刀具的材质

切削刀具的材质高硬度Hardness高耐磨性Wearresistance足够的强度与冲击韧性Strength&Toughness高耐热性Hothardness化学稳定性Chemicalstabilityandinertness良好的工艺性能和经济性economics刀具材料应具备的基本性能Characteristicsofcuttingtools刀具材料的发展及现状Introduction使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上；被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。刀具基体材料分类碳素工具钢合金工具钢普通高速钢高性能高速钢低合金高速钢粉末冶金高速钢高速工具钢工具钢普通颗粒硬质合金细颗粒硬质合金超细颗粒硬质合金钨基硬质合金钛基硬质合金硬质合金氧化物陶瓷氮化物陶瓷混合陶瓷陶瓷立方氮化硼金刚石超硬材料刀具基体材料记号分类记号使用用途的大分类钢材代表例P（种）P01～P50钢炭素钢（S15C）、合金钢（SCM435）M（种）M01～M40不锈钢・耐热钢奥氏体系不锈钢（SUS304）K（种）K01～K40铸铁灰铸铁（FC200）、球墨铸铁(FCD450）N（种）N01～N30非铁材料铝、铜S（种）S01～S30难削材钛合金（Ti-6Aｌ-4V）・NI基合金H（种）H01～H30高硬度材HRC40以上标准（烧结材）刀具材质的分类和使用用途※分类记号的数値越小,耐摩耗性越优秀、记号越大耐欠损性越优秀。高速钢HSS(HighSpeedSteel)高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等合金元素较多的合金工具钢，有良好的综合性能。热处理后硬度为HRC62-65，耐热性为550-600℃，强度和韧性和，特别适用于制造复杂刀具。受耐热温度限制，不适宜高速切削。我国常用的高速钢牌号有W6Mo5Cr4V2和W6Mo3Cr4V.W2Mo9Cr4VCo8(M48)是引进的高速钢品牌，用于难加工材料和较高速度切削。在高速钢刀具上涂上2到5微米的TiN薄膜，刀具寿命可提高2￣5倍。记号分类记号主成分使用用途的大分类P（种）P01～P50WC+Co+TiC+(TaC）钢M（种）M01～M40WC+Co+TiC+(TaC）不锈钢K（种）K01～K40WC+Co铸铁3.硬质合金通常情况下，在炭化钨（WC）的粉末里、混入钴（Co）等粉末、两者烧结而成的合金称之为『超硬合金（超硬）』。以WC-Co的超硬合金为基础、按不同的使用用途来添加TiC和TaC等炭化物。一般情况下,通过TiC和TaC等的添加、耐热性提高。3-2．硬质合金的组织P种M种K种WC+Co+TiC+(TaC）WC+Co+TiC+(TaC）WC+CoWC+TiC・TaC（10～30%）WC+TiC・TaC（2～15%）WC记号主成分硬質相组织结构例Ti、Ta硬质姿态(灰色)W的硬质姿态(白色)Co姿态(黒色)VacuumAir調合粉砕・调整造粒成形烧成研削ＣＶＤＰＶＤ材料工程加工工程硬质合金刀片的制作方法金属陶瓷金属陶瓷(CERMET)是陶瓷(CERAMIC)和金属（METAL）的合成语。一般的金属陶瓷『硬质相中的主成分是钛（Ti）、钽（Ta)、铌（Nb）的炭化物、炭氮化物、及氮化物.炭化钨（WC）的成分较少的材料』。陶瓷+金属＝瓷金CERAMIC+METAL＝CERMETＴiC，TaC，NbCTiN，TiCN+Co，Ni金属陶瓷的特长1)耐摩损性优秀与超硬相比高温硬度高炭化钛炭化硼氮化钛TiCNbCTiN硬度(HV)310024351950融点(℃)322536503000耐酸化抵抗上限温度(℃)115010501250■炭化物、氮化物的特征※红色框内为金属陶瓷的主成分黒色陶瓷(Al2O3-TiC系)サーメット金属陶瓷的优势・与超硬相比，更能实现高速切削■金属陶瓷的高温硬度炭化钨钴（金属）炭化钽WCCoTaC硬度(HV)17802501800融点(℃)290014933800耐酸化抵抗上限温度(℃)65030010502）和被削材（Fe）的亲和性低很难发生铁屑积瘤金属陶瓷硬质合金【积屑瘤】被削材的一部变质硬化、附着在切刃上。对精加工面・尺寸和工具寿命有影响。金属陶瓷的优势・能得到很好光泽的精加工面・能得到高精度/高品位的精加工面■铁屑积屑瘤发生的比较抗化學性磨損碳化鈦-氮化鈦金屬陶瓷非塗層硬質合金PVD塗層硬質合金抗熱衝擊PVD塗層硬質合金非塗層硬質合金碳化鈦-氮化鈦金屬陶瓷冷卻液不能用在粗車或銑削•刀具寿命長的刀具壽命在於精加工,半精加工•被加工工件材料低&中碳鋼,易削鋼,不銹鋼&長屑的球莫鑄鐵•材料硬度低於40HRc•加工型式半精&精加工•速度&進給量中等速度(與Al2O3接近)小的走刀量碳化鈦-氮化鈦金属陶瓷应用提示陶瓷■各種工具材料的高温硬度黒色陶瓷(Al2O3-TiC系)サーメット一般是指把Al2O3（三氧化铝）或Si3N4（氮化硅）为主原料加上微量的金属氧化物及碳化物而烧结成的材料。陶瓷工具的特长①高温度,高耐酸化性优秀②适于高速切削【陶瓷刀具的应用】・铸铁的高速加工・高硬度材的精加工（Al2O3+TiC）※但是、要实现高于陶瓷以上的高速切削、長寿命加工时,推荐使用CBN工具。CBNCBN的特长CBN是高硬度材，耐摩耗性优秀。适合于高硬度材和烧结金属的精加工和铸铁的高速加工。材种用途针对切削热的安定性构成元素和硬度不適用被削材CBN（KBN系列）・高硬度材切削(SCM,SKD等高硬度淬火的材料)・铸铁的高速切削1000℃以下无急剧強烈变化由硼素(B)＋氮素(N)构成、硬度仅次于钻石・奥氏体系不锈钢(SUS304,SUS316等)・亚铁监系不锈钢(SUS405,SUS430等)・耐热合金(因科镍等)・硬质镀铬钢・软铁(SS41,S45C等)・CBN：CubicBoronNitride(立方晶氮化硼素)的略称。CBN,就是在高温高压下对立方晶氮化硼烧结而成的多結晶CBN（立方晶氮化硼）工具。立方氮化硼(CBN)立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是由六方晶体氮化硼CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。氮化硼有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。但在高温时易与水发生反应，所以一般用于干切削。适于精加工淬硬钢，冷硬铸铁，高温合金、硬质合金等难加工材料。金刚石所谓的钻石工具，就是把合成钻石粒子在高温高圧下进行烧结，然后与超硬合金融合而成的多結晶钻石（PCD）。钻石工具的特长钻石是高硬度物质，耐摩耗性优秀、高速切削加工成为可能。在铝合金・黄銅等的非鉄金属加工，高速加工和超硬・陶瓷・玻璃纤维・塑料的加工上发挥其性能。材種用途针对切削热的安定性构成元素和硬度不适用被削材(不适合加工的材料)PCD(多结晶钻石)・非铁金属切削(铝,铝合金，铜,紫铜,钛,钛合金等)・非金属切削(玻璃纤维,塑料等)600℃程度上变成CO2及C由炭素(C)构成、地球上最硬材质・鉄鋼(SS41,S45C,FC,FCD等)・耐熱合金(因科镍等)・不锈钢・PCD：Polycrystallinediamond(多结晶钻石)的略称。・不能用于一般钢和铸铁等鉄系材料的切削。刀具的涂层硬质母材（超硬合金和瓷金）涂层母材硬度（Hv）弯曲强度(MP)超硬WC-(TiC)-Co1300-16001500-2300瓷金TiC(N)-Ni/Co1500-18001300-1700膜种硬度(Hv)耐氧化性耐摩耗性TiN2000～2400○○TiC3200～3800△◎TiCN3000～3500△◎TiAlN2300～2500◎○Al2O32200～2400◎○■硬质母材的特征（参考值）■涂层膜的特征（参考值）涂层材料（TiN，TiC，TiCN，TiAlN，Al2O3etc)为使产品表面受到保护和到达变硬的目的、对各种材料进行表面渡膜。切削工具的场合、在超硬合金和瓷金的硬质母材上渡上涂层材料。通过表面的渡膜、工具的高速切削和長寿命化变成可能。■TiC/TiCN：硬度高耐摩耗性好（机械性摩耗）■Al2O3/TiAlN：耐高温性强抗氧化性好（热的摩耗）涂层的特长＜涂层膜的特征＞氧化开始温度（℃）2004006008001000010203040(GPa)硬度Al2O3（参考：酸化物）TiAlNTiNTiCNTiC（参考：超硬母材）CVD法（化学涂层法）PVD法（物理涂层法）成膜样式处理温度900～1100℃400～600℃付着状态○(全面均一)×(不在固定部分)密着强度○×(比CVD低)成膜物质TiN、TiCN、TiCAl2O3TiN、TiCN、TiC、TiAlN脆化(劣化)層×容易发生(根据母材可软化)○很难发生涂层的方法H2CH4N2排気反应炉电热器制品(刀片)TiCl4防臭阀真空泵电源反応气(C2H2、N2)排気真空泵电子柱制品(刀片)离子涂层原料(Ti)CVDvsPVD塗層溫度基體軔性圖層殘餘應力切削刃口的幾何設計1000CO500COCVDPVD減小張力倒圓與不塗層相同壓力峰利或倒圓CVDPVD常見的Al2O3可有較厚的塗層絕緣塗層很難附著大多數是單層•不易損壞•塗層無細縫•細小的顆粒和光滑的塗層表面•在加工時較小磨擦的熱•保持基體的強度•能塗在鋒利的刃口上为什么用PVD涂层•特別適用於銑削,螺紋,割槽,切斷,和精車的應用•典型的加工工件材料:碳鋼,合金鋼,淬火鋼,不銹鋼,高溫合金,鎳基合金PVD涂层刀具的应用塗層厚度•最佳化的厚度提供最大的生產能力太薄的塗層:塗層效果只能維持短時間太厚的塗層:塗層脫落能起作用的塗層厚度:2-20umCVD塗層:點型厚度在10umPVD塗層:點型厚度在2-5um根据工件硬度选择刀具材质65RC60RC55RC45RC35RC225BHN175BHNCarbidePVDCoatedCarbideCVDCoatedCarbideCermetAluminaCeramicCBN