刀具材质与镀层

1、 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 刀具材質刀具材質& &鍍層鍍層 -張君良張君良 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 切削壓力 高硬度 切削溫度 高耐磨性 劇烈摩擦能 足夠的硬度輿韌性 沖擊震動 高的耐熱性輿足夠的穩定性 良好的工藝性便於制造 經濟性 刀具材料應具備的性質 刀 具 材 質刀 具 材 質 & & 鍍 層鍍 層 切削特性材料要求 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 刀 具 材 質刀 具 材 質 & & 鍍 層鍍

2、層 、刀具材質刀具材質- - 炭素工具鋼炭素工具鋼 合金工具鋼合金工具鋼 高速鋼高速鋼、燒結式碳化物燒結式碳化物 Carbides 、(硬質合金硬質合金) 瓷金工具瓷金工具Cermet 陶瓷刀具陶瓷刀具Ceramics、CBN刀具刀具 立方氮化硼立方氮化硼 、鍍層鍍層- - 由於工程材料不斷持續的發展，在1960年之後，陸續開發出新一代的合金材料。這些新材料 不僅有高強度，而且具有高磨損性甚至有極高的化學性質，在切削時會與切削刀具產生化學 作用造成侵蝕現象。除此之外，在時間及成本降低的要求下，高速切削正逐漸被人們廣泛的 接受。因此以往的刀具材料已不敷人們的需求。在因應如此嚴格的需求下，發展出刀

3、具材料 再加上鍍層保護。具有鍍層保護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的10倍，常見的刀具 鍍層有下列幾種： uncoated 未鍍層未鍍層、TiN 氮化鈦氮化鈦、TiCN 氮碳化鈦氮碳化鈦 TiAlN 氮鋁鈦氮鋁鈦、Al2O3 氧化鋁氧化鋁 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 刀具材料刀具材料& &鍍層與加工時間鍍層與加工時間 碳鋼碳鋼 Carbon Steel 高速鋼高速鋼 HSS 鑄造合金鑄造合金 Cast cobalt-base alloys 超硬合金超硬合金 Cemented Carbides 新超硬合金新超硬合金 Improv

4、ed Carbide Grades 鍍層鍍層 First coated Grades 雙鍍層雙鍍層 First double-coated Grades 複合鍍層複合鍍層 First triple-coated Grades 加工時間加工時間 min 年代年代 100 26 15 6 3 1.5 1 0.7 1900 ,10,20,30,40,50,60,70,80 左邊的圖表顯示出自1900年後至今，由於刀具技 術的發展使得切削時間縮短了100倍。而在1960 年之後，因為鍍層刀具的出現，縮短了4倍的加 工時間。 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會

5、教育訓練課程 1900年發展成功之切削刀具材料為切削工具鋼之一種，含有鎢、鉻、 鉬、釩、鈷等合金元素。因含有較多的合金元素故有相當高的硬度， 經熱處理後其硬度可高達HRc 68。做為切削工具在高速切削時其刀 鋒即使被加熱至500600也不會產生回火軟化，仍能保持其硬度之 性質，而且在高溫時硬度降低極微，是刀具材料所具備的重要性質 之一，故能耐高溫及重切削。一般常用者有鎢W系高速鋼以及鉬Mo 系高速鋼： 1、鎢W系高速鋼- 係為鋼基中含有18%鎢、4 %鉻以及 1%釩，為一般之多用途刀具材 料。 2、鉬Mo系高 速鋼- 此為W系高速鋼中W之 含量降至6 %後，再加入4.57 %鉬的合金鋼，具有良

6、好之韌性及耐 衝擊性。適合於製造強力之切削、耐磨刀具，如銑刀、螺絲攻等。 高速鋼高速鋼(High-Speed Steel) 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 燒 結 式 硬 質 合 金燒 結 式 硬 質 合 金 在鋼的麻田散鐵Martensite組織中如果分布著有特殊碳化物的 話，其比單是麻田散鐵組織的鋼更具有磨耗性，但是麻田散 鐵在高溫時會失去其硬度，要改良此缺點的方法為使碳化物 的量增加。可能的話，能做成全部都是碳化物的工具最好。 但是一般碳化物的熔點很高，無法以熔解法來製造。所以必 須利用燒結法燒結法(sintering)來固著碳

7、化物，利用燒結方式產生 的工具材料中有： 碳化物超硬合金碳化物超硬合金（Carbides） 瓷金工具瓷金工具（Cermet Tools） 陶瓷工具陶瓷工具（Ceramic Tools） 多晶鑽石刀具多晶鑽石刀具（ CBN ） 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 碳化物超硬合金碳化物超硬合金(Sintered Hard Carbides) 以碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC 等粉末以適當比例之鈷Co金屬粉末，壓成 適當形狀之壓塊，經過半燒結後以增加其強度，然後修整成正確之形狀之尺寸，然 後以鈷粉為粘結劑再於1500 燒結完成。燒結後硬

8、度大增，約為HRa 9092。碳化 物超硬合金比高速鋼具有更高的高溫硬度，溫度即使於1200 也不會損害其刀刃 之性質，而且抗壓強度大、耐磨耗性佳，其切削效率約為高速鋼之三倍。故此合金 被廣泛使用於鋼的切削用途上，一般碳化物材料之使用上可分為下類幾種： 碳化鎢加鈷粉製造而成，密度大、耐磨耗高、又稱為普通碳化物。但是因為其韌性 低，不宜用於切削性不良之材料，適用於切削鑄鐵、非鐵金屬以及硬化鋼。 碳化鎢加碳化鈦及鈷粉製成，密度較小、耐磨耗，又稱為鈦碳化物，適用於一般材 料、鋼材之切削。 碳化鎢加碳化鈦、碳化鉭及鈷粉製造而成，密度與K級相同。其性質介於P、K級碳 化物之間，具有相當之強度及韌性，又稱

9、為鉭碳化物。適用於切削不銹鋼、合金鋼、 延性鑄鋼等抗拉強度大而難以切削的材料。 K級碳化物級碳化物 P級碳化物級碳化物 M級碳化物級碳化物 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 ISO分類分類-碳化物系列碳化物系列 主 要 類 別主 要 類 別 P 顏色：藍色顏色：藍色 適合重切削量適合重切削量 M 顏色：黃色顏色：黃色 適合適合重切削量及重切削量及 韌性強而難以切韌性強而難以切 削的材料削的材料 K 顏色：紅色顏色：紅色 適合微量切削與適合微量切削與 精加工精加工 適 用 切 削 材 料適 用 切 削 材 料 鋼鋼 鑄鐵鑄鐵 4 4系列不

10、銹鋼系列不銹鋼 鑄鐵鑄鐵 耐熱鋼耐熱鋼 錳鋼錳鋼 鎳合金鎳合金 3系列不銹鋼系列不銹鋼 等等 級 級 K01 K03 K10 K20 K30 K40 M01 M10 M20 M30 M40 耐磨耗性耐磨耗性 韌性韌 性 P01 P10 P20 P30 P40 P50 切削速度增高切削速度增高 耐磨耗性增大耐磨耗性增大 切削速度增高切削速度增高 耐磨耗性增大耐磨耗性增大 切削速度增高切削速度增高 耐磨耗性增大耐磨耗性增大 韌性增大韌性增大 切削量增大切削量增大 韌性增大韌性增大 切削量增大切削量增大 韌性增大韌性增大 切削量增大切削量增大 硬化鋼硬化鋼 鑄鐵鑄鐵 非鐵金屬非鐵金屬 集團機械加工技

11、委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 瓷金工具瓷金工具(Cermet Tools) 碳化矽TiC具有良好的高溫硬度、高溫耐氧化性、耐凹蝕性Crater，所以 開發出TiC與Ni的燒結合金，稱之為瓷金工具。為介於碳化物合金與陶瓷 工具之間的工具材料。 材質: TiC（Titan Carbide）碳化鈦(最常使用) TiCN（Titan Carbonitrit）氮碳化鈦 TiN（Titan Nitrit）氮化鈦 WC（Wolfram Carbide）碳化鎢 金屬結合劑: Ni / Co（Nickel / Cobalt）鎳/鈷 瓷金工具的優點瓷金工具的優點：適

12、合切削高硬度的超硬合金 或是用來作鋼及鑄鐵材料的精加工 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 陶瓷工具陶瓷工具(Ceramic Tools) 陶瓷工具可分為兩種基本類型： A型& B型 A型型：以以氧化鋁氧化鋁(Al 2O3 ) 為主為主 A1 = 純的氧化鋁純的氧化鋁 A2 = 添加添加20 40的碳化鈦的碳化鈦(TiC)和氮化鈦和氮化鈦(TiN)來加以混和來加以混和A3 = 增加碳化矽晶體的含量增加碳化矽晶體的含量 B型型：以以氮化矽氮化矽(Si3N4 )為主為主 以氧化鋁（Al 2O3）為主體，而類似於陶瓷器的材料。通常是在純度為99

13、.5%以上的Al 2O3中加 入微量的MgO、CaO、Na2O、K2O、SiO2等而在1600以上加以燒結製成。與前述瓷金工具 不同的是燒結時不使用結合劑。MgO、SiO2的添加物是為了保持Al 2O3粒子的細微，而且使密 度增加。在高溫時具有極大的硬度及強度，此為其特徵。所以可比WC系超硬合金在更高的速 度進行切削，而且在切削時可以不需要使用切削劑。但是因為陶瓷工具比WC系合金更脆而缺 乏耐衝擊性，所以僅做為最後精加工或半最後加工用的切削工具。 以氮化矽(Si3N4 )為主體，氮化物系陶瓷中之氮化矽(Si3N4 )因其熱衝擊抵抗大，機械強度可維 持到高溫，另外亦有優良的耐氧化性及耐蝕性所以適

14、合高溫機械零件與切削工具等。近年來已 成為最重要的機械零件用新陶瓷。 A型型 B型型 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 陶瓷刀具的選用陶瓷刀具的選用 陶瓷刀具又稱為氧化刀具，硬度極高，可達到HRa 94。陶瓷的耐熱性可達到 1200，有極高之抗壓強度，不過脆性太大所以強度不高，因此切削量不能 太大，故適合最後精加工或半最後加工用之切削工具或是其他高度耐磨之非 金屬。 NTK HC1 NTK C1 NTK HC2 分類分類 性質性質 鋼鋼 鑄鐵鑄鐵 鑄鋼鑄鋼 鋼鋼 淬火鋼淬火鋼 鑄鐵鑄鐵 鑄鋼鑄鋼 鋼鋼 鑄鐵鑄鐵 鑄鋼鑄鋼 適用切削材料適

15、用切削材料 200500 m/min 200400 m/min 100300 m/min 切 削 速 度切 削 速 度 震動較小之作業震動較小之作業 尺寸精密之加工尺寸精密之加工 震動較小之作業震動較小之作業 不適合粗加工不適合粗加工 比比C1、HC1更耐更耐 震動之切削，適震動之切削，適 合中、細切削合中、細切削 工 作 條 件工 作 條 件 韌性增大韌性增大 耐磨耗性增大耐磨耗性增大 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 多晶鑽石刀具多晶鑽石刀具 CBN 在以氮化物做為切削刀具中，除了氮化矽Si3N4以外，尚有氮化硼BN與氮 化鋁AlN

16、皆為燒結體，其性質皆為硬度極高、抗熱性佳。尤其是以BN 為立方晶結構的立方晶氮化硼CBN具代表性。立方晶結構的氮化硼使它成 為僅次於鑽石（Diamond）之後最硬的材料。用此類材料所作成的切削工 具，其承受溫度可達到2000，但是與陶瓷刀具一樣，因為脆性太大所以 強度不高，因此切削量不能太大，故只適合最後精加工用之切削工具或適 用於超過50HRC的硬化合金鋼與鑄鐵之精加工或是其他高度耐磨之工件材 料。使用CBN做為切削刀具時，其切削速度為5001000m/min，在普通工 具機之速度下是不足以產生足夠之切削速度來配合。 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技

17、委會教育訓練課程 各種工具材料的高溫硬度各種工具材料的高溫硬度 溫度溫度() 硬度硬度(Hb) 02004006008001000 100 200 300 400 500 600 700 800 1500 1600 1700 碳化物超硬合金碳化物超硬合金 碳工具鋼碳工具鋼 高速鋼高速鋼 鑄造合金鑄造合金 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 鍍層鍍層 一般刀具的鍍層厚度在25m，鍍層應有以下的特點以符合需求： a、在溫度不斷的提昇下，仍能保持相當的硬度。、在溫度不斷的提昇下，仍能保持相當的硬度。 b、穩定的化學性質並且不會與工件的材料發生作

18、用。、穩定的化學性質並且不會與工件的材料發生作用。 c、熱傳導性低。、熱傳導性低。 d、與刀具材質的結合性良好、不會發生剝落或裂開。、與刀具材質的結合性良好、不會發生剝落或裂開。 e、多孔性低，最好不會產生孔洞。、多孔性低，最好不會產生孔洞。 鍍層的好處可以強化刀具材料的硬度、韌性以及熱傳導性。具有鍍層保 護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的10倍。而無鍍層的刀具，可 以用於一般的切削速度，或於老舊機台使用較低的速度，亦可重新研磨 或修改再使用。 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 鍍層技術鍍層技術 鍍層的產生為使用汽化沉澱法製作，通常

19、所使用的有兩種方法-化學汽化 沈澱法CVD以及物理汽化沈澱法PVD。汽化沉澱法可有效的控制其成分 組成、厚度以及多孔性。 製程方式製程方式 HT-CVD 高溫高溫- -化學汽化沈澱法化學汽化沈澱法 MT-CVD 中溫中溫- -化學汽化沈澱法化學汽化沈澱法 Plasma-CVD 電漿電漿- -化學汽化沈澱法化學汽化沈澱法 PVD 物理汽化沈澱法物理汽化沈澱法 製程溫度範圍製程溫度範圍 950-1000 700-900 400-600 400-600 適用鍍層種類適用鍍層種類 TiN、TiCN、TiC、Al 2O3 TiN、TiCN、TiC、TiAlN、Al 2O3 TiN、TiCN、TiC、TiAlN、Al 2O3 TiN、TiCN、TiAlN、Al 2O3 集團機械加工技委會集團機械加工技委會 集團機加技委會教育訓練課程集團機加技委會教育訓練課程 鍍層特色鍍層特色 鍍鍍 層層 TiN TiC TiCN Al 2O3 TiAlN 顏色顏色 金色金色 灰色灰色 黑紫色黑紫色 黑色黑色 表面硬度表面硬度 HV 0.05 2.300-2.700 2.800-3.000 2.800-3.000 3.700 3.000-3.600 鍍層技術鍍層技術 PVD P