机械制造技术基础 第二章 第二节 刀具材料

1、第二节 刀具材料n一、一、刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能n二、二、 常用刀具材料常用刀具材料 1、高速钢高速钢 2、硬质合金硬质合金 3、陶瓷刀具陶瓷刀具 4、超硬材料刀具超硬材料刀具 5、涂层刀具涂层刀具n三、三、刀具材料选择刀具材料选择一、刀具材料应具备的性能n1、高硬度及耐磨性、高硬度及耐磨性 硬度是刀具材料应具备的基本特性。硬度是刀具材料应具备的基本特性。 一般刀一般刀硬度硬度1.5工工硬度硬度，切削金属所用刀具常温，切削金属所用刀具常温HRC 60 耐磨性：抗磨损能力，它是刀具材料机械性能、组织结构和化学性能的综合反映。通常，刀具耐磨性：抗磨损能力，它是刀具材料机械性能、组

2、织结构和化学性能的综合反映。通常，刀具 材料硬度越高，耐磨性越好。组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越材料硬度越高，耐磨性越好。组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越 小，分布越均匀，则耐小，分布越均匀，则耐 磨性越高。磨性越高。n2、足够强度及韧性、足够强度及韧性 刀具在切削加工中要承受很大的压力，且作用在很小的刀尖附近，同时切削过程中刀具在切削加工中要承受很大的压力，且作用在很小的刀尖附近，同时切削过程中 通常要出现通常要出现 冲击和振动，为使刀具不发生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。冲击和振动，为使刀具不发生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。n 3、高

3、耐热性、高耐热性 耐热性：指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。耐热性：指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。n4、良好耐热冲击能力、良好耐热冲击能力 耐热冲击性：刀具材料抵抗热冲击的能力。刀具在断续切削或使用切削液切削时，常受到很大耐热冲击性：刀具材料抵抗热冲击的能力。刀具在断续切削或使用切削液切削时，常受到很大 的热冲击（温度变化剧烈），刀具内部会产生裂纹而导致断裂。的热冲击（温度变化剧烈），刀具内部会产生裂纹而导致断裂。 刀具材料的耐热冲击性与材料的一些物理性能有关。如：材料

4、导热系数大，降低刀具表面的温刀具材料的耐热冲击性与材料的一些物理性能有关。如：材料导热系数大，降低刀具表面的温 度梯度；热膨胀系数小，可减小热变形；弹性模量小，可降低因热变形而产生的交变应力幅度；这度梯度；热膨胀系数小，可减小热变形；弹性模量小，可降低因热变形而产生的交变应力幅度；这些些 均有利于提高材料的耐热冲击性。均有利于提高材料的耐热冲击性。 n5、良好工艺性、良好工艺性 为便于刀具制造，要求刀具材料应具有良好的工艺性能。如：锻造性能、热处理性能、高温塑为便于刀具制造，要求刀具材料应具有良好的工艺性能。如：锻造性能、热处理性能、高温塑 形形 变性能力、磨削加工性能、焊接性能等等。变性能力

5、、磨削加工性能、焊接性能等等。n6、经济性经济性二、常用刀具材料 目前常用（机用）刀具材料：目前常用（机用）刀具材料：（碳素、合金工具钢（碳素、合金工具钢 ) 1 、高速钢、高速钢 2、硬质合金、硬质合金 3、涂层刀具、涂层刀具 4、陶瓷、陶瓷 5、金刚石、金刚石 6、立方氮化硼、立方氮化硼。 硬度：由高到低顺序硬度：由高到低顺序56421 强度韧性：由高到低顺序强度韧性：由高到低顺序12456 耐热性：由高到低顺序耐热性：由高到低顺序64251 制造工艺性：由好到坏顺序制造工艺性：由好到坏顺序12456n1、高速钢、高速钢 加入了较多加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。等合

6、金元素的高合金工具钢。 特点：特点： 强度、韧性、制造工艺性是目前常用刀具材料中最高、最好的；强度、韧性、制造工艺性是目前常用刀具材料中最高、最好的； 常温硬度常温硬度 HRC6070，600硬度也可达硬度也可达HRC50. ）。）。 高速钢种类：高速钢种类： 通用型高速钢通用型高速钢 常用牌号：常用牌号：W18Cr4V（W18）；）；W6Mo5Cr4V2（M2） 淬火时过热倾向小（热处理性能好），磨加工性好（含淬火时过热倾向小（热处理性能好），磨加工性好（含V量少）；碳化物大小、分布不均量少）；碳化物大小、分布不均 匀，热塑性差。匀，热塑性差。 碳化物颗粒细小、分布均匀（因以碳化物颗粒细小、

7、分布均匀（因以Mo代替代替W），韧性、抗弯强度均高于），韧性、抗弯强度均高于W18 ，热塑性好；热，热塑性好；热 处理时脱碳倾向严重，磨加工性不如处理时脱碳倾向严重，磨加工性不如W18（含（含V 高）。高）。 在通用性高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及在通用性高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及 添加钴、铝等合金元素添加钴、铝等合金元素 的新钢种。比通用型的新钢种。比通用型 高速钢具有更高的硬度、耐热性等。高速钢具有更高的硬度、耐热性等。 常用牌号：钴超硬高速钢常用牌号：钴超硬高速钢M42（W2Mo9Cr4VCo8） 铝超硬高速钢铝超硬高速钢501（W6Mo5Cr4V2Ai ） 是用高压氩气或氮

8、气雾化融熔的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然是用高压氩气或氮气雾化融熔的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然 后将这种粉末后将这种粉末在在 高温高压下压制成致密的钢坯，最后将钢坯锻轧成钢材。高温高压下压制成致密的钢坯，最后将钢坯锻轧成钢材。 特点：避免产生粗大碳化物共晶偏析，得到细小均一的结晶组织，为此具有更高的硬特点：避免产生粗大碳化物共晶偏析，得到细小均一的结晶组织，为此具有更高的硬 度、强度、韧性；并减小热处理变形。度、强度、韧性；并减小热处理变形。 以难熔金属碳化物（以难熔金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）为基体，以金属（等）为基体，以金属（Co、Ni）为）为 结

9、合剂，用结合剂，用 粉末冶金方法制成的一种合金。粉末冶金方法制成的一种合金。 通常硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；结合剂含量较高通常硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；结合剂含量较高 时，则抗时，则抗 弯强度较高，但硬度却较低。弯强度较高，但硬度却较低。 特点：特点： 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性比高速钢有大幅提高，硬度一般为硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性比高速钢有大幅提高，硬度一般为 7482HRC，在，在8501000高温时尚能切削。高温时尚能切削。 强度、韧性及制作工艺性比高速钢差。强度、韧性及制作工艺性比高速钢差。 硬质合金的分类硬质合金的分类

10、 钨钴类硬质合金钨钴类硬质合金 牌号牌号： YG 类类K 类类 硬度、耐磨性由高至低的顺序：硬度、耐磨性由高至低的顺序： YG3X YG3 YG6X YG6 YG8 强度、韧性由高至低的顺序：强度、韧性由高至低的顺序：YG8 YG6 YG6X YG3 YG3X a） 硬度、耐磨性由高至低的顺序：硬度、耐磨性由高至低的顺序： YT30 YT15 YT14 YT5 强度、韧性由高至低的顺序：强度、韧性由高至低的顺序：YT5 YT14 YT15 YT30 b) YT类与类与YG类硬质合金相比的优缺点：类硬质合金相比的优缺点： TiC与与WC差别：差别： TiC硬度、耐磨性高于硬度、耐磨性高于WC（T

11、iC硬度：硬度：HV30003200，WC： HV1780） TiC的耐热性远高于的耐热性远高于WC（TiC熔点：熔点：32003250，WC：2000） TiC对普通钢的抗粘接、抗扩散、抗氧化高于对普通钢的抗粘接、抗扩散、抗氧化高于WC TiC 的抗弯强度、冲击韧性比的抗弯强度、冲击韧性比WC低低 TiC的导热性比的导热性比WC差（差（TiC导热系数：导热系数：24.3W/m2， WC： 29.3W/m2） YT类硬质合金硬度、耐磨性高于类硬质合金硬度、耐磨性高于YG类类 YT类硬质合耐热性高于类硬质合耐热性高于YG类类 YT对普通钢的抗粘接、抗扩散、抗氧化高于对普通钢的抗粘接、抗扩散、抗氧

12、化高于YG YT类硬质合强度、韧性低于类硬质合强度、韧性低于YG类类 YT类硬质合金导热性、焊接性能比类硬质合金导热性、焊接性能比YG差。差。 TaC（NbC）熔点比）熔点比TiC高，高， 且且TaC（NbC）能使碳化物颗粒均一，形成均一粘接相。）能使碳化物颗粒均一，形成均一粘接相。 YW 类硬质合金硬度、耐磨性高于类硬质合金硬度、耐磨性高于YT类；类；YW 类硬质合金抗疲劳强度、冲击韧性、抗弯强度也较高类硬质合金抗疲劳强度、冲击韧性、抗弯强度也较高 与与WC基硬质合金相比其特点：基硬质合金相比其特点： 硬度、耐磨性高于硬度、耐磨性高于WC基硬质合金（基硬质合金（YG、YT、YW）。）。 耐热

13、性、化学稳定性、抗氧化、抗粘接能力高于耐热性、化学稳定性、抗氧化、抗粘接能力高于WC基硬质合金。基硬质合金。 抗弯强度、韧性较抗弯强度、韧性较WC基硬质合金差。基硬质合金差。 主要用于主要用于加工加工，比普通硬质合金具有更高的效率（允许切削速度较高，比普通硬质合金具有更高的效率（允许切削速度较高) 加工加工黑色金属（黑色金属（）及）及 加工加工的黑色金属的黑色金属 一般用于加工一般用于加工难加工材料。难加工材料。 含含 一般应用一般应用类。类。 有有Ai203基陶瓷和基陶瓷和Si3N4基陶瓷，其中基陶瓷，其中Ai203基陶瓷：包括纯基陶瓷：包括纯Ai203和和Ai203基复合陶基复合陶 瓷（在

14、瓷（在Ai203中中 添加添加TiC或或ZrO2的复合陶瓷及添加的复合陶瓷及添加 SiC晶须的增强型陶瓷）晶须的增强型陶瓷） a、高的硬度、耐磨性（、高的硬度、耐磨性（9395HRA，高于硬质合金）；，高于硬质合金）； b、高的耐热性（在、高的耐热性（在1200还能还能 切削，切削速度比硬质合金提高切削，切削速度比硬质合金提高25倍）；倍）； c、高的化学稳定性（陶瓷与金属亲和力小，抗粘接和、高的化学稳定性（陶瓷与金属亲和力小，抗粘接和 抗扩散能力较好）；抗扩散能力较好）； d、较低的摩擦系数。、较低的摩擦系数。 e、强度、韧性差。、强度、韧性差。6 一般用于一般用于 切削切削、加工加工及及等

15、。等。n4、 分为天然、人造单晶金刚石；人造整体聚晶金刚石及聚晶金刚石复合片分为天然、人造单晶金刚石；人造整体聚晶金刚石及聚晶金刚石复合片 。 a、极高的硬度、耐磨性；、极高的硬度、耐磨性； b、导热性好、摩擦系数低；、导热性好、摩擦系数低； c、耐热性差（、耐热性差（T700）、强度及）、强度及 韧韧 性差。性差。 a、。 金刚石（金刚石（C）和铁有很强的化学亲和力，在）和铁有很强的化学亲和力，在 高高 温下铁原子易与碳原子作用而使其转化为石墨结构，刀具磨损极快。温下铁原子易与碳原子作用而使其转化为石墨结构，刀具磨损极快。 b、 用于加工用于加工、等等高硬、高耐磨材料高硬、高耐磨材料 c、

16、加工加工金属（金属（，等）的最佳刀具材料。等）的最佳刀具材料。 由软的六方氮化硼在高温高压下在催化剂作用下转变而成的。由软的六方氮化硼在高温高压下在催化剂作用下转变而成的。 分为：整体立方氮化硼（分为：整体立方氮化硼（）、立方氮化硼复合片（）、立方氮化硼复合片（）。 a、高硬度及耐磨性，硬度仅次于金刚石；、高硬度及耐磨性，硬度仅次于金刚石； b、高的耐热性、高的耐热性(达达1400 ）；）； c、高的化学惰性（与铁族金属直至、高的化学惰性（与铁族金属直至12001300 是也不发生化学反应）；是也不发生化学反应）； d、脆性大、强度及韧性差（一般的、脆性大、强度及韧性差（一般的PCBN刀具均带

17、负倒棱来增加刀具切削部分的抗破损刀具均带负倒棱来增加刀具切削部分的抗破损 能力）能力） 用于用于加工加工、和和的高效刀具材料。的高效刀具材料。 涂层刀具是在韧性较好的涂层刀具是在韧性较好的硬质合金、高速钢硬质合金、高速钢等等，一一耐磨、耐热、耐磨、耐热、 抗粘接等抗粘接等难熔金属化合物而得到的。难熔金属化合物而得到的。 涂层对刀具材料的改性和切削性能的提高有十分显著的效果，涂层对刀具材料的改性和切削性能的提高有十分显著的效果，可称为刀具材料可称为刀具材料 的的，目前，涂层刀具，目前，涂层刀具 的的。 化学气相沉积（化学气相沉积（CVD）；物理气相沉积（）；物理气相沉积（PVD）。）。 a、 （

18、9501050 ）；）； b 、（520um），适合开发多涂），适合开发多涂 层；层； c、涂层、涂层。 d、涂层为、涂层为，易生成裂纹；，易生成裂纹；处理；处理；排出废气对；排出废气对 空空 气有气有污染污染。 另，目前另，目前CVD涂层又增加了涂层又增加了700900 的的TiCN、基体材料表面富钴、基体材料表面富钴 等，提高了等，提高了CVD涂层的综和性能；由单涂层发展为多涂层。涂层的综和性能；由单涂层发展为多涂层。 a、（500 左右）；左右）； b、（25um）；）； c、涂层为、涂层为，有利于抑制裂纹，有利于抑制裂纹 的扩展；的扩展； d、刃口、刃口，刀具仍保持锋利；，刀具仍保持锋

19、利； e、表面、表面；无污染。；无污染。 f、但涂、但涂 层层。 化学气象沉积（化学气象沉积（）通常是通常是硬质合金标准刀片硬质合金标准刀片的主要涂覆工艺的主要涂覆工艺（刀片不需锋利的刃口）（刀片不需锋利的刃口） 物理气相沉积（物理气相沉积（）用于用于刀具及要求刀具及要求的的刀具及硬刀具及硬 质质。 ，不能有效的保护基体；，不能有效的保护基体；。 不同的涂层物质有其不同的最佳涂层厚度。不同的涂层物质有其不同的最佳涂层厚度。 由于涂层与基体材料之间的热膨胀系数的差由于涂层与基体材料之间的热膨胀系数的差 别，在涂层中通常会产生残余应力。在所有的别，在涂层中通常会产生残余应力。在所有的CVD法的涂层

20、中随涂层厚度的增加残余应力增大，涂层法的涂层中随涂层厚度的增加残余应力增大，涂层 材料的硬度对涂层厚度也有影响，一般涂层越硬，涂层厚度对裂纹越敏感。因此，较硬的材料的硬度对涂层厚度也有影响，一般涂层越硬，涂层厚度对裂纹越敏感。因此，较硬的TiC和和Ai2O3 涂层通常都比涂层通常都比TiN涂层要薄一些。涂层要薄一些。 有单涂层、多涂层、软有单涂层、多涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。 一般为晶粒极细的碳化物、氮化物等。分为硬涂层和软涂层。一般为晶粒极细的碳化物、氮化物等。分为硬涂层和软涂层。 应用较多的硬涂层物质是应用较多的硬涂层物质是TiC

21、、TiN、TiCN、Ai2O3及及TiAiN等；等； 并向着复合多涂层发展如：并向着复合多涂层发展如：TiC/TiCN/TiN、TiC/ Ai2O3、 TiC/ Ai2O3 /TiN。 a、 是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。它与基体的附着是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。它与基体的附着牢牢 固，在制备多涂层耐磨涂层时，常将固，在制备多涂层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜。作为与基体接触的底层膜。 b、 是继是继TiN 涂层硬度稍低，但它与金属的亲涂层硬度稍低，但它与金属的亲 和力小，润湿性能好，在容易产生粘接时和力小

22、，润湿性能好，在容易产生粘接时TiN涂层较好。涂层较好。 TiN在空气中的抗氧化能力比在空气中的抗氧化能力比 c、 Ai2O3 高温热稳定性和化学稳定性好，耐高温性能好高温热稳定性和化学稳定性好，耐高温性能好。 在高温场合下，在高温场合下， Ai2O3 涂层较好。涂层较好。但由于氧化铝与基体材料的物理化学性能相差太大，但由于氧化铝与基体材料的物理化学性能相差太大， 单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。 d、。 TiCN是在单一的是在单一的 晶格中，晶格中，N原子占据原来原子占据原来C原子在点阵中的位置而形成的复合化合物。它原子在点阵中的位置而形成的复

23、合化合物。它具具 有有TiN的综合性能，其硬度高于的综合性能，其硬度高于TiN，将，将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高 刀具的寿命。是一种较为理想的涂层刀具。刀具的寿命。是一种较为理想的涂层刀具。 加工高合金钢、不锈钢、钛合金及高速切削时，加工高合金钢、不锈钢、钛合金及高速切削时， TiAiN 涂层刀具的切削效果优于涂层刀具的切削效果优于 TiN和和 TiCN。 在切削过程中，该涂层刀具的涂层表面会生成一层很薄的非晶态在切削过程中，该涂层刀具的涂层表面会生成一层很薄的非晶态Ai2O3 ， 形成一层硬质惰性保护膜从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，可

24、更有效地用于高速切削加工形成一层硬质惰性保护膜从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，可更有效地用于高速切削加工。 是是涂层技术研究与开发中追求的涂层技术研究与开发中追求的。然而，并非所有材料都适于采用硬。然而，并非所有材料都适于采用硬 涂层刀具，如涂层刀具，如工业使用的许多工业使用的许多、或贵金属材料等都、或贵金属材料等都 。软涂层刀具的开发则可较好的解决此类材料的加工问题。软涂层刀具的开发则可较好的解决此类材料的加工问题。 a、主要成分为主要成分为，如：，如：、等。等。 b、用、用等方法将这些物质等方法将这些物质表面形成表面形成，从而使刀具材料，从而使刀具材料 具有润滑功能。摩擦发生在固体润滑膜

25、内部，减小摩擦系数和降低刀具磨损的目的。具有润滑功能。摩擦发生在固体润滑膜内部，减小摩擦系数和降低刀具磨损的目的。 d、进行软涂层时，首先要考虑涂层的摩擦特性，同时要考虑涂层与基体材料之间的合理、进行软涂层时，首先要考虑涂层的摩擦特性，同时要考虑涂层与基体材料之间的合理 匹配问题及与基体的界面结合强度。匹配问题及与基体的界面结合强度。 ，如，如粗加工粗加工应选应选的材料的材料 ； 性好的材料。性好的材料。 。如工艺系、统刚性差，应选用。如工艺系、统刚性差，应选用 强度、韧性好的刀具材料。强度、韧性好的刀具材料。 。 2、加工实例选择、加工实例选择 齿轮滚刀、拉刀齿轮滚刀、拉刀 HT250铸件中速粗（精）车铸件中速粗（精）车 高速精密镗削铝（铜）合金缸套高速精