第二节 刀具材料.ppt

1、第二节 刀具材料,刀具切削性能的优劣取决于构成切削部分的材料、几何形状和刀具结构。因此，应当重视刀具材料的正确选择和合理使用。 一、刀具材料应具备的性能 1、 高的硬度 刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC60以上； 2、高的耐磨性 耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。 3、足够的强度和韧性 为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。 4、高耐热性 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。 5、良好的热物理性能和耐热冲击性能导热系数越大，有利于提高刀具使用寿命；线膨胀系数小，则可减小热变形；,6、良好的工艺

2、性 为了便于制造须有较好的可加工性，即切削加工性、可磨削性、热处理等。 7、良好的经济性 二、高速钢 高速钢是加入了W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，具有良好的综合性能。 高速钢的抗弯强度较好，常温硬度可达HRC6265，耐热性可达600C，可以制造刃形复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。 高速钢按基本化学成分可分为钨系、钨钼系；按切削性能分，则有普通高速钢和高性能高速钢；按制造方法分，则有熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。 （一）普通高速钢 普通高速钢的工艺性能好，切削性能可满足一般工程材料的常规加工，常用品种有：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V

3、2、W14CrVMnRE和W9Mo3Cr4V。 W18Cr4V属钨系高速钢，其高温硬度约与钨钼系高速钢相当，但在高温下韧性不及钨钼系。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为4060mmin。 钨钼系高速钢W6Mo5Cr4V2中所含Mo元素可使碳化物均匀，但含V较多，磨削性能差，目前主要用于热轧刀具。,（二）高性能高速钢 调整高速钢的化学成分和添加其他合金元素，使其力学性能和切削性能有显著提高，这就是高性能高速钢。此类高速钢主要用于高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的切削加工。主要有以下几种： （1）钴高速钢 典型钢种是W2Mo9Cr4VCo8(M42)，它的特点是综合性能好，硬度高（HRC7

4、0），高温硬度在同类钢中居前列，可磨削性好，适合于切削高温合金，但价格高。 （2）铝高速钢 铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al是我国独创的新型高速钢，具有良好的综合性能，其高温硬度、抗弯强度、冲击韧度均与W2Mo9Cr4VCo8相当，价格低廉。缺点是可磨削性差，热处理工艺要求较严格。 （3）高钒高速钢 其牌号有W6Mo5Cr4V3，由于碳化钒量的增加，从而提高了钢的耐磨性，一般用于切削高强度钢，其刃磨性能比普通高速钢要差。 选用高速钢的一般原则： （1）切削一般材料用普通高速钢， W18Cr4V用得最多。 W6Mo5Cr4V2主要用于热轧刀具， W14CrVMnRE其韧性最高，可作热轧刀具。 （

5、2）如工艺系统刚性好，切削难加工材料时，简单刀具可用高钒、高钴高速钢，复杂刀具可用钨钼系低钴高速钢。,三、硬质合金,硬质合金由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。 硬质合金是当今最主要的刀具材料之一，以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等，但硬质合金由于制造工艺性差，它用于复杂刀具尚受到很大的限制。 具有高耐磨性和高耐热性（可达到8001000C），切削速度比高速钢可高出410倍。但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。 ISO将切削用的硬

6、质合金分为三类：（各种牌号的应用范围见P58表3.2） 1、 YG(K)类，即WC-Co类硬质合金 2、 YT(P)类，即WC-TiC-Co类硬质合金 3、 YW(M)类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金 以上三类硬质合金中，有些虽然含有TiC、TaC或NbC，但主要成分是WC，故统称为WC基硬质合金。近年来还出现了许多新品种，如：,以TiC为主要硬质相的，以镍和钼为粘结相的基硬质合金（也叫金属陶瓷），代号为YN，适合于碳素钢、合金钢的半精加工和精加工。 超细晶粒硬质合金是通过添加Cr2O3使晶粒细化到小于0.51.0um的硬质合金。耐磨性好，寿命可提高12倍。适用于加工冷硬铸铁、淬硬钢

7、、不锈钢、高温合金等难加工材料。 硬质合金选择的一般原则： 硬质合金的选择，主要根据工件材料和切削加工的类型。常用的硬质合金牌号及用途见表3-2所示。硬质合金含钴越多，其强度也越高，但高温硬度、耐磨性和抗热变形的能力却越低；若碳化钛含量越高，则耐磨性、高温硬度和抗热变形的能力越高，但强度却越低。碳化钽的含量越高，硬质合金的高温硬度、抗热变形能力以及抗月牙洼磨损的能力越高。 四、涂层刀具简介 涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。,涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的

8、难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金的切削速度从80mmin提高到180m/min。1976年又出现了碳化钛氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250mmin。1981年又出现了碳化钛氧化铝氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300mmin。 在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高25倍，切削速度可提高20一40o 硬质合金

9、的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9um，表面硬度可达25004200HV。 目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方面发展非常迅速。处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70一80，在铣削方面已达到50以上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。,五、其它刀具材料,1、粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢是用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的

10、钢坯，而后锻压成材或刀具形状。适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。 2、陶瓷材料 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的1020倍，其红硬性比硬质合金高26倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差。 陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达9395HRC，为提高韧性，常添加

11、少量Co、Ni等金属。氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为Si3N4+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。氮化硅氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可达1800HV，抗弯强度可达1.20GPa，最适合切削高温合金和铸铁。,3、金刚石 金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数c但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)，很少作为切削工具应用在工业中。 20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，7

12、0年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒呈无许许序排列状态不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加丁各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。 三种主要金刚石刀具材料PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为：PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差，人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀

13、性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。,金刚石刀具是目前高速切削(25005000m/min)铝合金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。 PCD人造金刚石的研究始于1940年，1954年美国正式宣告人造金刚石研制成功，并于1957年开始工业生产。瑞典也于1962年开始人造金刚石工业生产。到1969年，全世界人造金刚石的年产量为4000万克拉（当时天然金刚石的年产量为4400万克拉）。1963年中国研制成功PCD，到1996年中国人造金刚石的年产量已经达到2.4亿克拉，出口量达到68.5千万克拉。21世纪初，中国人造金刚石的最高年产量已经达到10亿克拉以上，居全世界首位。近年来亦有外国公司年产人造金刚石达1亿克拉以上。 4、 立方氮化硼 立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的