机械制造技术基础 (6)

1、2.2 刀具材料刀具材料刀具的工作条件：局部强力作用，高温，剧烈摩刀具的工作条件：局部强力作用，高温，剧烈摩擦。擦。影响：影响： 加工效率，加工成本，加工质量加工效率，加工成本，加工质量 。 n刀具材料刀具材料n刀具角度和刀具结构刀具角度和刀具结构2.2.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能n高的硬度高的硬度基本特性，硬度高于工件，一般基本特性，硬度高于工件，一般60HRC以上。以上。n高的耐磨性高的耐磨性材料抵抗磨损的能力。刀具材料硬度越高，耐磨材料抵抗磨损的能力。刀具材料硬度越高，耐磨性越好。性越好。n高的耐热性高的耐热性刀具在高温下仍能保持硬度、强度、韧性和耐磨刀具在高温下仍能保

2、持硬度、强度、韧性和耐磨性的能力。性的能力。衡量刀具材料切削性能的主要标志。衡量刀具材料切削性能的主要标志。热稳定性，化学稳定性。热稳定性，化学稳定性。n足够的强度和韧性足够的强度和韧性承受切削力以及切削时产生的冲击和振动，以防承受切削力以及切削时产生的冲击和振动，以防刀具脆性断裂和崩刃。刀具脆性断裂和崩刃。n良好的热物理性能和耐热冲击性能良好的热物理性能和耐热冲击性能导热性越好，越利于切削区散热，而降低切削温导热性越好，越利于切削区散热，而降低切削温度。度。耐热冲击性能越好，刀具越不因为受热冲击产生耐热冲击性能越好，刀具越不因为受热冲击产生内部裂纹而导致刀具断裂。内部裂纹而导致刀具断裂。n良

3、好的工艺性能良好的工艺性能切削性能、磨削性能、焊接性能、热处理性能等。切削性能、磨削性能、焊接性能、热处理性能等。便于制造。便于制造。n经济性经济性n性能矛盾，合理选择。性能矛盾，合理选择。2.2.2 常用刀具材料常用刀具材料碳素工具钢，合金工具钢，高速钢，硬质合金，碳素工具钢，合金工具钢，高速钢，硬质合金，陶瓷，金刚石，立方氮化硼等。陶瓷，金刚石，立方氮化硼等。工具钢：耐热性差，手工工具等。工具钢：耐热性差，手工工具等。高速钢、硬质合金：使用最普遍。高速钢、硬质合金：使用最普遍。陶瓷、金刚石、立方氮化硼：逐渐增多。陶瓷、金刚石、立方氮化硼：逐渐增多。n碳素工具钢碳素工具钢含碳量最高的优质钢（

4、含碳量含碳量最高的优质钢（含碳量0.70.71.2%1.2%）。）。T8AT8A、 T10AT10A、T12AT12A等。等。硬度：硬度：636365HRC65HRC（818183HRA83HRA）耐热性：耐热性：200200250250抗弯强度：抗弯强度：2.2GPa2.2GPa工艺性能：可冷热加工成形，磨削性好，可进工艺性能：可冷热加工成形，磨削性好，可进行热处理。行热处理。用途：手动工具，如手动丝锥、板牙、铰刀、用途：手动工具，如手动丝锥、板牙、铰刀、锯条、锉刀等。锯条、锉刀等。n合金工具钢合金工具钢碳素工具钢中加入少量的碳素工具钢中加入少量的CrCr、W W、MnMn、SiSi等合金等

5、合金元素。元素。9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn等。等。硬度：硬度：636366HRC66HRC（818183HRA83HRA）耐热性：耐热性：300300400400抗弯强度：抗弯强度：2.4GPa2.4GPa工艺性能：可冷热加工成形，磨削性好，可进工艺性能：可冷热加工成形，磨削性好，可进行热处理。行热处理。用途：手动或低速机动工具，如丝锥、板牙、用途：手动或低速机动工具，如丝锥、板牙、拉刀等。拉刀等。 碳素工具钢和合金工具钢碳素工具钢和合金工具钢n高速钢（锋钢或风钢）高速钢（锋钢或风钢）含有较多含有较多W W、CrCr、V V等合金元素的高合金工具钢。等合金元素的高合金工具钢。W

6、18Cr4VW18Cr4V、W6Mo5Cr4V2AlW6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3AlW10Mo4Cr4V3Al等。等。硬度：硬度：636370HRC70HRC（828287HRA87HRA）耐热性：耐热性：600600650650抗弯强度：抗弯强度：2.52.54GPa4GPa工艺性能：可冷热加工成形，磨削性好，可进行工艺性能：可冷热加工成形，磨削性好，可进行热处理。热处理。用途：中速切削及形状复杂刀具，如钻头、丝锥、用途：中速切削及形状复杂刀具，如钻头、丝锥、铰刀、铣刀、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等。铰刀、铣刀、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等。可加工可加工250250280HB

7、280HB以下的大部分结构钢和铸铁。以下的大部分结构钢和铸铁。l与工具钢相比，允许切削速度提高与工具钢相比，允许切削速度提高13倍，刀倍，刀具耐用度提高具耐用度提高1040倍。类别：倍。类别：1）通用型高速钢）通用型高速钢钨钢钨钢 W18Cr4VW18Cr4V（W18W18）：最基本钢种）：最基本钢种钨钼钢钨钼钢 W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（M2M2）：各国通用）：各国通用2 2）高性能高速钢）高性能高速钢增加合金元素或含量，提高刀具切削性能，用于增加合金元素或含量，提高刀具切削性能，用于加工难加工材料。加工难加工材料。3 3）粉末冶金高速钢）粉末冶金高速钢消除碳化物偏析，细化晶

8、粒，提高材料硬度韧性，消除碳化物偏析，细化晶粒，提高材料硬度韧性，减小热处理变形，用于制造高精度刀具。减小热处理变形，用于制造高精度刀具。高速钢钻头、铰刀高速钢钻头、铰刀高速钢球头铣刀高速钢球头铣刀n硬质合金硬质合金以高硬度、高熔点的难熔金属碳化物以高硬度、高熔点的难熔金属碳化物 WCWC、TiCTiC 为为基体，以金属基体，以金属 CoCo、Ni Ni 等为粘结剂，用粉末冶等为粘结剂，用粉末冶金方法制成的一种合金。金方法制成的一种合金。硬度：硬度：898994HRA94HRA耐热性：耐热性：80080010001000抗弯强度：抗弯强度：0.90.92.4GPa2.4GPa工艺性能：压制烧结

9、后使用，多镶片使用，不能工艺性能：压制烧结后使用，多镶片使用，不能冷热加工，无需热处理。冷热加工，无需热处理。用途：切削速度高于高速钢刀具，常以形状简单用途：切削速度高于高速钢刀具，常以形状简单的刀片形式，经焊接或机械夹固用于车刀、铣的刀片形式，经焊接或机械夹固用于车刀、铣刀、钻头、滚刀、丝锥等。刀、钻头、滚刀、丝锥等。l与高速钢相比，允许切削速度提高与高速钢相比，允许切削速度提高4 41010倍，倍，刀刀具耐用度提高具耐用度提高1040倍，承受切削振动和冲击倍，承受切削振动和冲击载荷的能力差。载荷的能力差。lISO（国际标准化组织）分类：（国际标准化组织）分类：1 1）P P（YTYT）类：

10、基体由）类：基体由WCWC、TiCTiC和和CoCo组成。组成。常用牌号常用牌号YT5YT5、YT15YT15、YT30YT30等，数字代表等，数字代表TiCTiC含量。含量。硬度高，耐热性好，切削韧性材料时耐磨性较好，硬度高，耐热性好，切削韧性材料时耐磨性较好，韧性较差。主要用于加工钢类材料。韧性较差。主要用于加工钢类材料。2 2）K K（YGYG）类：基体由）类：基体由WCWC和和CoCo组成。组成。常用牌号常用牌号YG3YG3、YG6YG6、YG8YG8等，数字代表等，数字代表CoCo含量。含量。韧性较好，切削韧性材料时耐磨性较差。韧性较好，切削韧性材料时耐磨性较差。主要用主要用于加工铸

11、铁、有色金属及合金材料于加工铸铁、有色金属及合金材料。3 3）M M（YWYW）类硬质合金：在）类硬质合金：在YTYT类增添碳化钽类增添碳化钽（TaCTaC）、碳化铌（）、碳化铌（NbCNbC），使硬质合金既有高），使硬质合金既有高的硬度又有好的韧性。的硬度又有好的韧性。常用牌号常用牌号YW1YW1、YW2YW2等。通用性硬质合金。等。通用性硬质合金。主要用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工主要用于加工不锈钢、耐热钢、高锰钢等难加工钢类材料，也适用于加工一般钢类、铸铁、有钢类材料，也适用于加工一般钢类、铸铁、有色金属材料。色金属材料。4 4）TiCTiC（N N）基硬质合金（金属陶瓷）：以）

12、基硬质合金（金属陶瓷）：以TiCTiC为为主要成分的主要成分的TiCTiC-Ni-Mo-Ni-Mo合金，硬度提高，耐热合金，硬度提高，耐热性好。性好。主要用于钢和铸铁的高速精加工。主要用于钢和铸铁的高速精加工。碳化物含量，钴含量。碳化物含量，钴含量。硬质合金牌号选用：硬质合金牌号选用：金属切削原理金属切削原理表表2-42-4。P(YT)类硬质合金类硬质合金ISO牌号P30P20P10P01中国牌号YT5YT14YT15YT30TiC(%)5141530Co(%)10864硬度HRA89.590.59192.5强度GPa1.401.21.150.9适用范围粗加工半精加工半精加工精加工K(YG)类

13、硬质合金类硬质合金ISO牌号K01K05K10K20中国牌号YG3XYG6XYG6YG8Co(%)3668硬度HRA91.59189.589强度GPa1.11.41.451.5适用范围精加工精加工半精加工粗加工M(YW)类硬质合金类硬质合金ISO牌号M10M20中国牌号YW1YW2Co(%)68硬度HRA91.590.5强度GPa1.21.35适用范围精加工半精加工硬质合金机夹可转位刀具硬质合金机夹可转位刀具n涂层刀具涂层刀具在刀具基体表面上涂覆金属化合物等材料薄膜，在刀具基体表面上涂覆金属化合物等材料薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。性能

14、。硬度（耐磨性）硬度（耐磨性）韧性（强度）韧性（强度）刀具基体材料：高速钢、硬质合金等。刀具基体材料：高速钢、硬质合金等。涂层材料：涂层材料：TiCTiC、TiNTiN、TiCNTiCN、陶瓷、立方氮化、陶瓷、立方氮化硼、金刚石以及复合涂层等。硼、金刚石以及复合涂层等。涂层方法：涂层方法：物理气相沉积（物理气相沉积（PVDPVD）：高速钢基体）：高速钢基体化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）：硬质合金基体）：硬质合金基体刀具耐用度提高刀具耐用度提高2-52-5倍，切削速度提高倍，切削速度提高20%-40%20%-40%。硬质合金涂层机夹可转位刀片硬质合金涂层机夹可转位刀片n陶瓷材料陶瓷材

15、料以氧化铝（以氧化铝（AlAl2 2O O3 3）或氮化硅（）或氮化硅（SiSi3 3N N4 4）等为主要）等为主要成分，经压制成形后烧结而成的刀具材料。成分，经压制成形后烧结而成的刀具材料。硬度：硬度：919195HRA95HRA耐热性：耐热性：1200 1200 抗弯强度：抗弯强度：0.450.450.8GPa0.8GPa工艺性能：类似于硬质合金工艺性能：类似于硬质合金性能及用途：硬度高，耐热性好，强度低，韧性性能及用途：硬度高，耐热性好，强度低，韧性差。化学稳定性好，与金属材料亲合力小，摩差。化学稳定性好，与金属材料亲合力小，摩擦系数小，适合于硬铸铁和淬硬钢的较高速精擦系数小，适合于硬

16、铸铁和淬硬钢的较高速精加工，切削速度比硬质合金提高加工，切削速度比硬质合金提高2-52-5倍。倍。超硬材料（立方氮化硼和人造金刚石）超硬材料（立方氮化硼和人造金刚石）n立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）由立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。由立方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成。硬度：硬度：800080009000HV9000HV耐热性：耐热性：1400140015001500抗弯强度：抗弯强度：0.3GPa0.3GPa工艺性能：压制烧结而成，可用金刚石砂轮磨削。工艺性能：压制烧结而成，可用金刚石砂轮磨削。用途：适合于硬度、强度较高的黑色金属材料用途：适合于硬度、强度较高的黑色金

17、属材料（淬硬钢、冷硬铸铁等）以及难加工材料的高（淬硬钢、冷硬铸铁等）以及难加工材料的高速切削。速切削。CBN机夹刀片机夹刀片n人造金刚石人造金刚石通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。而成。硬度：硬度：10000HV10000HV耐热性：耐热性：700700800800抗弯强度：抗弯强度：0.210.210.49GPa0.49GPa工艺性能：用天然金刚石砂轮刃磨。工艺性能：用天然金刚石砂轮刃磨。用途：适合于有色金属以及非金属材料的高速切用途：适合于有色金属以及非金属材料的高速切削和精密加工。由于热稳定性差，而且与铁元削和精密加工。由于热稳定性

18、差，而且与铁元素有很强的化学亲合力，因此不适于加工钢铁素有很强的化学亲合力，因此不适于加工钢铁类材料。类材料。金刚石焊接刀具金刚石焊接刀具 刀具材料特性刀具材料特性种类种类碳素碳素工具钢工具钢合金合金工具钢工具钢高速高速钢钢硬质硬质合金合金陶瓷陶瓷立方立方氮化硼氮化硼金刚石金刚石硬度硬度81-8381-83HRAHRA81-8381-83HRAHRA82-8782-87HRAHRA89-9489-94HRAHRA91-9591-95HRAHRA8000-8000-9000HV9000HV1000010000HVHV耐热耐热性性()()200-200-250250300-300-40040060

19、0-600-650650800-800-10001000120012001400-1400700-800800强度强度(GPa(GPa) )2.22.22.42.42.5-42.5-4 0.9-0.9-2.452.450.45-0.45-0.80.80.30.30.21-0.21-0.490.49思考题思考题1、刀具材料应具备哪些性能？常用刀具材料有哪些？各、刀具材料应具备哪些性能？常用刀具材料有哪些？各有何优缺点？有何优缺点？2、硬质合金的主要种类及用途是什么？、硬质合金的主要种类及用途是什么？3、超硬材料、超硬材料（立方氮化硼和人造金刚石）的特点及（立方氮化硼和人造金刚石）的特点及用途用途是什么？是什么？4、试选择合理的刀具材料及牌号：、试选择合理的刀具材料及牌号： 1 1）4545钢锻件粗车；钢锻件粗车； 2 2）