第二节刀具材料.

第二节刀具材料刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。一、刀具材料的性能要求切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：（1）较高的硬度和耐磨性（2）较高的耐热性（3）足够的强度和韧性（4）良好的工艺性（5）良好的导热性和耐热冲击性能（6）良好的经济性（1）高的硬度和耐磨性硬度:是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力。刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度，一般高于一倍至几倍，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状。常温硬度应在HRC60以上。目前，切削性能最差的刀具材料--碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的硬度为63～70HRC。刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力。一般说，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系。刀具材料应具备的基本性能（2）高的耐热性耐热性通常用它在高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量，或叫热硬性。高温硬度越高，表示耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形，丧失其切削能力。刀具材料应具备的基本性能（3）足够的强度和韧性为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料应具有足够的强度和韧性。例如，车削45钢时，当ap=4mm，，f=0.5mm/r时，刀片要承受约4000N的切削力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度σbb(单位为Pa—N／m。)表示它的强度大小。用冲击韧度αk(单位为J／m。)表示其韧性的大小，它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。（4）良好的工艺性为了便于刀具制造、要求刀具材料有较好的可加工性，如热塑性（锻压成形）、焊接工艺性、切削加工性、可磨削性和热处理工艺性等。刀具材料应具备的基本性能（5）良好的导热性和耐热冲击性能刀具材料的导热性用热导率[单位为w／（m·K)]来表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。此外，导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热龟裂的性能增强，这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削，特别在加工导热性能差的工件时尤为重要。（6）经济性好经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一，也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。刀具材料应具备的基本性能二、常用刀具材料刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。1．工具钢2．硬质合金3．非金属材料陶瓷金刚石立方氮化硼涂层刀具碳素工具钢合金工具钢高速钢刀具材料性能特征刀具种类适用工件材料适用加工条件碳素工具钢Tl0A、T12AHRC61-65,高温强度低、淬火时易裂、变形。丝锥、锉刀、锯条、小钻头低强度、软材料、有色金属及塑性材料简单手动工具合金工具钢9SiCr,CrWMnHRC61-65,高温强度度比碳素钢稍好。拉刀、绞刀、钻头同上热处理变形小的低速工具高速钢HRC61-65,能耐600°C高温，热硬性尚好,耐磨性稍好。钻头、铣刀、齿轮刀具（低、中速）低、中强度和硬度的材料复杂刀具硬质合金HRC74-81,能耐1000°C高温，热硬性好,耐磨性好。车、铣、拉、刨钻头、绞刀（中高速）中等以上强度和硬度的材料各种刀具陶瓷材料HRA91-95，热硬性好，抗弯性差，易碎。车刀（高速）各种材料不可断续切削立方氮化硼HV73-9000，热硬性高，可耐1500°C，与铁素的亲和力小。车刀、铣刀（中高速）淬硬合金钢、高速钢、淬硬、冷硬铸铁、纯镍高温合金用于连续切削、避免冲击振动人造金刚石1000HV，热硬性好。车刀、铣刀、砂轮等硬质合金、陶瓷、玻璃、有色金属及合金不易加工的铁族金属常用刀具材料1碳素工具钢碳素工具钢是含碳量较高的优质钢(含碳量为07％～1.2％。如T10A等)，淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢(如9SiCr等)，可适当减少热处理变形和提高耐热性。由于这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工工具，如锉刀、锯条、铰刀等，较少用于制造其他刀具。二.常用刀具材料2-22高速钢高速钢是一种含钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素较多的合金工具钢。以重量计其碳的质量分数为0.7%～1.5％，铬的质量分数约为4%，钨的质量分数和钼的质量分数为10％～20%，钒的质量分数为1％～5％。由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化物，如碳化钒，硬度高达2800HV，且晶粒细小，分布均匀。高速钢具有较高的硬度（热处理硬度可达HRC62～67）和耐热性（切削温度可达550～600°C），与碳素工具钢和合金工具钢相比切削速度可提高1～3倍，故得名“高速钢”，提高耐用度10～40倍。铅在钢中提高了淬透性，使小型刀具在空气中冷却就能淬硬，且能刃磨得锋利，故高速钢又有“风钢”或“锋钢”之称。可加工包括有色金属、高温合金在内的范围广泛的材料。高速钢具有高的强度(抗弯强度为一般硬质合金的2～3倍，为陶瓷的5～6倍)和韧性，抗冲击振动的能力较强，适宜制造各类刀具。高速钢刀具制造工艺简单，能锻造，容易磨出锋利的刀刃，因此在复杂刀具(钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)的制造中，高速钢占有重要的地位。牌号：通用高速钢：钨系W18Cr4V钼系W6Mo5Cr4V2主要用于一般材料的常规加工，速度不高于50m/min.高性能高速钢：高钒高速钢W12Cr4V4Mo高钴高速钢W2Mo9Cr4VCo8高铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al主要用于难加工材料的加工，加工普通材料可达90m/min.高速钢高速钢绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、深孔钻、浅孔钻、铰刀等均已采用硬质合金制造。是目前最主要的刀具材料之一。组成：由硬度和熔点很高的碳化物（硬质相）和金属（粘结相）通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金金属：Co、Mo、Ni粘结相硬质相碳化物：WC、TiC、TaC、NbC3硬质合金硬度为HRA89～93，能耐850～1000℃的高温，具有良好的耐磨性，允许使用的切削速度可达100～300m／min，可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此获得广泛应用。但是，硬质台金的抗弯强度低，冲击韧性差，刃口不锋利，较难加工，不易做成形状较复杂的整体刀具，因此目前还不能完全取代高速钢。常用的硬质台金有钨钴类（YG类)、钨钛钴类(YT类)和通用硬质台金(YW类)三类。硬质合金牌号的表示方法YG6X硬的汉语拼音第一个字母G6——钨钴类合金及钴含量.T15——钨钴钛类合金及TiC含量.W——钨钴钛钽类合金。N——钨钛镍钼合金附加字母分别表示X——细晶粒C——粗晶粒N——加铌元素A——加钽元素硬质合金（1）钨钴类（YG）YG类硬质台金主要由碳化钨（WC）和钴（Co）组成，常用的牌号有YG3、YG6、YG8等。YG类硬质台金的抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，很适宜切削切屑呈崩碎状的铸铁等脆性材料,有色金属和非金属材料。YG类硬质台金的刃磨性较好，刃口可以磨得较锋利，故切削有色金属投合金的效果也较好。由于YG类硬质合金的耐热性和耐磨性较差，因此一般不用于普通钢材的切削加工。但它的韧性好，导热系数较大，可以用来加工不锈钢和高温合金（钛合金）等难加工材料。硬质合金（2）钨钛钴类(YT类)YT类硬质台金主要由碳化钨、碳化钛和钴组成，常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等。它里面加入了碳化钛后，增加了硬质台金的硬度、耐热性、抗粘接性和抗氧化能力。但由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于切削普通碳钢及合金钢（钢料）等材料。硬质合金（3）通用硬质合金(YW类)钨钛钽(铌)钴类硬质台金(YW类)它是在普通硬质合金中加入了少量的稀有高熔点金属碳化钽（TaC)或碳化铌(NbC)，能阻止WC晶粒在烧结过程中长大，起到细化晶粒的作用。从而提高了硬质合金的韧性和耐热性，使其具有较好的综合切削性能。YW硬质合金主要用于不锈钢、耐热钢、高锰钢的加工，也适用于普通碳钢和铸铁的加工，因此被称为通用型硬质台金，常用的牌号有YWl、YW2等。主要用于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。YW1适用于精加工，YW2适用于粗加工。YW类硬质合金成本高，使用受限。硬质合金2-3TiC62%硬质合金硬质合金涂层刀具是在韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的工艺方法，涂覆一薄层(约5～12um)高硬度、耐磨性高、难熔金属化合物(TiC、TiN、AL2O3等)而获得的。这样可使刀片既保持了普通硬质合金基体的强度和韧性，又使表面有更高的硬度(可达1500～3000HV)和耐磨性．更小的摩擦因数和高的耐热性(达800～1200℃)。实践证明，涂层刀片在高速切削钢件和铸铁时能获得良好效果，比未涂层刀片的刀具寿命提高1～3倍，高者可达5～10倍。此外，涂层刀片通用性好，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使用，大大简化了刀具管理和降低了刀具成本，获得较好的经济效益。1涂层刀具三、新型刀具材料涂层刀具陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂，经压制成形后烧结而成的一种刀具材料。它的硬度可达到HRA91～95，在1200℃的切削温度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化学惰性大，摩擦系数小，耐磨性好，加工钢件时的寿命为硬质合金的10～12倍。其最大缺点是脆性大，抗弯强度和冲击韧性低。因此它主要用于半精加工和精加工高硬度、高强度钢和冷硬铸铁等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷，复合氧化铝陶瓷以及复合氧化硅陶瓷等。2陶瓷材料2陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料金刚石是碳的同素异构体，分天然金刚石和人造金刚石两种。人造金刚石是在高温(约2000°C)、高压(5～9GPa)和金属触媒作用的条件下，由石墨转化而成的。金刚石刀具的性能特点是：1）有极高的硬度和耐磨性人造金刚石的硬度高达10000HV，比硬质合金的硬度(1300～1800HV)和陶瓷的硬度高几倍，是世界已发现的最硬材料。人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60～80倍。2）有锋利的切削刃人造金刚石的切削刃钝圆半径很小，能进行超精密微量切削，使已加工表面冷硬层很小，尺寸精度和几何形状精度可达到3～1µm，表面粗糙度值可达到Ra0.02～0.06µm），可实现镜面加工。3人造金刚石3）很高的导热性人造金刚石有较低的线膨胀系数和摩擦系数。其热导率约为硬质台金的2～7倍，陶瓷的7～36倍，而热膨胀系数只有硬质台金的1/1l和陶瓷的1／8。固此，切削热变形小，尺寸精度稳定。4）耐热性较差人造金刚石的温度超过800°C时就会碳化而失去切削能力；且与铁有较强的化学亲和力。高温时金刚石中的碳元素会很快扩散到铁中去，而使刃口“破裂”。因此，金刚石刀具一般不适于加工铁系金属。3人造金刚石5）强度很低人造金刚石脆性大，抗冲击能力差，对振动很敏感，要求机床精度高、平稳性好，且只适于切削层面积不大的精细加工。使用场合：人造金刚石主要用于制作磨具和磨料，用作刀具材料时，多用于在高速下精细车削或镗削有色金属及非金属材料。尤其是用它切削加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料时，具有很大的优越性。3人造金刚石3人造金刚石3人造金刚石立方氮化硼是由六方氮化硼（俗称白石墨）在高温高压下加入催化剂转变而成的。它是70年代才发展起来的一种新型刀具材料，其特点：1）硬度很高可达到HV8000～90002）热稳定性好立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定性，其耐热性可达1300～1400°C，其高温硬度高于陶瓷刀具。当温度高达1370°C以上时，才开始由立方晶体转变为六方晶体而