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技能训练应知篇

项目三、刀具材料技能训练应知篇之刀具材料第1页在切削过程中，刀具直接负担切除工件余量和形成已加工表面任务。刀具切削性能优劣，取决于组成刀具切削部分材料、几何形状和刀具结构。其中，刀具材料对刀具使用寿命、加工质量、加工效率和加工成本影响极大。应该重视刀具材料正确选择和合理使用，重视新型刀具材料研制。技能训练应知篇之刀具材料第2页第一节

刀具材料应具备性能刀具由切削部分和夹持部分组成。刀具材料是指刀具切削部分材料。刀具切削能力直接影响生产率、加工质量和加工成本等。刀具切削性能，主要取决于刀具材料。刀具切削时，切削部分要与切屑、工件相互接触，承受很大压力和强烈摩擦、高温、切削力、冲击和振动。工作环境十分恶劣，所以，刀具材料必须具备以下性能：技能训练应知篇之刀具材料第3页1．高硬度和耐磨性以满足刀具抵抗机械摩擦磨损需要。硬度普通在HRC60以上。耐磨性是材料硬度、强度、化学成份、显微组织等综合效果。2．足够强度和韧性以满足刀刃在承受重载荷及机械冲击时不致破损需要。为防止崩刃和折断，刀具材料应含有足够强度和韧性。3．高耐热性以满足刀具热稳定性需要。高温下应有高硬度、耐磨性、强度和韧性，才能完成切削。技能训练应知篇之刀具材料第4页4．良好导热性和较小膨胀系数是提升加工精度需要。导热系数大，有利于降低切削温度；线膨胀系数小，加工误差小。5．稳定化学性能和良好抗粘结性能是提升刀具抗化学磨损需要。良好性能能保障刀具在高温、高压下保持抗扩散、抗氧化能力，与工件材料亲和力小，粘结磨损小。6．良好工艺性能和经济性是便于使用和推广需要。良好工艺性能满足各种加工需要；良好综合经济性使得刀具价格不高，获取方便，有利于推广使用。技能训练应知篇之刀具材料第5页刀具材料种类很多，惯用刀具材料主要有工具钢（包含碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金（包含超细晶粒硬质合金、涂层刀具）、陶瓷和超硬刀具材料（金刚石、立方氮化硼）等四大类。当前最惯用刀具材料是各类高速钢和各种硬质合金，其中硬质合金刀具使用量占刀具使用总量60%以上。碳素工具钢和合金工具钢是早期使用刀具材料，因为耐热性很差，现在主要用于手工工具或低速切削刀具，已较少使用。技能训练应知篇之刀具材料第6页第二节高速钢一、高速钢特点高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素高合金工具钢。含有很好耐磨性和较高热硬性，可在500650℃温度下进行切削加工；还含有高强度和高冲击韧性，以及很好工艺性能，刃磨时能取得尖锐刃口，被称为锋钢，另有钨钢和白钢之称。技能训练应知篇之刀具材料第7页1．高速钢中添加元素作用特点高速钢含有较高硬度和很好耐磨性，主要是在原有材料中添加W、Mo、Cr、V等合金元素与C化合形成了高硬度碳化物，并经近熔点淬火和低温回炽热处理结果。（1）钨（W）W和C原子结协力很强，WC能够提升马氏体受热时分解稳定性，使高速钢在550~600℃时仍能保持高硬度，增加了高速钢热硬性。（2）钼（Mo）与W作用基本相同，1%钼可替换2%钨。钼能细化碳化物晶粒，提升钢中碳化物均匀性，提升高速钢韧性。技能训练应知篇之刀具材料第8页（3）铬（Cr）在高速钢中主要作用是提升淬透性，也能够提升回火稳定性，并能抑制碳化物晶粒长大。（4）钒（V）V与C结协力比W更强，以稳定VC形式存在，VC晶粒细小，分布均匀，硬度很高。钒使钢热硬性提升作用比W更强烈，并能阻止高温时晶粒长大。2．高速钢分类高速钢依据切削性能，可分为普通高速钢和高性能高速钢；依据化学成份，可分为钨系、钨钼系和钼系高速钢；依据制造方法，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。技能训练应知篇之刀具材料第9页二、普通高速钢普通高速钢工艺性能好，切削性能可满足普通工程材料常规加工要求。惯用品种有：1．W18Cr4V钨系高速钢也称18-4-1，其中W、Cr、V质量分数（即质量含量，下同）分别为18%、4%、和1%。它含有很好综合性能和刃磨工艺性，可制造各种复杂刀具，但强度和韧性不够，精加工寿命不高，且热塑性差，正在降低应用。2．W6Mo5Cr4V2钨钼系高速钢也称6-5-4-2，其中W、Mo、Cr、V质量分数分别为6%、5%、4%和2%。它含有很好技能训练应知篇之刀具材料第10页综合性能和刃磨工艺性。因为Mo作用，其碳化物呈细小颗粒且均匀分布，故刀具抗弯强度和冲击韧性都高于钨系高速钢，并含有很好热塑性，适于制作热轧刀具和大尺寸刀具。但有脱碳敏感性大和淬火温度窄、热处理工艺较难掌握等缺点。3．W9Mo3Cr4V钨钼系高速钢也称9-3-4-1，W、Mo、Cr、V质量分数分别为9%、3%、4%和1%。这是依据我国资源研制牌号。其抗弯强度与韧性均比6-5-4-2好。高温热塑性也好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好切削性能。技能训练应知篇之刀具材料第11页三、高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢中增加碳、钒（C、V），添加钴、铝（Co、Al）等合金元素新钢种。耐磨性和耐热性有显著提升，其常温硬度可达HRC67~70，能被用于不锈钢、耐热钢和高强度钢等难加工材料切削加工。主要有以下几个：1．W6Mo5Cr4V3高钒高速钢因为将含钒（V）量提升到3%~5%，从而提升了钢耐磨性。普通用于切削高强度钢。但其刃磨性能比普通高速钢差。技能训练应知篇之刀具材料第12页2．W2Mo9Cr4VCo8钴高速钢它含有良好综合性能，加入钴后可提升钢高温硬度和抗氧化能力，所以能够提升切削速度。用于切削高温合金、不锈钢等难加工材料。但含钴量高，故价格昂贵。3.

W6Mo5Cr4V2Al铝高速钢铝高速钢是我国独创新型高速钢种，它是在普通高速钢中加入了少许铝，可提升了高速钢耐热性和耐磨性，含有良好切削性能和较持久使用寿命，且价格低廉。但其磨削性差、淬火温度范围窄、氧化脱碳倾向大、热处理工艺要求较严格。技能训练应知篇之刀具材料第13页四、粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是把高频感应炉熔炼好高速钢钢水置于保护气罐中，用高压惰性气体（如氩气）雾化成细小粉末，然后用高温（1100℃）、高压（100MPa）压制、烧结而成。它克服了普通熔炼方法产生粗大共晶偏析，热处理变形小，韧性、硬度较高，耐磨性好。用它制成刀具，可切削各种难加工材料。和熔炼高速钢比较，粉末冶金高速钢含有以下优点：（1）可取得细小均匀结晶组织，完全防止了碳化物偏析，提升了钢硬度和强度；技能训练应知篇之刀具材料第14页（2）钢物理力学性能各向同性，可降低热处理变形与应力，可用于制造精密刀具；（3）钢中碳化物细小均匀，使磨削加工性得到显著改进；（4）粉末冶金高速钢提升了材料利用率。粉末冶金高速钢当前应用较少，其原因主要在于其成本较高，其价格相当于硬质合金。所以主要用来制成各种精密刀具和形状复杂刀具，如拉刀、切齿刀具，以及加工高强度钢、镍基合金、钛合金等难加工材料用刨刀、钻头、铣刀等刀具。技能训练应知篇之刀具材料第15页五、高速钢刀具表面涂层高速钢刀具表面涂层处理目标是为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好表面层，提升刀具切削性能。涂层方法有蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。另外还可采取真空溅射方法在刀具表面沉积一层TiC或TiN（约10μm），使刀具表面形成一层高硬度薄膜。涂层高速钢基体是强度、韧性好高速钢，表层是含有高硬度、高耐磨性耐磨材料。刀具切削力小，切削温度可下降约25%，切削速度、进给量和使用寿命得到显著提升。技能训练应知篇之刀具材料第16页几个惯用高速钢牌号与物理力学性能见下表。技能训练应知篇之刀具材料第17页第三节硬质合金一、硬质合金组成与性能硬质合金是由高硬度、高熔点碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化铌NbC、碳化钽(tăn)TaC等金属碳化物粉末，用钴Co、钼Mo或镍Ni等金属作粘结剂，经高温、高压、烧结而成粉末冶金制品。惯用硬质合金中含有大量WC、TiC，硬度、耐磨性、耐热性均高于高速钢。常温硬度达HRA89~94，热硬温度高达800~1000℃。切削钢速度可达220m/min。技能训练应知篇之刀具材料第18页硬质合金物理力学性能取决于合金成份、粉末颗粒粗细以及合金烧结工艺。其中，金属碳化物所占百分比大，硬质合金硬度就高，耐磨性也好；反之，若粘结剂含量高，硬质合金硬度就见面降低，抗弯强度和冲击韧性就有所提升。当粘结剂含量一定时，金属碳化物晶粒越细，硬质合金硬度越高。合金中加入TaC、NbC有利于细化晶粒，提升了硬质合金耐热性，使热硬温度提升到1000~1100℃，使切削钢速度能够提升到200~300m/min。不过，硬质合金抗弯强度低、韧性差，怕冲击振动，工艺性能较差，不易做成形状复杂整体刀具。技能训练应知篇之刀具材料第19页二、普通硬质合金分类和使用性能

普通硬质合金按其化学成份与使用性能分为四类：即钨钴类、钨钴钛类、钨钴钛钽（铌）类和碳化钛基类。1．钨钴类（WC-Co，GB为YG类）硬质合金相当于ISO标准K类，主要由硬质相WC和粘结剂Co组成，常温硬度为HRA88～91，切削温度可达800～900℃，抗弯强度和冲击韧性很好，不易崩刃，适宜加工铸铁等脆性材料、有色金属和纤维层压等非金属材料，普通不用于普通碳钢等塑性材料切削加工。惯用牌号主要有YG3、YG6、YG8等。技能训练应知篇之刀具材料第20页2．钨钴钛类（WC-Tic-Co，YT类）硬质合金相当于ISO标准P类，主要由硬质相WC、TiC和粘结剂Co组成，常温硬度为HRA89~93，切削温度可达800~1000℃，YT类硬质合金中加入了TiC，使其硬度、耐热性、抗粘结性和抗氧化能力都有所增加，从而提升了刀具切削速度和刀具耐用度。但YT类硬质合金抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于普通呈带状长切屑普通碳钢及其合金钢等塑性材料切削。合金中含TiC量较多者适合精加工；反之，含TiC较少者适合粗加工。惯用牌号主要有YT5、YT15、YT30等。技能训练应知篇之刀具材料第21页3．钨钴钛钽（铌）类（WC-TaC（NbC）-Co，YW类）硬质合金相当于ISO标准M类，它是在普通硬质合金中加入了TaC或NbC等稀有难熔金属碳化物，从而提升了硬质合金韧性和耐磨性，使其含有很好综合切削性能。YW类硬质合金主要用于不锈钢、耐热钢加工，也适合用于普通碳钢和铸铁切削加工，可覆盖YG类（K类）和YT类（P类）硬质合金应用范围，被称为通用型硬质合金，惯用牌号有YW1、YW2等。技能训练应知篇之刀具材料第22页4．碳化钛基类（WC-TiC-TaC(NbC)-Co，YN类）硬质合金相当于ISO标准P类，又被称为金属陶瓷，它是以硬质相TiC为主要成份，以Ni和Mo为粘结剂硬质合金，含有很高硬度，与工件材料亲和力较小，可采取较高切削速度。所以，它适合用于高速精加工普通钢、工具钢和淬火钢。但YN类硬质合金抗塑性变形能力差，抗崩刃性差，只适合连续切削。各种硬质合金牌号及其应用范围见下页表3-2。技能训练应知篇之刀具材料第23页3-2常用技能训练应知篇之刀具材料第24页三、其它硬质合金及其使用性能1．超细晶粒硬质合金相对于WC粒度为几个微米普通硬质合金，超细晶粒硬质合金中细化了WC粒度，其中WC粒度在0.2~1μm之间，大多数是在0.5μm以下。因为晶粒细化使得这种硬质合金兼备高硬度和高强度性能，可用于间断切削，尤其是难加工材料间断切削；适合用于高速钢刀具耐用度不够，普通硬质合金又易崩刃场所，非常适宜象切断和端面车削这类切削速度改变范围很宽加工需求。技能训练应知篇之刀具材料第25页因为超细晶粒硬质合金材料制成刀具含有很高刀刃强度，允许使用高速钢刀具几何角度和切削用量（vc<50~60m/min）进行切削加工，适合制作小尺寸钻头和铣刀等复杂形状刀具；因为可刃磨出非常尖锐切削刃和较小表面粗糙度，可用极小切削深度和进给量进行精细车削和制造精密刀具。因为其性能稳定可靠，是当前用于自动车床上较理想刀具材料。技能训练应知篇之刀具材料第26页2．涂层硬质合金在韧性很好硬质合金基体（如YT5）上，采取化学或物理气相沉积法涂覆上硬度、耐磨性极高难熔金属化合物（TiC、TiN、Al2O3等）取得。涂层厚度为5~10m或更薄。处理了刀具强度与硬度、耐磨性与韧性之间矛盾。使刀具含有良好切削性能。在相同刀具使用寿命条件下，允许采取较高切削速度，或在相同切削速度下，能大幅度地提升刀具使用寿命。多用于普通钢材精加工或半精加工。可分为单涂层（现已极少使用）、双涂层和多涂层（三层和三层以上）等，品种规格繁多。技能训练应知篇之刀具材料第27页3．钢结硬质合金钢结硬质合金代号为YE。它以WC、TiC作为硬质相（占质量分数30~40％），以高速钢（或合金钢）作粘结相（占质量分数60~70％）。钢结硬质合金硬度、强度与韧性介于高速钢和硬质合金之间；能够进行铸造、切削、热处理与焊接等加工，工艺性良好，所以，可用于制造拉刀、铣刀等形状复杂刀具，也可用来制造模具等，这也是模具制作材料一个新发展方向。技能训练应知篇之刀具材料第28页第四节其它刀具材料除了上述最惯用高速钢和硬质合金刀具材料外，刀具材料工业发展快速，已研制开发出多种超硬刀具材料，在制造业中得到推广使用。以下介绍几个当前生产中惯用超硬刀具材料。一、陶瓷陶瓷材料化学稳定性好，不易高温氧化，含有很高高温硬度和耐磨性，在1200℃高温条件下仍含有很好切削性能，与金属亲和力小，不易发生粘结和扩散。但抗弯强度低、冲击韧性差、导热性能差、线膨胀系数大。技能训练应知篇之刀具材料第29页陶瓷刀具材料主要用于冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属等各种金属材料精加工和半精加工。依据化学成份，陶瓷可分为高纯氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷等。1．纯氧化铝Al2O3陶瓷这类陶瓷主要成份是氧化铝Al2O3，加入微量氧化镁MgO（主要作用是细化晶粒），经冷压烧结而成。其常温硬度为HRA92~94，抗弯强度仅为0.392~0.491GPa，因为这类陶瓷材料抗弯强度不及硬质合金1/2~1/3，韧性更低得多，所以当前已经较少使用。技能训练应知篇之刀具材料第30页2．复合氧化铝Al2O3-TiC陶瓷是在Al2O3基体中添加了TiC、Ni、W和Co等合金元素，经热压烧结制成，常温硬度为HRA93~94，抗弯强度为0.586~0.785GPa。这类陶瓷适合在中等切削速度下切削诸如冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料。这类陶瓷还可用于加工高强度调质钢、镍基或钴基合金以及其它非金属材料。因为TiC有效地提升了陶瓷强度与韧性，改进了耐磨性及抗热振性，所以这类陶瓷也可用于断续切削条件下铣削或刨削。技能训练应知篇之刀具材料第31页3．复合氮化硅Si3N4-TiC-Co陶瓷这类陶瓷是将硅粉氮化、球磨后，添加助烧剂后，置于模腔内热压烧结而成。其机械（力学）性能与复合氧化铝Al2O3-TiC陶瓷相近。其性能特点是：硬度高，可达HV1800~1900，耐磨性好；耐热性、抗氧化性好，切削温度可达1200~1300℃；氮化硅与碳和金属元素化学反应小，摩擦系数低，不易粘屑，提升了加工表面质量。氮化硅陶瓷最大特点是能进行高速切削灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等材料。氮化硅陶瓷适合于精车、半精车、精铣或半精铣；还可用于精车铝合金，实现以车代磨。技能训练应知篇之刀具材料第32页二、金刚石金刚石是人类已知地球上现有最硬材料，其硬度极高，靠近于HV10000，分为天然和人造两种。天然单晶金刚石质量好，但资源稀少，价格昂贵，用得较少；通常采取人造金刚石是在高温高压条件下由石墨转化而成。1．天然单晶金刚石单晶金刚石结晶界面有一定方向性，不一样晶面上硬度与耐磨性有较大差异，刃磨时需选定某一平面，不然影响刃磨与使用质量。这类刀具材料主要用于非铁族高硬度耐磨材料和有色金属及其合金精密加工等主要场所。技能训练应知篇之刀具材料第33页2．人造聚晶金刚石（PCD）是将人造聚晶金刚石微晶在高温高压下再烧结而成，可制成所需尺寸与形状，镶嵌或焊接在刀杆上使用。聚晶金刚石结晶界面无固定方向，可自由刃磨。其抗冲击强度被提升，可选取较大切削用量和刀具角度。主要用于刃磨硬质合金、切割大理石等石材制