第二章刀具材料

第二章刀具材料第一节刀具材料应具备的性能教学目的了解刀具材料应具备的性能教学要点六种要求，一个条件，刀具材料的分类教学方法讲解、举例教具教学过程刀具的工作条件六个要求刀具材料的分类版书第二章刀具材料第一节刀具材料应具备的性能刀具的工作条件：高压、高温、强烈摩擦、振动、冲击、热冲击一、刀具材料应具备的性能1、高硬度和耐磨性硬度≥62HRC耐磨性与硬度、化学成分、强度、显微组织、摩擦区温度有关2、足够的强度和韧性3、高耐热性高温下保持耐磨性、硬度、化学成分、强度、韧性的能力一般以高温硬度表示4、良好的热物理性能和耐热冲击性能导热系数热膨胀系数5、良好的工艺性6、经济性二、刀具材料的分类工具钢碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷超硬材料人造金刚石立方氮化硼作业第二节工具钢教学目的了解碳素工具钢、合金工具钢、高速钢教学要点性能、机理、特点、应用教学方法讲解、举例教具教学过程碳素工具钢合金工具钢高速钢合金元素的作用版书第二节工具钢一、碳素工具钢含碳量0.65～1.35％的优质高碳钢T7AT8AT10AT12A工艺性好可热处理耐磨性好淬火硬度可达HRC58～64价格低耐热性差250～300℃硬度下降（马氏体分解）碳化物分布不均匀淬火变形大淬透性差v5～10m/min锉刀、丝锥、锯条、板牙等低速手动工具二、合金工具钢高碳钢中加入合金元素（Si、Cr、W、Mn、V）总量不超过3～5％9SiCrCrWMnCrMnCrW59Mn2V提高韧性、耐磨性、耐热性耐热性325～400℃v10～15m/min丝锥、板牙、铰刀、搓丝板等低速机用工具三、高速钢（白钢、锋钢、风钢）含有较多合金元素（W、Cr、Mo、V等）的高合金工具钢HRC63～67500～650℃强度高工艺性好高性能HSS高耐热性HSS高碳HSS9W6Mo5Cr4V2（提高耐热、耐磨）高钒HSSW6Mo5Cr4V3钴HSSW2Mo9Cr4VCo8超硬HSS铝HSSW6Mo5Cr4V2Al粉末冶金HSS（可加大含碳量、细小均匀结晶组织、磨加工性好、物理力学性能高度各向同性、减小淬火变形、碳化物不易剥落）四、合金元素的作用W、Fe、Cr、V与C形成化合物提高耐磨性W溶于基体，增加高温硬度Mo作用同W（1％Mo＝2％W）并可细化碳化物，提高韧性Co、Al、Si、Nb（铌）提高高温硬度V提高耐磨性（不宜超过3％）作业第三节硬质合金教学目的了解硬质合金的性能、分类和选用教学要点硬质合金的性能、机理、分类、选用教学方法讲解、图示教具教学过程硬质合金的组成及特点分类性能特点选用版书第三节硬质合金一、组成及特点1、组成高硬度、高熔点的重金属碳化物（WC、TiC、TaC钽、NbC铌）粉末和金属结合剂（Co、Ni）粉末冶金而成2、特点高硬度HRA89～91强度韧性低高耐热性800～1000℃热稳定性好v是HSS的4～10倍二、影响硬质合金性能的因素金属碳化物的种类、性能、数量、粒度、结合剂数量1、种类和性能硬度TiC＞WC＞TaC熔点TaC＞TiC＞WC强度WC＞TiC＞TaC导热WC＞TiC＞TaC2、数量、粒度、结合剂数量碳化物↑→硬度↑强度↓结合剂↑→硬度↓强度↑粒度↓→结合剂层厚度↓→硬度↑强度↓3、碳化物分布均匀→防止热应力和机械冲击产生裂纹TaC→碳化物颗粒细化分布均匀三、种类及牌号1、WC基类（常用）1）钨钴类WC－CoYG数字为Co含量YG3YG6YG8硬度↓强服↑2）钨钛钴类WC－TiC－CoYT数字为TiC含量YT5YT15YT30硬度↑强度↓3）钨钴钽（铌）类WC－TaC（NbC）－CoYGAYG6A4）钨钛钴钽（铌）类WC－TiC－TaC（NbC）－CoYW通用硬质合金YW1YW22、TiC基类TiC－NiMoYN钢件精加工YN10YN053、钢结硬质合金TiC或WC30～40％HSS70～60％粉末冶金性能介于HSS与Y之间可锻造、热处理、切削加工、制作复杂刀具四、性能特点1、硬度、强度Co↑→硬度↓强度↑韧性↑Co相同硬度YT＞YG强度韧性YG＞YT硬度细晶粒＞粗晶粒强度细晶粒＜粗晶粒含TaC（NbC）→硬度↑强度↑2、导热系数YG＞YT（因WC＞TiC）YG：Co↑→导热系数↓YT：TiC↑→导热系数↓3、线膨胀系数YT＞YGTiC↑→线膨胀系数↑4、抗粘结性YT＞YG五、硬质合金的选用（P26表2－4）作业第四节涂层刀具教学目的了解涂层的种类、作用和机理教学要点涂层的分类、作用、机理教学方法讲解教具教学过程涂层材料性能版书第四节涂层刀具一、材料TiC（灰）TiN（金）Al2O3（白）化学气相沉积真空溅射5～12μm单涂层双涂层三涂层二、性能TiC硬度高、耐磨性好、线膨胀系数与基体相近粘结牢固TiN硬度稍低、结合稍差、摩擦系数小、抗粘结磨损Al2O3高温稳定刀具不能重磨、焊接。作业第五节其它材料教学目的了解陶瓷和超硬材料教学要点陶瓷材料特点教学方法讲解教具教学过程陶瓷超硬材料版书第五节其它材料一、陶瓷特点：高硬度，高耐磨性高化学稳定性低摩擦系数高耐热性抗热冲击性差，强度韧性低分类：1、高纯氧化铝陶瓷Al2O3＋微量添加剂冷压烧结HRA91～922、复合氧化铝陶瓷Al2O3＋TiC＋Ni（Mo）热压HRA93～94200℃时HRA80惰性大用于精加工半精加工3、复合氮化硅陶瓷Si3N4＋TiC＋Co热压硬度与复合氧化铝陶瓷相近加工冷硬铸铁、淬硬钢二、人造金刚石高硬度HV10000（YHV1300～1800）热稳定性低，700～800℃碳化不能加工铁族元素三、立方氮化硼（表面粗糙度可代替磨削）硬度高HV8000高热稳定性1300～1500℃惰性大化学惰性作业相关资料相关介绍：硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1.布氏硬度(HB)以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。2.洛氏硬度(HR)当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。3维氏硬度(HV)以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)相关资料：高性能高速钢在20世纪后期，逐步出现了许多高性能高速钢。高性能高速钢是在普通高速钢基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使其常温和高温机械性能得到显著提高。附表中列出了国内外有代表性的高性能高速钢的化学成分和机械性能，现分述其特点于下：1高碳高速钢在W18Cr4V基础上。增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V。根据化学平衡碳理论，可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高了常温和高温硬度。与W18Cr4V相比，95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相当。这个钢种的切削性能虽不及高钴、高钒高速钢，但价格便宜，切削刃可以磨得很锋利，故有应用价值。同样，还有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速钢。2高钴高速钢在高速钢中加钴，可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化物，提高弥散硬化效果，并提高热稳定性，故能提高常温、高温硬度及耐磨性。增加含钴量还可改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦系数。M42是美国这方面的代表性钢种，其综合性能甚为优越。瑞典的HSP-15也是这一类的钢种，但其含钒量为3%，刃磨加工性不如M42。钴含量高、价格昂贵，不适合中国国情。我国研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si，性能优越，价格低于M42和HSP-15，但Co5Si含钒量亦达3%，刃磨加工性亦较差，故不宜用其制造刃形复杂的刀具。3高钒高速钢高钒高速钢(如B201、B211、B212)的钒含量为3%～5%，同时加大碳含量，形成VC与V4C3，使高速钢得到高的硬度和耐磨性。高钒高速钢的耐热性也好，但高钒高速钢的刃磨加工性差，导热性也不好，冲击韧性较低，故不宜用于复杂刀具。在高钒高速钢中也可加入适当的钴，成为高钒含钴高速钢。我国研制的高钒含氮高速钢V3N，价格便宜，切削性能也好，唯刃磨较难。后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但价格高于V3N。4含铝高速钢我国研制出无钴、价廉的含铝高性能高速钢501。其中铝含量约为1%。铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起“钉扎”作用，故钢的常温、高温硬度和耐磨性均得以提高，强度和韧性也都比较高，切削性能与M42相当。501的钒含量为2%，刃磨性能稍逊于M42。5F6也是含铝1%的高性能高速钢，B201、B211、B212中也含铝。含铝高速钢是中国的一个独创。501在国内得到广泛应用，在国外也得到应用；其他含铝高速钢的应用不如501广泛。相关资料：粉末冶金高速钢普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的，它们经过冶炼、铸锭和锻轧等工艺制成刀具，熔炼高速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大(可达几十个微米)，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利影响。粉末冶金高速钢的制造过程是：将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体(氩气或氮气)喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(粉末)。上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末。再将所得的粉末在高温(约1100℃)、高压(约100MPa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。粉末冶金高速钢的优点粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均为1级，碳化物晶粒尺寸在2～3μm以下。因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出20～50％。它适用于制造承受冲击载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高1～1.5HRC，高温硬度(550℃～600℃)提高尤为显著，故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高。由于碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含钒5％时其可磨削性能相当于含钒2％的熔炼高速钢，故粉冶高速钢中允许适当提高钒含量，且便于制造刃型复杂的刀具。粉冶高速钢的热处理变形亦较小。相关资料：硬质合金硬质合金应该是发明在1919年前后。首先被发明的是钨钴类硬质合金。据说在当时，德国的威迪亚(Widia)和瓦尔特(Walter)两家公司为争夺硬质合金的专利斗争了不少时间。应该说，两个公司的科学家几乎是同时地，互相独立地各自完成了自己的发明，都具备获得该技术专利的必要条件，但遗憾的是专利只能归于一家。最后这一专利归于威地亚，而瓦尔特则在其它方面获得一些补偿。迄今为止，钨钴类硬质合金依然是硬质合金中最重要的分支之一，主要用于加工铸铁件和铝合金、铜合金等非铁材料。在这类硬质合金中，碳化钨作为硬质相，而钴作为粘结相，各自发挥着自己的作用。一般说来，在颗粒大小等其实条件相等的条件下，碳化钨的含量百分比越高，硬质合金所表现出的硬度就越高，这意味着它的耐磨性更高。但同时也意味着它的钴的含量百分比较低，表现为韧性较低，耐冲击性较低。就目前的技术来说，颗粒细化、涂层、梯度合金(主要指富钴层)等一些技术可以在维持原有韧性的同时适当提高一些耐磨性，但就同样采用了这