《金属切削原理与刀具》课件 2刀具材料

第二章

刀具材料刀具切削部分材料的性能

切削部分的几何参数刀具结构

切削生产率、刀具使用寿命刀具消耗、加工成本加工精度、表面质量本章主要讲解刀具切削部分材料性能；常用刀具材料牌号、性能与选用。刀具切削性能的好坏刀具材料（3）高的耐热性（2）足够的强度和韧性2.1刀具材料应具备的性能

刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性刀具材料应具备以下性能：（1）高硬度和高耐磨性（4）良好的工艺性（1）高的硬度和耐磨性硬度：刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在62HRC以上。

对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。耐磨性：表示材料抵抗磨损的能力

一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。（2）足够的强度与韧性刀具材料在切削时要受到很大的切削力及冲击和振动。

如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。一般刀具材料的强度用抗弯强度бb表示，韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力。一般刀具材料强度高，韧性则好，但硬度和耐磨性显著降低。（3）高的耐热性（热硬性、红硬性）刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志。（综合指标）耐热性指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、韧性的能力。通常用高温硬度值来衡量。

刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强，切削性能越好，允许的切削速度越高。此外刀具材料在高温下还应具有抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力（化学稳定性）；还应有良好的导热性好和耐热冲击性。（4）良好的工艺性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性（制造和刃磨刀具的难易程度），如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等性能。经济性—评价新型刀具材料的重要指标之一；正确选用刀具材料、降低产品成本主要依据之一。

价格低廉、成本低、资源丰富、立足国内小结

选择刀具材料时很难找到各方面的性能都是最佳的，因为材料性能之间有的是相互制约的。只能根据工艺需要保证主要需求的性能。

如：粗加工锻件毛坯加工硬材料

四大类：工具钢超硬刀具材料

耐热性差，抗弯强度高，价格便宜，焊接与刃磨性好，用于手工工具及中低速切削的成形刀具。

生产中用的最多、最广。

耐热性好，生产效率高，刀片强度韧性不及工具钢，焊接与刃磨性也比工具钢差，多用于制作车刀、铣刀及各种高效切削刀具。

强度低、脆性大，成本高，仅用于某些有限的场合。使用量日益增长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2.2常用刀具材料图2-1各类刀具材料硬度和韧性一、高速钢

（一）概念

高速钢（又名“锋钢”）是一种加入了较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。

（二）性能

①一定的硬度和耐磨性

硬度一般为63～66HRC。

②较高的热稳定性

在切削温度高达500～650℃时尚能保持高硬度。

③切削速度高

比碳素工具钢、合金工具钢速度提高了1～3倍，故得名“高速钢”。

④较高强度和韧性

适于加工从有色金属到高温合金的范围广泛的金属材料。⑤良好的工艺性

制造工艺简单，具有特别好的冷加工工艺性（在热处理前，高速钢可以象一般中碳钢一样的进行各种加工；热处理后，高速钢刀具可以磨出锋利的切削刃。）、磨削加工工艺性和较好的热加工工艺性。

在钻头、丝锥、拉刀、齿轮刀具、成形刀具等低速小型、复杂及成形刀具制造中，高速钢仍占主导地位。综合性能好、应用范围广

（三）分类

1、普通（通用）高速钢（1）钨系高速钢（W18Cr4V简称

W18）应用最早，钢磨削性能和综合性能好，通用性强，可以制造各种复杂刀具。

碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。

钨是稀有金属，使用较少。（2）钨钼系高速钢（以钼代钨，含钨较少）①W6Mo5Cr4V2简称

M2优点：碳化物颗粒细小，分布均匀，具有良好的力学性能；抗弯强度、韧性比W18钢高，能承受较大冲击力；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。缺点：耐热性稍低于W18；热处理时脱碳倾向大，易氧化；淬火温度范围窄。②W9Mo3Cr4V简称

W9（据我国资源研制）具有良好的力学性能、热塑性和可磨性，热处理温度范围宽，抗弯强度、冲击韧性和热稳定性均高于M2钢，脱碳倾向比M2钢小得多，可用于制造各种刀具（锯条、齿轮刀具、钻头、拉刀、铣刀等）。加工各种钢材时，刀具寿命比W18和M2都有一定提高。

2、高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢中增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。目的是为了提高高速钢的耐热性和耐磨性。具有较高的耐热性，更好的切削性能，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。

适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。

（1）钴高速钢应用最广：W2Mo9Cr4VCo8（M42）良好的综合性能，硬度高，允许较高切削速度，韧性好，可磨削性好，加工耐热合金、不锈钢时，刀具寿命较普通高速钢有明显提高。

（2）铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al（501）在M2基础上加Al增C600℃时硬度达到54HRC，切削性能接近M42钢，可磨性低于M42，热处理温度较难控制。立足于我国资源研制，成本低，已推广使用。

表2-1高速钢的力学性能及主要用途3、粉末冶金高速钢

用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水，得到高速钢粉末，然后在高温高压下，将粉末压制成致密的钢坯，最后再轧制（或锻造）成材。

优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；耐磨性好；节约钢材和工时。适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。各类高速钢刀具高速钢材料制成的中心钻

硬质合金是由高硬度的难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金属粘结剂（如Co、Ni等）用粉末冶金方法制成的一种刀具材料。二、硬质合金（一）主要性能硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89～93HRA，耐热性可达800～1000℃。抗弯强度、抗冲击韧性比高速钢低，工艺性比高速钢稍差，硬度、耐热性比高速钢高，切削速度比高速钢提高4～10倍。已成为切削加工中主要的刀具材料，广泛用在切削速度较高的各种刀具甚至复杂刀具中。

主要用于制造如车刀、刨刀、铣刀、深孔钻、铰刀等刀具。

硬质合金的力学性能，主要取决于金属碳化物的种类、数量、颗粒粗细和粘化剂的种类、数量。

碳化物多→硬度高、耐磨性好

粘结剂多→抗弯强度高细晶粒强度低于粗晶粒细晶粒硬度高于粗晶粒（二）普通硬质合金

1、K类硬质合金（WC+Co）（YG）成分：90%~97%WC+3%~10%Co常用牌号：YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YG8C

含钴越多，强度越高，硬度、耐热性、耐磨性越低，适宜粗加工；含碳化钨越多，硬度、耐热性、耐磨性越高，强度越低，适宜精加工。YG类具有较高的抗弯强度和韧性，所以主要用于加工铸铁，也适用于加工有色金属和非金属材料。此外，YG类硬质合金还适用于加工钛合金和不锈钢。2、P类硬质合金（WC+TiC+Co）（YT

）成分：5%~40%TiC，其余为WC+Co常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30此类合金有较高的硬度、耐磨性和耐热性，主要用于加工切屑成呈带状的钢件等塑性材料。

合金中含TiC量越多，则硬度、耐热性和耐磨性越高，强度越低→粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。3、M类硬质合金（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）（YW）成分：5%~10%TiC+TaC（NbC）

，其余为WC+Co常用牌号：YW1、YW2YW类硬质合金兼有YG类和YT类的优点，具有硬度高、耐热性好和强度高、韧性好的特点。适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工，故被称为通用硬质合金。

（三）其他硬质合金

1、TiC、TiN基硬质合金相当于P类硬质合金，硬度高于WC基。主要用于合金钢、淬硬钢精加工和半精加工。

2、超细晶粒硬质合金晶粒可达0.2～1μm主要用于不锈钢、钛合金等难加工材料的断续加工，允许用较低切削速度切削。

3、钢结硬质合金WC、TiC作硬质相，高速钢作粘结相，粉末冶金方法制成。主要用于制造结构复杂耐磨的刀具及某些特殊刀具。选用加工铸铁、有色金属及非金属材料→YG

(高速切削可选YT)加工钢料→YT

低速切削可选YG粗加工时，要求刀具抗弯强度和冲击韧性高→选用含钴量多的硬质合金精加工时，要求刀具硬度、耐磨性、耐热性高→选用含钴量少的硬质合金各类硬质合金钢刀具三、涂层刀具概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层或多层硬度和耐磨性很高的难熔金属化合物而制成。常用的涂层材料有：TiC、TiN、TiCN

、Al2O3等。涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层。

优点：涂层刀具具有较好的综合性能，基体强度韧性较好，表面有高的硬度、耐磨性、耐热性，因此具有较高的刀具耐用度。（涂层硬质合金刀具耐用度提高1～3倍，涂层高速钢刀具耐用度提高2～10倍。）缺点：刃口锋利程度、抗崩刃性不及普通合金适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。1、涂层高速钢刀具采用物理气相沉积法（PVD）涂层，沉积温度500℃左右。用钝后可重磨后再用。特别适合加工钢材；适用于结构较复杂的工具。2、涂层硬质合金刀具采用化学气相沉积法（CVD）涂层，沉积温度1000℃左右。大多采用复合涂层。其制造的可转位刀片广泛用于数控机床和加工中心。适用于各种钢材、铸铁的精加工和半精加工，负荷较轻的粗加工也可使用。涂层硬质合金刀片2.3其他刀具材料一、陶瓷材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。

特点：（1）有很高的硬度和耐磨性。常温硬度达91~95HRA，可切削60HRC以上的硬材料；耐磨性为一般硬质合金的5倍，刀具寿命比硬质合金高；（2）有很高的耐热性。1200℃维持80HRA，再高温还能切削，切削速度比硬质合金提高2~5倍。（3）有很高的化学稳定性。陶瓷与金属亲和力小。（4）有较低的摩擦系数。切屑与刀具不易粘结。（5）强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。热导率仅为硬质合金的1/2~1/5。适用范围：高速精细加工硬材料。常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（1）氧化铝陶瓷第一代陶瓷刀具材料

50年代使用。强度、韧性差，切削刃易微崩，使用范围很有限。（2）氧化铝—碳化物系陶瓷

70年代使用。将一定量碳化物（多用TiC）添加到Al2O3中热压烧结而成。TiC达30%可有效提高陶瓷的密度、强度与韧性，使刀片不易产生热裂纹，不易破损。适于中高速加工冷硬铸铁、淬硬钢及高强度钢等难加工材料。（3）氮化硅基陶瓷新型陶瓷刀具材料

80年代使用。有氮化硅陶瓷、Al2O3-Si3N4陶瓷。硬度高，强度、韧性高，耐热性高，耐热冲击性高，抗氧化性能好，摩擦系数小。能高速切削，速度可达500～600m/min。适于精车、半精车，精铣、半精铣，可加工冷硬铸铁、高速钢、镍基合金、钛合金等难加工材料。氮化硅陶瓷刀具二、立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由软的六方氮化硼（白石墨）为原料在高温高压下加入催化剂转变而成。70年代发展起来的新型刀具材料。性能：

（1）有很高的硬度及耐磨性。显微硬度为8000～9000HV，仅次于金刚石。加工淬火钢，刀具寿命比硬质合金提高3～15倍。

（2）有很高的热稳定性。耐热性可达1400～1500℃，适合在高速下切削高温合金。

（3）化学稳定性好。CBN与铁系金属在1200～1300℃时也不起化学反应，可高速切削淬火钢、冷硬铸铁。

（4）有较高的导热性和较小的摩擦系数。热导率为金刚石的1/2但远高于陶瓷刀具，随温度升高而增加。

（5）强度和韧性较差。抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2，一般只用于精加工。适用范围：

适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。不适合加工塑性大的钢铁金属和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金。CBN脆性大，不宜低速切削，常采用负前角的高速切削，发挥高温硬度性能。种类：1、整体聚晶立方氮化硼刀片

可用于车刀、镗刀、铰刀等。2、立方氮化硼复合刀片

充分发挥刀刃（CBN）的耐磨性和基体（WC）的韧性综合作用，扩大使用范围，降低成本。立方氮化硼刀具三、金刚石

金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。特点：（1）有极高的硬度和耐磨性。可加工65~70HRC材料，耐磨性是硬质合金的60～80倍，刀具寿命提高几倍到几十倍。（2）切削刃锋利。能实现超精密微量加工和镜面加工。（3）有很好的导热性。热膨胀系数低，切削加工时不会产生很大热变形，利于精密加工。（4）耐热性差。温度超过800℃碳化失去切削能力，高温下