刀具材料的选用及新材料

刀具材料的选用及新材料主讲:邓志节本讲座共分为三个部分•第一部分、介绍金属材料的基础知识•第二部分、刀具材料的性质以及牌号•第三部分、切削加工及刀具技术的展望第一部分、金属材料的基础知识•前言•材料是人类活动的基础，材料的发展是人类发展的标志。人类历史时代划分：石器时代、铜器时代、铁器时代。当今，材料仍然是科学与工业发展的基础，先进材料是当代文明的主要支柱之一。•工程材料的分类：金属材料、无机材料（最主要的是工程陶瓷）、高分子材料以及复合材料。•近几十年来，金属材料”一统天下”部分被其他材料取代•金属材料正朝着高性能化、复合化、多功能化和智能化方向发展。一、金属的性能•金属的使用性能：使用条件下所表现出来的性能。包括物理性能（密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能、力学性能。•金属的工艺性能：在加工制造过程中表现出来的各种性能。直接影响零件的制造工艺与质量。包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。第一节金属的力学性能•一、强度•二、塑性•三、硬度•四、冲击韧性•五、疲劳强度一、强度•定义：指金属在静载荷作用下，抵抗变形或断裂的能力。是机械零件（工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。•强度的测定－－－－拉伸试验二、塑性•（一）定义金属材料断裂前发生永久变形的能力。•（二）衡量指标伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。三、硬度•（一）布氏硬度•（二）洛氏硬度•（三）维氏硬度（一）布氏硬度应用测量比较软的材料。测量范围HBS450、HBW650的金属材料。优缺点压痕大，测量准确，但不能测量成品件。（二）洛氏硬度•1.原理•加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值应用范围•常用洛氏硬度标度的试验范围HRA120°金刚石圆锥体600N70~85HRB1.588mm钢球1000N25~100HRC120°金刚石圆锥体1500N20~67优缺点•优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。•缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。四、冲击韧性（一）定义金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（二）冲击试样（三）冲击试验原理及方法五、疲劳强度•疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约80％以上属于疲劳破坏。疲劳破坏之前没有明显的变形，断裂是突然发生的。所以疲劳破坏经常造成重大事故。3、铁碳合金•铁碳合金的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体•碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到α——铁中的固溶体叫铁素体，溶解到γ——铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。(2)铁碳合金相图FeFe3C00.77%2.11%4.3%6.69%91215381148727GSECAD1227F+PPP+Fe3CALL＋A铁碳合金相图的意义•C点是共晶点•S点是共析点（共析钢）•G点是纯铁的同素异构转变点•A点是纯铁的熔点•D点是渗碳体的熔点第四节钢的热处理•热处理的定义：将固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。•热处理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面热处理。•根本原因：同素异构转变•加热的目的：获得奥氏体1、退火•将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。•退火的目的：是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。•退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。•退火的方法：完全退火、球化退火、去应力退火2、正火•钢的正火：正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。•目的：它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。3、淬火•.钢的淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。•淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。•淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。4、回火•.钢的回火：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。•目的：消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。•回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。•⑴调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。•⑵时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250℃）精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。一、碳素钢的分类、合金钢的分类•碳素钢：含碳量大于0.0218%,小于2.11%的碳素合金钢。•1、碳素钢的分类：•1）按含碳量分：低碳钢（含碳量小于0.25%)、中碳钢（含碳量0.25%----0.60%)、高碳钢（含碳量大于0.60%)•2）按用途分：结构钢（含碳量小于0.70%）、工具钢（含碳量大于0.70%）•3）按质量（硫、磷含量大小）分：普通钢、优质钢、高级优质钢。2、合金钢的分类•按用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢•按合金含量分：低合金钢（小于5％）、中合金钢（5％－－10％）、高合金钢（大于10％）。第二部分刀具的材料•刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC)，都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。•刀具材料、刀具结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。•刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500～600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。第一节刀具材料必需具备性能•1)高硬度和高耐磨性•2)足够的强度与冲击韧性•3)高耐热性•4)良好的工艺性和经济性1)高硬度和高耐磨性•刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。2)足够的强度与冲击韧性•强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。•冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。3)高耐热性•耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。4)良好的工艺性和经济性•为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。第二节常用刀具材料•1、高速钢•2、硬质合金•3、涂层刀具•4、陶瓷刀具•5、金刚石刀具•6、立方氮化硼1、高速钢•高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。•高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。•普通高速钢，如W1J8c24v广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40—60m／min。•高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的耐用度为普通高速钢的1．5—3倍•粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。•高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷2、硬质合金•在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导作用，此外，其它刀具材料的性能也得到了显著改善，扩大了各自的应用领域，形成了各种刀具材料既有独特优势、使用范围又相互取代补充的整体格局。正是刀具材料全面、迅速的发展为当今高速、高效的金属切削加工奠定了基础。•硬质合金的性能不断改进，应用面不断扩大，成为切削加工的主要刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。硬质合金•按GB2075—87(参照采用190标准)可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，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，用红色作标志。P、M、K(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。•P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC十TiC十Co，代号为YT。•K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC十Co，代号为YG。•M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC(NbC)十Co，代号为YW。3、涂层刀具•涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。•涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。•常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。涂层技术发展•本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金的切削速度从80m／min提高到180m/min•1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m／min。•1981年又出现了碳化钛—氧化铝—氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m／min。涂层技术简介•在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20％一40％o•硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9um，表面硬度可达2500—4200HV。PVD涂层超微粒硬质合金涂层刀具4、陶瓷刀具•陶瓷可能继高速钢、硬质合金以后引起切削加工的第3次革命。•陶瓷刀具具有