常用刀具材料分类特点及应用

1常用刀具材料分类、特点及应用学院：机械科学与工程学院班级：2011级卓越班姓名：王博学号：2011001602182014.5.7目录摘要.................................................11.刀具材料的基本要求.................................22.常用刀具材料、特点及应用...........................32.1高速钢........................................42.2硬质合金......................................72.3涂层刀具......................................82.3.1硬质合金..................................82.3.2化学气相沉积（CVD）.......................82.3.3物理气相沉积（PVD）.......................92.4金属陶瓷.....................................102.5陶瓷刀具.....................................102.6立方氮化硼...................................122.7聚晶金刚石...................................133.参考文献..........................................141摘要要使金属切削工序获得满意的效果，切削刀具材料和牌号的选择是重要的考虑因素。因此必须基本了解每种切削刀具材料及其性能，以便为每一切削应用做出正确选择。本文旨在对目前常用刀具的材料进行分类，刀具材料的特点及应用进行总结，并根据每种切削刀具材料的性能给出应用建议。关键词刀具材料分类刀具材料特点刀具材料性能刀具材料应用21.刀具材料的基本要求(1)高硬度和耐磨性刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度；刀具材料硬度一般都在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（碳化物、氮化物）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。(2)高强度与强韧性刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力；如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性；一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力(3)较强的耐热性刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强(4)优良导热性刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强(5)良好的工艺性和经济性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能；经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本32.常用刀具材料、特点及应用刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表2-1。表2-1常用刀具材料的主要性能种类常用牌号硬度HRC（HRA）抗弯强度（GPa）热硬性（°C）工艺性能用途碳素工具钢T8A、T10A、T12A60～64（81～83）2.45～2.75200～250可冷热加工成形，刃磨性能好用于手动工具，如锉刀、锯条、錾子等合金工具钢9siCr、CiWMn60～65（81～84）2.45～2.75250～300可冷热加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于低速成形刀具，如丝锥、板牙、铰刀等高速钢W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV263～69（82～87）3.43～4.41550～600可冷热加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于机动复杂的中速刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等硬质合金（YG类）K类（YT类）P类（YW类）M类69～81（89～93）1.08～2.16800～1100粉未冶金成形，只能磨削加工不能热处理，多镶片使用，较脆用于机动简单的高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀刀片陶瓷SG4、AT6（93～94）1500～2100HV0.4～1.1151200压制烧结成形只能磨削加工，不需热处理脆多用于车刀，适宜精加工连续切削4性略大于硬质合金立方碳化硼（CBN）FD、LBN-Y7300～7400HV0.57～0.811200～1500高温高压烧结成形，硬度高于陶瓷，极脆，可用金刚石砂轮磨削，不需热处理用于加工高硬度、高强度材料（特别是铁族材料）人造金刚石10000HV0.42～1.0700～800硬度高于CBN，极脆用于有色金属的高精度、低粗糙度切削，也用于非金属精密加工，不切削铁族金属2.1高速钢图2-1普通高速钢常见用途51.概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢2.性质：高速钢具有良好的热稳定性；高速钢具有较高强度和韧性；高速钢具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性3.分类普通高速钢钨系高速钢（简称W18）优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性缺点：高温切削性能和W18相比稍差高性能高速钢优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍；6缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差；适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料粉末冶金高速钢优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；耐磨性好。适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。72.2硬质合金图2-2常见硬质合金刀片1.组成硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成2.性能特点优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定3.普通硬质合金的种类、牌号及适用范围按其化学成分的不同可分为：（1）钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类）;合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工，适于加工铸铁、不锈钢、淬硬钢、高强度钢、奥氏体钢等。（2）钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类）此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低，粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。适用于加工合金钢、钢锻件、冲压件及铸件的表皮加工等。但是由于刀具中含有钛元素，为防止元素亲和粘刀，不宜加工钛合金。8（3）钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工(4)碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）（合金代号YN，对应于国标P01类）用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。适用于高锰钢、不锈钢、耐热钢等难加工钢材的半精加工和精加工。(5)细晶粒、超细晶粒硬质合金细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢；适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工奥氏体不锈钢、钛合金等高硬度难加工材料2.3涂层刀具2.3.1硬质合金当前在所有切削刀具刀片中，涂层硬质合金占80-90%。它作为刀具材料的成功之处在于其耐磨性和韧性的独特组合，以及各种复杂形状的成形能力。涂层硬质合金将硬质合金和涂层结合在一起。它们共同形成一种适用于其应用的特定牌号。涂层硬质合金牌号为众多刀具和应用的首选。图2-3硬质合金涂层刀片2.3.2化学气相沉积（CVD）1.定义和性质CVD涂层是在700-1050℃高温的环境下通过化学反应获得的。CVD涂层具有高耐磨性，并对硬质合金具有极强的粘附性。最先推出的CVD涂层硬质合金为单层碳化钛涂层(TiC)。之后发明了氧化铝涂层(Al2O3)和氮化钛(TiN)涂层。现代的碳氮化钛涂层(MT-Ti(C,N)或MT-TiCN，也称为9MT-CVD)提高了其与硬质合金的粘附性，更好地保护硬质合金，从而提高了牌号的性能。现代CVD涂层将MT-Ti(C,N)、Al2O3和TiN结合在一起。通过显微结构优化和后处理，涂层在附着力、韧性和耐磨性方面获得不断改进。MT-Ti(C,N)-其硬度提供了耐磨料磨损性能，从而可降低后刀面磨损。CVD-Al2O3–具有化学惰性，热传导率低，使其可耐月牙洼磨损。它也充当热障，可提高抗塑性变形的能力。CVD-TiN-提高耐磨性，并用于磨损检测。2.应用CVD涂层牌号是许多重点考虑耐磨性的应用的首选。此类应用包括：用于钢材的普通车削和镗削，较厚的CVD涂层可提供耐月牙型磨损性能；用于不锈钢的普通车削；用作铣削刀具牌号时，加工ISOP、ISOM、ISOK材料。对于钻削，CVD牌号通常用于周边刀片。2.3.3物理气相沉积（PVD）1.定义和性质涂层在较低温度(400-600°C)下形成。在该过程中，气相的金属与气体，比如氮，发生反应，从而在切削刀具表面形成硬质氮化涂层。PVD涂层由于高硬度而增加了牌号的耐磨性。它们的压应力也增加了切削刃韧性和抗梳状裂纹的能力。主要的PVD涂层种类如下所述。现代的PVD涂层通常由以下不同涂层组成多层涂层和（或）复合涂层。复合涂层由相当多数量的极薄涂层构成，每层厚度通常为纳米级，从而使涂层硬度更高。PVD-TiN-氮化钛是最早使用的PVD涂层。它性能全面，呈金黄色。PVD-Ti(C,N)-碳氮化钛比氮化钛硬，它增加了后刀面耐磨性。PVD-(Ti,Al)N-铝氮化钛具有高硬度和耐氧化性，从而提高材料的总体耐磨性。PVD氧化涂层-利用其化学惰性，增强材料的耐月牙洼磨损性能。2.应用对于要求耐磨且锋利的切削刃以及加工粘软材料，推荐使用PVD涂层牌号。这种应用很普遍，包括所有整体硬质合金立铣刀和钻头，以及切槽、螺纹加工和铣削的大多数牌号。PVD涂层牌号广泛用于精加工，并在钻削中用作重要刀片牌号102.4金属陶瓷1.定义和性质金属陶瓷是以钛基硬质微粒为主体的硬质合金。金属陶瓷的英文名称cermet是由ceramic(陶瓷)和metal(金属)两个单词分别截取部分合并而成的。最初金属陶瓷是由TiC和镍合成的。现代金属陶瓷不含镍，通常以碳氮化钛Ti(C,N)微粒为主要成分，少量第二硬质相(Ti,Nb,W)(C,N)和富钨钴粘合剂。Ti(C,N)增加了牌号的耐磨性，第二硬质相提高了抗塑性变形的能力，钴的含量控制韧性。与烧结硬质合金相比，金属陶瓷提高了耐磨性，降低了与工件的粘结趋势。另一方面，其压缩强度也较低，耐热冲击性较差。金属陶瓷也可以使用PVD涂层，以提高耐磨性。2.应用金属陶瓷牌号用于有粘结趋势的应用，以应对积屑瘤问题。其自锐性使其在长时间切削后依然保持较低的切