数控机床的刀具材料

数控机床对刀具材料的基本要求是高的硬度、高的耐磨性、高的红硬性和足够的强度7和韧性。-------------------------加工的刀具种类视加工对象而定刀具材料应当具备的性能切削过程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。刀具切削性能的优劣，取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。由此可见刀具材料的重要性，它对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用，重视新型刀具材料的研制。在切削加工时，刀具切削部分与切屑、工件相互接触的表面上承受很大的压力和强烈的摩擦，刀具在高温下进行切削的同时，还承受着切削力、冲击和振动，因此刀具材料应具备以下基本要求：1．硬度刀具材料必须具有高于工件材料的硬度，常温硬度须在HRC62以上，并要求保持较高的高温硬度。2．耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力，它是刀具材料机械性能（力学性能）、组织结构和化学性能的综合反映。例如，组织中硬质点的硬度、数量、大小和分布对抗磨料磨损的能力有很大影响，而抗冷焊磨损(冷焊磨损即过去有些书上所称的粘结磨损、抗扩散磨损和抗氧化磨损的能力还与刀具材料的化学稳定性有关。3.强度和韧性为了承受切削力、冲击和振动，刀材料应具有足够的强度和韧性。一般，强度用抗弯强度表示，韧性用冲击值表示。刀具材料中强度高者，韧性也较好，但硬度和耐磨性常因此而下降，这两个方面的性能是互相矛盾的。一种好的刀具材料，应当根据它的使用要求，兼顾以上两方面的性能，而有所侧重。4．耐热性刀具材料应在高温下保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并有良好的抗扩散、抗氧化的能力。这就是刀具材料的耐热性。5．导热性和膨胀系数在其他条件相同的情况下，刀具材料的导热系数(热导率)越大，则由刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具使用寿命。线膨胀系数小，则可减少刀具的热变形。对于焊接刀具和涂层刀具，还应考虑刀片与刀杆材料、涂层与基体材料线膨胀系数的匹配。6．工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性，包括锻、轧、焊接、切削加工和可磨削性、热处理特性等。材料的高温塑性对热轧刀具十分重要。可磨削性可用磨削比——磨削量与砂轮磨损体积之比来表示，磨削比大，则可磨削性好。此外，在选用刀具材料时，还应考虑经济性。性能良好的刀具材料，如成本和价格较低，且立足于国内资源，则有利于推广应用。刀具材料种类很多，常用的有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢)、硬质合金、陶瓷、金刚石(天然和人造)和立方氮化硼等。碳素工具钢(如T10A、T12A)和合金工具钢(如9CrSi、CrWMn)，因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前尚只在较小的范围内使用。当今，用得最多的刀具材料为高速钢和硬质合金。.高速钢高速钢是加入了钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢。按重量计，钨和钼占10—20％，铬约占4％，钒占1％以上，它们都是强烈的碳化物形成元素，在熔炼与热处理过程中与碳形成了高硬度的碳化物，从而提高了钢的耐磨性。另外，高速铜采用了接近熔点的淬火温度，得到细晶粒的合金化的马氏体组织，它在低温回火(约560℃)时又使合金碳化物析出，从而进一步提高了硬度与耐磨性。在高速钢中，钼和钨的作用基本相同，1％的钼可代替2％的钨。钼并能减少钢中碳化物的不均匀性，细化碳化物晶粒，提高韧性。另外，在某些高速钢中，为了提高高温硬度，添加钴、铝、硅、铌等元素；为了提高耐磨性，可适当增加含钒量。但是，随着含钒量的增加，可磨削性变差，因此钒的含量不宜超过3％。表2—1、2—2分别列出了主要高速钢的成分和性能。从表中可见，高速钢在600℃时，仍能保持切削加工所要求的硬度，切削中碳钢时，切削速度可0.5m／s(30m／min)左右。高速钢的强度、韧性和工艺性能均较好，能进行锻造，磨出的切削刃比较锋利，熔炼质量稳定，使用比较可靠。各种刀具都可用高速钢制造；尤其是形状复杂的刀具和小型刀具，均大量使用着高速钢。目前，高速钢占刀具材料总使用量的60％以上。按基本化学成分，高速钢可分为钨系、钨钼系和钼钨系。按切削性能分，则有普通高速钢和高性能高速钢。按制造方法分，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。一、普通高速钢通高速钢的特点是工艺性好，切削性能可满足一般工程材料的常规加工，常用品种有：1．W18Cr4V属钨系高速钢。它的历史悠久，至今尚在普遍使用。其综合机械（力学）性能和可磨削性好，可用以制造包括复杂刀具在内的各类刀具．2．W6Mo5Cr4V2属钨铝系高速钢；其碳化物分布的均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但是，可磨性比W18Cr4V略差，切削性能则大致相同。国外由于资源关系，已淘汰所谓传谓传统高速钢W18Cr4V而以W6Mo5Cr4V2代替。这一钢种目前我国主要用于热轧刀具（如麻花钻），也可用于制作大尺寸刀具。3．W14Cr4VMn-RE这种高速钢有较大的塑性，可作热轧刀具用。此钢种中含钨量较W18Cr4V少，而含有少量的锰及稀土元素RE，其切削性能相当于W18Cr4V。4．W9Mo3Cr4V是近年我国研制出的一种钨钢系高速钢，其性能接近于W6Mo5Cr4V2。、二、高性能高速钢调整普通高速钢的基本化学成分和添加其他合金元素，使其机械(力学)性能和切削性能有显著提高，这就是高性能高速钢。高性能高速钢的常温硬度可达HRC67-70，高温硬度也相应提高，可用于高强度钢、高温合金、钛合金等难加工材料的切削加工，并可提高刀具使用寿命。高性能高速钢主要有以下几种：1．钴高速钢典型钢种是AISI的M42，它的特点是综合性能好，硬度高(接近HRC70)，高温硬度在同类钢中居于前列(见表2—2)，可磨削性也好。表2—3为其磨削比的参考数据[62]，从表中可知，M42的磨削比接近普通高速钢W6Mo5Cr4V2。用M42制作的刀具用于加工高温合金、不锈钢等效果很好。然而，这一钢种含有较多的钴元素，价格较贵。针对国内资源情况，我国应发展低钴或无钴的高性能高速钢。2．低钴高速钢低钴高速钢(W12Mo3Cr4V3Co5Si)是用减少钴增加硅的办法以获得高性能。其耐磨性比M42好，但韧性比M42差。缺点是仍然含有—定的钴，而且由于增加了含钮量，使可磨性变差，因而不宜用于制造复杂刀具。3，铝高速钢铝高速例（W6Mo5Cr4V2Al）是我国独创的无钴高速钢，它在W6Mo5Cr4V2的基础上加铝增碳，其高温硬度在600℃时约为HV602，抗弯强度为3.50-3.80GPa(350—380kgf／mm2)，冲击韧性为0.20MJ／m2(2.0kgf·m/cm2)，均与M42相当，抗弯强度及冲击韧性则高于W12Mo3Cr4V3Co5Si钢。缺点是可磨削性略低于M42。此钢种不含钴，性能好，生产成本较低。其缺点是热处理温度较难控制，钢材成材率较低。此外，我国研制的无钴高速钢还有加铝强化5F6钢和加铝、铝、铌强化的B201钢等，性能达到钴高速钢的水平，但也存在着含钒多而可磨性差的问题。它仍在生产中用得不多。近年来，我国研制成功无钴和低钴的高性能高速钢W12Mo3Cr4V3N(V3N)和W12Mo3Cr4VCo3N(Co3N),颇有应用前景。V3N价格较低，但可磨性稍差。三、粉末冶金高速钢高速钢的制造质量受多方面因素的影响，其中对性能影响较大而又难以改善的因素，是对碳化物分布的均匀性及其粒度粗细的控制。熔炼高速钢中碳化物偏析比较严重。完全消除碳化物偏析的方法是粉末冶金法。其基本原理是将高频感应炉熔炼的钢液用高压惰性气体(如氩气)雾化成粉末，再经过热压(同时进行烧结)制成刀坯，或制成钢坯再经轧制或锻造成材。粉末高速钢与熔炼高速钢相比，有很多优点：如韧性与硬度较高，可磨削性能显著改善(例如含钒5％的粉末冶金高速钢的可磨削性相当于含钒2％的普通高速钢)，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，故刀具使用寿命较长。粉末冶金高速钢可以切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。高速钢刀具可以用盐浴软氮化、气体软氮化、辉光离子化及离子氮注入等方法进行表面处理，形成高硬、耐磨的薄层(0.02—0.1mm)；也可以采用物理气相沉积(PVD)等方法在高速钢刀具表面涂覆一层(约10μm)TiN或TiC等材料。经过表面处理或涂层后，刀具的耐磨性和使用寿命可以得到显著提高。近年，TiN涂层高速钢刀具发展较快，应用较广。高速钢钻头、丝锥、铣刀及齿轮刀具，经涂层后，其耐用度常可提高3—5倍以上。附录l列出了世界各国主要高速钢牌号对照表。2.硬质合金硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物(主要是WC、TiC等，又称高温碳化物)微米级的粉末，用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其中高温碳化物含量超过高速钢，允许切削温度高达800—1000℃。切削中碳钢时，切削速度可达1.67—3.34m／s(100—200m／min)以上。硬质合金是当今最主要的刀具材料之一。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。由于硬质合金的工艺性较差，它用于复杂刀具尚受到很大限制。目前，硬质合金占刀具材料总使用量的30％—40％。一、高温碳化物硬质合金的性能，主要取决于金属碳化物的种类、性能数量、粒度和粘结剂的份量。1．碳化物的种类和性能表2—4所列为几种碳化物的性能。由表可见，这几种碳化物的硬度和熔点都很高。TiC的硬度和熔点高于WC、TiN，但弹性模量却小于WC、TiN。WC的密度远大于TiC、TiN，导热系数亦较大。在硬质合金中碳化物所占的比例大，则硬度高；反之，碳化物减少，粘结剂增多，则硬度低，但抗弯强度提高。2．碳化物粒度碳化物的粒度越细，则有利于提高硬质合金的硬度与耐磨性。但当粘结剂含量一定时，如碳化物粒度减小，则碳化物颗粒的总表面积加大，使粘结层厚度减薄[61]，从而降低了合金的抗弯强度，提高了合金的硬度。反之，则使合金的抗弯强度提高，硬度降低。欲使细晶粒硬质合金具有较高的抗弯强度，就必须增加粘结剂含量，并在制造工艺上加以控制。碳化物粒度的均匀性，也影响硬质合金的性能。粒度均匀的碳化物可形成均匀的粘结层，有利于防止由于热应力和机械冲击而产生裂纹。在合金中添加TaC能使碳化物粒度均匀和细化。二、硬质合金的种类和牌号目前绝大部分硬质合金是以WC为基体，并分为WC—Co、WC—TiC—Co、WC—TaC(NbC)—Co以及WC—TiC—TaC(NbC)—Co等四类。表2—5列出了国内常用各类合金的牌号、成分和性能。YT类合金，IS0(国际标准化组织)称为P类，主要用于加工长切屑的黑色金属；YG类合金，ISO称为K类，主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料；YW类合金，ISO称为M类，可覆盖P类、K类合金的应用范围。三、硬质合金的性能1.硬度碳化物WC、TiC等的硬度很高，所以合金整体也就具有高硬度，一般在HRA89-93之间。如前节所述，硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量和粒度而变化，又随粘结剂含量的增多而降低。在粘结剂含量相同时，WC—TiC—Co合金的硬度高于WC—Co合金。硬质合金的硬度又随着温度升高而降低。在700—800℃时，部分合金保持着相当于高速钢在常温时的硬度，另一部分合金则低些。合金的高温硬度仍取决于碳化物在高温下的硬度，故WC—TiC—Co合金的高温硬度比WC—Co合金高些。添加TaC(或NbC)能提高高温硬度。2.抗弯强度和韧性常用牌号硬质合金的抗弯强度在0．90—1.50GPa(90—150kgf／mm2)范围内。粘结剂含量越高，则抗弯强度也就越高。当粘结剂含量相同时，WC—TiC—Co合金的抗弯强度总是低于WC—Co合金，并随着TiC含量的增加而下降。硬质合金是跪性材料,常温下其冲击韧性仅为高速钢的1／8—1／30。韧性不足是硬质合金的弱点。故硬质合金刀具一般是将合金刀片焊接或夹固在刀柄(刀体)上使用，有的小模数齿轮滚刀或小的硬质合金钻头和立铣刀等才做成整体的。和坑弯强度的情况一样