成果轉(zhuǎn)化。2007年籌建的國家鎢材料工程技術(shù)研究中心,2010年通過科技部驗(yàn)收，是國內(nèi)鎢材料領(lǐng)域唯一的國家級工程技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化平臺。長期堅(jiān)持對技術(shù)研發(fā)的穩(wěn)定投入，每年以不低于銷售收入的3%作為技術(shù)研發(fā)費(fèi)用，見圖7。

圖7 廈鎢歷年的研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)趨勢圖(單位：10億元)Fig.7 Research and development funds for Xiamen Tungsten Co., Ld. in the past years ( unit: billion RMB)

Ti(CxN1-x)基金屬陶瓷材料盡管在刀具材料市場尚屬于小眾產(chǎn)品，但因其特點(diǎn)鮮明而潛力無限，并且是國家鼓勵(lì)發(fā)展的新材料之一，同時(shí)基于廈鎢的技術(shù)和人才支撐、充足的經(jīng)費(fèi)保障，相信小產(chǎn)品終會有大市場。