金属刀具第1章

1第1章刀具材料刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度的影响很大。使用碳素工具钢及合金工具钢作为刀具材料时，刀具的切削速度只有10m/min左右。20世纪初出现了高速钢刀具材料，使刀具的切削速度提高到每分钟几十米。20世纪30年代出现了硬质合金刀具材料，使刀具的切削速度提高到每分钟一百多米至几百米。目前陶瓷刀具材料和超硬刀具材料的出现，使刀具的切削速度提高到每分钟一千米以上。此外，被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。1.1刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作应具备如下的基本要求。1.高硬度和高耐磨性刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求。现有刀具材料硬度都在60HRC以上。通常刀具材料的硬度越高，其耐磨性越好，刀具切削时能保持合理几何形状的时间越长（即磨损缓慢）。但由于切削条件较复杂，刀具材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。2.足够的强度与冲击韧性刀具强度是指抵抗切削力的作用而不致使刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。刀具切削时，不仅要承受很大弯曲作用力，还要承受一定的冲击振动，如果强度和冲击韧性不能满足要求，刀具很可能迅速折断或崩刃。3.高耐热性耐热性又称为红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗黏结和抗扩散的能力。4.好的导热性和小的膨胀系数导热性越好，刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具的使用寿命。膨胀系数小，有利于减小刀具的热变形。5.良好的工艺性和经济性为了便于制造，刀具材料应具有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削等加工性能。当前超硬工具材料及涂层刀具材料的费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此，在选用刀具材料时一定要综合考虑。选择刀具材料时，很难找到各方面的性能都是最佳的刀具材料，因为其性能之间是相互制约的，所以只能根据工艺需要保证主要需求的性能。如粗加工锻件毛坯，需保持有较高的强度与韧性，而加工超硬刀具材料需有较高的硬度等。1.2碳素工具钢及合金工具钢1.碳素工具钢2按照GB/T13304.1—2008碳素工具钢属于特殊质量非合金钢。由于碳素工具钢在切削温度高于250～300℃时，马氏体要分解，因而使得其硬度降低。另外，它具有碳化物分布不均匀，淬火后变形较大，易产生裂纹，淬透性差，淬硬层薄等缺点。因此，碳素工具钢只适于制造手工用和切削速度很低的刀具，如锉刀、手用锯条、丝锥和板牙等。用做切削刀具的碳素工具钢常用牌号有：T8A、T10A和T12A，其中以T12A用的最多，其含碳量为1.15%～1.2%，淬火后硬度可达58～64HRC，热硬性可达250～300℃，允许切削速度可达5～10m/min。2.合金工具钢合金工具钢是在碳素工具钢中加入Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等合金元素的钢。加入Cr和Mn可以提高合金工具钢的淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。可根据要求，有选择地加入或同时加入其他元素(加入总量一般不超过5％)，形成一系列的合金工具钢。合金工具钢的热硬性可达325～400℃，允许切削速度可达10～15m/min。合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和冲击韧性均比碳素工具钢高。合金工具钢按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢。常用合金工具钢的牌号、化学成分及用途见表1-1。表1-1常用合金工具钢的牌号、化学成分及用途牌号化学成分（%）应用举例CMnSiCrWV硬度HRC9Mn2V0.85~0.951.7~2.0≤0.035——0.1~0.25≥62丝锥、板牙、铰刀等9SiCr0.85~0.950.3~0.61.2~1.60.95~1.25——≥62板牙、丝锥、钻头、铰刀等CrW51.26~1.5≤0.3≤0.30.4~0.74.5~5.5—≥65铣刀、车刀、刨刀等CrMn1.3~1.50.45~0.75≤0.351.3~1.6——≥62量规、块规CrWMn0.9~1.050.8~1.10.15~0.350.9~1.21.2~1.6—≥62板牙、拉刀、量规等1.3高速钢高速钢是一种加入了较多的W、Cr、V、Mn等合金元素的高合金工具钢。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃，锻造、热处理变形小。故目前其在复杂刀具如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。高速钢是综合性能较好，应用范围最广的一种刀具材料。其热处理后的硬度可达62～66HRC，抗弯强度约为3.3GPa，耐热性为600℃左右。但是高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。高速钢的使用约占刀具材料总量的60％～70％。总体上，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。1.3.1通用型高速钢通用型高速钢工艺性能好，能满足通用工程材料的切削加工要求，约占高速钢总量的75％。它按钨、钼含量不同可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。1.钨系高速钢3钨系高速钢最常用的为W18Cr4V，它具有较好的综合性能和可磨削性，在600℃时其高温硬度为48.5HRC，可以制造各种复杂刀具。它具有淬火时过热倾向小，含钒量小，磨削加工性好，碳化物含量高，塑性变形抗力大的优点。但其碳化物分布不均匀，影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度，强度和韧性显得不够，热塑性差，不适用热成形方法制造的刀具(如热轧钻头)。由于我国钨资源丰富的缘故，钨系高速钢在我国应用较普遍，但又因钨价高，所以其在国内和国外的使用逐渐减少。2.钨钼系高速钢钨钼系高速钢就是将钨钢中的一部分钨以钼代替而得到的。它较常见的牌号有W6Mo5Cr4V2。它具有较好的综合性能，目前已被各国广为应用。由于钼（一份钼可代替两份钨）的作用，因而使钢中的合金元素减少，降低钢中碳化物的数量及分布的不均匀性。钨钼系高速钢中碳化物的分布细小均匀，具有良好的机械性能，抗弯强度比钨系高速钢高10％～15％，韧性比钨系高速钢高50％～60％，可作为尺寸较小、承受冲击力较大的刀具。由于它的热塑性特别好，因而更适用于制造热轧钻头等。此外，其磨削加工性也很好。但这种刀具材料具有脱碳敏感性大，淬火温度窄，较难掌握热处理工艺等缺点。W9Mo3Cr4V是我国自行研制的钨钼系高速钢，其硬度、强度、热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，具有较好的硬度和韧性，并且易轧、易锻、热处理温度范围宽、脱碳敏感性小，成本更低。通用型高速钢广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40～60m/min。1.3.2高性能高速钢高性能高速钢是在通用型高速钢的基础上，通过调整化学成份和添加其他合金元素，使其性能比通用型高速钢进一步提高的一种新型高速钢。如W12Cr4V4Mo，就是在通用型高速钢中再增加一些含C、含V及添加Co、Al等元素冶炼而成的。它的耐用度为通用型高速钢的1.5～3倍，具有更高的硬度、热硬性。当其切削温度达到650℃时，硬度仍可保持在60HRC以上。高性能高速钢主要用于高温合金、钛合金、高强度钢和不锈钢等难加工材料的切削加工。高性能高速钢包括高碳高速钢、高钒高速钢、钴高速钢和铝高速钢。1.高碳高速钢高碳高速钢的含碳量为0.9%～1.05%。其典型牌号为95W18Cr4V。由于其含碳量的提高，使高碳高速钢中的合金元素全部形成碳化物，从而提高其硬度、耐磨性和耐热性，但其强度和韧性略有下降。用其制造的刀具在切削不锈钢、耐热合金等难加工材料时，寿命显著提高，但由于其抗弯强度为3000MPa，冲击韧性较低，因而对热处理工艺要求严格。2.高钒高速钢高钒高速钢的钒含量为3%～5%，由于它同时加大了含碳量，因而形成VC与V4C3。其典型牌号为W6Mo5Cr4V3。由于碳化钒的含量增加，因而使高钒高速钢得到了高的硬度和耐磨性，一般用于切削高强度钢。但其刃磨加工性差，导热性差，冲击韧性较低，故不宜用于制造复杂刀具。在高钒高速钢中也可加入适当的钴，成为高钒含钴高速钢。3.钴高速钢在通用型高速钢中加入钴，可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼、碳化钨，以提高弥散硬化效果，从而提高热稳定性，常温、高温硬度以及耐磨性。增加钴含量还可改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦系数，从而提高了钢的高温硬度和抗氧化能力。钴高速钢的典型牌号为W2Mo9CrVCo8。它有良好的综合性能，热处理硬度可达67～70HRC，使其切削性能(特别是间断切削)得到改善，提高冲击韧性。其用于切削高温合金、不锈钢等难加工材料4的效果很好。钴高速钢在国外使用较多，由于我国钴原料价格较贵，因而用量尚不多。我国自行研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si的性能优越，价格低于国外的M42和HSP-15，但由于Co5Si的含钒量达3%，因而其刃磨加工性较差，故不宜用于制造刃形复杂的刀具。4.铝高速钢铝高速钢是在通用型高速钢中加入少量的铝。铝能够提高钨、钼在钢中的溶解度，从而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起到“扎钉”的作用，因而可提高钢的耐热性、耐磨性、强度及韧性。铝高速钢是我国独创的新型高速钢。我国研制出无钴、廉价的含铝量高的性能高速钢501(M2Al)，其中铝含量约为1%，具有良好的综合性能。它达到了钴高速钢的切削性能，可加工性好，价格低廉，与通用型高速钢的价格接近。但其刃磨性差，热处理工艺要求较严格。1.3.3粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢制造工艺于20世纪60年代后期在瑞典开发成功。它是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到细小的高速钢粉末，然后压制或热压成形，再经烧结而成的高速钢。该工艺可在高速钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或易磨性。粉末冶金高速钢与熔炼高速钢相比有很多优点。与通用型高速钢相比，粉末冶金高速钢硬度更高（550～600℃仍可保持高硬度60HRC以上），韧性更好（提高30%~40%），更耐磨损，热处理变形小，磨削加工性能好，材质均匀，质量稳定可靠，刀具使用寿命长（耐用度可提高2～3倍），可以切削各种难加工材料，适合于制造高切除率加工、断续切削加工的刀具及各种精密刀具和形状复杂的刀具，如精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀具等。粉末冶金高速钢的缺点是价格较贵，约为通用型高速钢的2～5倍（不同牌号有所差异）。对于小型复杂刀具而言，由于材料费用只占刀具总成本的一小部分，因而采用粉末冶金高速钢十分划算。而对于大尺寸的简单刀具而言，是否选用粉末冶金高速钢则需要仔细斟酌。1.4硬质合金硬质合金由Schroter于1926年首先发明。它是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等难熔金属碳化物以及作为黏结剂的铁族金属用粉末冶金方法制备而成的。经过几十年的不断发展，硬质合金的硬度已达89～93HRA，其在1000℃的高温下仍具有较好的红硬性，且耐用度是高速钢的几倍到几十倍。1.4.1硬质合金性能分析与性能特点1.硬质合金性能分析硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用做刀具材料，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢切削速度的数百倍。由于硬质合金具有良好的综合性能，因而在刀具行业得到了广泛应用，目前国外90%以上的车刀，55%以上的铣刀均采用硬质合金材料来制造。52.硬质合金性能特点1）硬度由于硬质合金碳化物WC、TiC等的硬度很高，因而其整体也就具有高硬度，一般在89～93HRA内。硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量和粒度而变化，随黏结剂含量的增多而降低。在黏结剂含量相同时，WC-TiC-Co硬质合金的硬度高于WC-Co硬质合金。此外，硬质合金的硬度又随着温度升高而