机械制造技术基础金属切削原理2

第二章刀具材料(2学时)基本要求：熟悉刀具应具有的性能，掌握高速钢、硬质合金等常用刀具的性能及应用。第一节刀具材料应有备的性能第二节高速钢、硬质合金及涂层刀具第三节其它刀具材料及刀具材料发展重点：高速钢、硬质合金刀具的性能及应用。难点：按生产实际情况合理选用刀具材料。第二章刀具材料(2学时)用刀具切削金属时，直接负担切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的选择和设计是否合理。切削加工生产率和刀具耐用度的高低，刀具消耗和加工成本的多少，加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上都取决于刀具材料的合理选择。刀具材料的发展受着工件材料发展的促进和影响。第二章刀具材料(2学时)切削加工最早使用的刀具材料是碳素工具钢,以后又发展了合金工具钢、高速钢、硬质合金、人造金刚石、立方氮化硼等各种刀具材料。就用量来看，目前95%以上的机用刀具都是由高速钢和硬质合金制造的，所以目前的刀具材料可以说仍然是高速钢与硬质合金的时代。第一节刀具材料应具备的性能一、高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料应具备的基本特性.刀具要从工件上切下切屑,其硬度必须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具的切削刃的硬度，一般都在60HRC以上。耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。第一节刀具材料应具备的性能一、高的硬度和耐磨性刀具材料的耐磨性不仅取决于它的硬度,而且也和它的化学成分、强度、显微组织及磨擦区的温度有关。可用下式表示材料的耐磨性WR：43.18.05.0HEKWIcR式中：H——材料硬度（GPa)。硬度愈高，耐磨性愈好；KIc——材料的断裂韧度，（MPa.m1/2).KIc愈大，则材料受应力引起的断裂愈小，故耐磨性愈好；E——材料的弹性模量（GPa)。E小时，由于磨粒引起的显微应变，有助于产生较低的应力，故耐磨性提高第一节刀具材料应具备的性能二、足够的强度和韧性要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中通常要出现的冲击和振动的条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。第一节刀具材料应具备的性能第一节刀具材料应具备的性能三、高的耐热性（热稳定性）耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。第一节刀具材料应具备的性能第一节刀具材料应具备的性能四、良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料的导热性愈好，切削热愈容易从切削区散走，有利于降低切削温度。刀具在断续切削或使用切削液切削时，常常受到很大的热冲击（温度变化剧烈），因而刀具内部会产生裂纹而导致断裂。第一节刀具材料应具备的性能四、良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲击系数R表示,R的定义式为:导热系数;抗拉强度;泊松比;弹性模量;热膨胀系数;导热系数大,使热量容易散走,降低刀具表面的温度梯度;热膨胀系数小,可减少热变形;而弹性模量小,可以降低因热变形而产生的交变应力幅度;它们均有利于材料耐热冲击性能的提高.耐热冲击性能好的刀具材料，在切削加工时可使用切削液。ERb)1(第一节刀具材料应具备的性能五、良好的工艺性能为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等。六、经济性经济性是刀具材料的重要指标之一。常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方碳化硼等。碳素工具钢、合金工具钢，因耐热性较差，仅用于一些手工工具及切削速度较低的刀具；陶瓷、金刚石和立方氮化硼仅用于有限的场合；目前刀具材料中用得最多的仍是高速钢和硬质合金。第二节高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的热稳定性，切削温度在500~650℃时尚能进行切削。它所允许的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢提高约1~3倍。高速钢具有高的强度和韧性，具有一定的硬度和耐磨性，适合于各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋得切削刃，能锻造，故在复杂刀具（钻头、丝锥、成形刀具）制造中，高速钢仍占主要地位。高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定,在自动机床上使用较可靠.按用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。按制造工艺方法不同，高速钢可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。第二节高速钢第二节高速钢一、通用型高速钢这类高速钢含碳量为0.7%~0.9%。按钢中含钨量的不同，可分为含w12%或w18%的钨钢，含W6%或W8%的钨钼系钢，含W2%或不含钨的钼钢。这类钢按其耐热性可称为是中等热稳定性高速钢。第二节高速钢一、通用型高速钢通用型高速钢一般可分为钨钢、钨钼钢。钨钢的典型牌号：W18Cr4V（简称18-4-1）化学成分：含W18%，Cr4%，V1%，C0.8%常温硬度：HRC63~66。高温硬度：600℃时HRC48.5。抗弯强度：约3.3GPa(330kgf/mm2)。冲击韧性：约0.29MJ/m2(3kg.m/cm2)。主要特性：工艺性（特别是可磨性）好，可用于制造各种复杂刀具。主要用途：复杂刀具、精加工刀具。第二节高速钢钨钼系高速钢：主要合金元素除钨外，以较多的钼（含Mo2%以上）代替钨的高速钢。典型牌号：W6Mo5Cr4V2（简称6-5-4-2或M2）化学成分：含W6%，Mo5%,Cr4%，V2%，C0.9%常温硬度：HRC63~66。高温硬度：600℃时HRC47~48。抗弯强度：约3.8GPa(380kgf/mm2)。冲击韧性：约0.45MJ/m2(4.5kg.m/cm2)。主要特性：高温塑性好，但热处理较难，可磨削性差。主要用途：热轧刀具。第二节高速钢我国生产的另一种钨钼钢为W9Mo3Cr4V’,它具有良好的力学性能,其热稳定性略高于M2钢.这种钢的碳化物均匀性优于W18而接近于M2钢,具有良好的热塑性,易锻、易轧，热处理温度范围宽，脱碳倾向比M2钢小得多（略高于W18钢），磨加工性也很好，刀具耐用度也有一定程度的提高。第二节高速钢二、高性能高速钢。高性能高速钢是指在通用型钢成分中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。这类钢按其耐热性可称为高热稳定性高速钢。加热到630~650℃时，仍可保持60HRC的硬度，因此具有更好的切削性能，这类高速钢的耐用度约为通用型高速钢的1.5~3倍。它适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金等难加工材料。第二节高速钢三、粉末冶金高速钢。粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然后将这种粉末在高温高压下压制成致密的钢坯，最后将钢坯锻轧成钢材或刀具形状的一种高速钢。粉冶钢适于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具，也适于制造精密刀具和磨加工量大的复杂刀具，对于高压动载荷下使用的刀具以及小截面、薄刃刀具和成形刀具也适用。第三节硬质合金一、硬质合金的特点硬质合金是由难熔金属碳化物（如WC、TiC)和金属粘结剂(如Co、Ni等）经粉末冶金方法制成的。硬质合金比高速钢具有更好的耐热性，允许切削温度高达800~1000℃，允许切削速度可比高速钢再提高5~10倍。但其强度和韧性以及工艺性均不如高速钢，因此仍不能完全取代高速钢。目前硬质合金主要用于车刀和端铣刀。第三节硬质合金二、常用硬质合金的分类及其性能ISO将切削用硬质合金分为三类：P类，用于加工长切屑的黑色金属，相当于我国的YT类。K类，用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，相当于我国的YG类。M类，用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属，相当于我国YW类。第三节硬质合金（1）WC+CO类，亦称钨钴类。国内代号YG（Y、G分别为硬、钴的汉语拼音字头），国际标准ISOK类。国产典型牌号有：YG3，YG3X，YG6，YG6X，YG8等。牌号中的数字代表CO含量的百分比，“X”代表细晶粒组织，无X的为中晶粒组织。主要性能：常温硬度HRA89~92，抗弯强度：约0.93~1.47GPa(100~150kgf/mm2)。钴含量越高，则抗弯强度越高，硬度越低。细晶粒的牌号，其硬度会比同样成分的中晶粒牌号显著提高，抗弯强度略有降低。主要用途：用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。一般不宜用于加工钢。含钴量低的牌号适用于精加工，含钴量高的适用于粗加工。第三节硬质合金（2）WC+Ti+Co类，亦称钨钴钛类。国内代号YT（Y、T分别为硬、钛的汉语拼音字头），国际标准ISOP类。国产典型牌号有：YT5，YT14，YT15，YT30等。牌号中的数字代表TiC含量的百分比，主要性能：常温硬度HRA89.5~92.5，抗弯强度：约0.9~1.4GPa(90~140kgf/mm2)。可见YT类比YG类具有更高的硬度，也具有更好的耐热性，但其脆性增加。TiC含量越高，则硬度越高，强度越低。主要用途：用于加工钢料。TiC含量低的（如YT5）适用于粗加工，TiC含量高的（如YT30）适用于精加工。第三节硬质合金（3）通用类。国内代号YW（W为“万能”的“万”字的汉语拼音字头），国际标准ISOM类。它是在前两类牌号的基础上加入一定数量（约4%）的TaC(Nbc)而形成的，由于TaC(Nbc)具有细化晶粒、均匀组织的作用，可有效地提高硬质合金的抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，同时也提高耐热性、抗氧化性的耐磨性。国产典型牌号有：YW1，YW2等主要性能：常温硬度HRA90.5~91.5，抗弯强度：约1.2~1.35GPa(120~135kgf/mm2)。主要用途：既可用于加工铸铁和有色金属，也用于加工钢。但由于其价格较贵，故多用于加工难加工材料。第三节硬质合金三、硬质合金的选用YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。YT类硬质合金适于加工钢料。YW类硬质合金则主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料第四节涂层刀具涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等涂层刀具有比基体高得多的硬度，高的抗氧化性和抗粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。涂层具有低的磨擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可大大提高刀具耐用度。加工材料的硬度愈高，则涂层刀具的效果愈好。涂层硬质合金的通用性广。但由于其锋得性、韧性、抗剥落和抗崩刃性能均不及未涂层刀片，故在小进给量切削、高硬度材料和重载切削时，还不太适用。成本比较贵。第五节其它刀具材料一、陶瓷常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。Al2O3基陶瓷有很高的硬度和耐磨性，高于硬质合金，在使用良好时，有很高的刀具耐用度。有很高的耐热性，在1200℃以上还能进行切削。切削速度可比硬质合金提高2~5倍。有很高的化学稳定性。与金属的亲和力小，抗粘结和抗扩散能力较好。有较低的磨擦系数，切屑和刀具不易产生粘结，加工表面粗糙度较小。陶瓷刀具可用于加工钢，也可用于加工铸铁。对于高硬度材料（硬铸铁和淬硬钢）、大件及高精度零件加工特别有效。最大缺点是抗弯强度很低，冲击韧度很差。Si3N4基陶瓷具有高的强度和韧性，这种刀具能承受较大的冲击负荷第五节其它刀具材料二、金刚石金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石刀具，整体人造聚晶金刚石刀具及金刚石复合刀片。金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度达到10000HV,是目前已知的最硬物质。因此，它可以用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。金刚石的切削刃非常锋利，刃部粗糙度很小，磨擦系数又低，切削时不易产生切屑瘤，因此加工表面质量很高。第五节其它刀具材料金刚石目前主要用于磨具