技能訓練應知篇之刀具材料課件

1、 在切削過程中，刀具直接承擔切除工件余量和形成已加工表面的任務。刀具切削性能的優(yōu)劣，取決于構成刀具切削部分的材料、幾何形狀和刀具結構。其中，刀具材料對刀具的使用壽命、加工質(zhì)量、加工效率和加工成本影響極大。應當重視刀具材料的正確選擇和合理使用，重視新型刀具材料的研制。第一節(jié)第一節(jié)刀具材料應具備的性能刀具材料應具備的性能刀具由切削部分和夾持部分組成。刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具的切削能力直接影響生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和加工成本等。刀具的切削性能，主要取決于刀具材料。刀具切削時，切削部分要與切屑、工件相互接觸，承受很大的壓力和強烈的摩擦、高溫、切削力、沖擊和振動。工作環(huán)境十分惡劣，因此，刀具材料必

2、須具備以下性能：1 1高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性以滿足刀具抵抗機械摩擦磨損的需要。硬度一般在HRC60以上。耐磨性是材料硬度、強度、化學成分、顯微組織等的綜合效果。 2 2足夠的強度和韌性足夠的強度和韌性以滿足刀刃在承受重載荷及機械沖擊時不致破損的需要。為避免崩刃和折斷，刀具材料應具有足夠的強度和韌性 。3 3高的耐熱性高的耐熱性以滿足刀具熱穩(wěn)定性的需要。高溫下應有高硬度、耐磨性、強度和韌性，才能完成切削。 4 4良好良好的導熱性和較小的膨脹系數(shù)的導熱性和較小的膨脹系數(shù)是提高加工精度的需要。導熱系數(shù)大，有利于降低切削溫度；線膨脹系數(shù)小，加工誤差小。5 5穩(wěn)定穩(wěn)定的化學性能和良好的抗粘結性

3、能的化學性能和良好的抗粘結性能是提高刀具抗化學磨損的需要。良好的性能能保障刀具在高溫、高壓下保持抗擴散、抗氧化能力，與工件材料親和力小，粘結磨損小。6 6良好良好的工藝性能和經(jīng)濟性的工藝性能和經(jīng)濟性是便于使用和推廣的需要。良好的工藝性能滿足各種加工的需要；良好的綜合經(jīng)濟性使得刀具價格不高，獲取方便，有利于推廣使用。刀具材料的種類很多，常用的刀具材料主要有工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼）、硬質(zhì)合金（包括超細晶粒硬質(zhì)合金、涂層刀具）、陶瓷和超硬刀具材料（金剛石、立方氮化硼）等四大類。目前最常用的刀具材料是各類高速鋼和各種硬質(zhì)合金，其中硬質(zhì)合金刀具的使用量占刀具使用總量的60%以上。碳素

4、工具鋼和合金工具鋼是早期使用的刀具材料，由于耐熱性很差，現(xiàn)在主要用于手工工具或低速切削刀具，已較少使用。第二節(jié)第二節(jié)高速鋼高速鋼一、高速鋼的特點一、高速鋼的特點高速鋼是加入了鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。具有較好的耐磨性和較高的熱硬性，可在500650的溫度下進行切削加工；還具有高的強度和高的沖擊韌性，以及較好的工藝性能，刃磨時能獲得鋒利的刃口，被稱為鋒鋼，另有鎢鋼和白鋼之稱。1 1高速鋼中添加元素的作用特點高速鋼中添加元素的作用特點 高速鋼具有較高的硬度和較好的耐磨性，主要是在原有材料中添加的W、Mo、Cr、V等合金元素與C化合形成了高硬度碳化物，并經(jīng)近

5、熔點淬火和低溫回火熱處理的結果。（1）鎢（W）W和C的原子結合力很強，WC能夠提高馬氏體受熱時的分解穩(wěn)定性，使高速鋼在550600時仍能保持高硬度，增加了高速鋼的熱硬性。（2）鉬（Mo）與W作用基本相同，1%的鉬可替代2%的鎢。鉬能細化碳化物晶粒，提高鋼中碳化物均勻性，提高高速鋼的韌性。（3）鉻（Cr）在高速鋼中的主要作用是提高淬透性，也可以提高回火穩(wěn)定性，并能抑制碳化物晶粒的長大。（4）釩（V）V與C的結合力比W的更強，以穩(wěn)定的VC形式存在，VC晶粒細小，分布均勻，硬度很高。釩使鋼的熱硬性提高的作用比W更強烈，并能阻止高溫時晶粒長大。2 2高速鋼的分類高速鋼的分類高速鋼根據(jù)切削性能，可分為普

6、通高速鋼和高性能高速鋼；根據(jù)化學成分，可分為鎢系、鎢鉬系和鉬系高速鋼；根據(jù)制造方法，可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。 二、普通高速鋼二、普通高速鋼普通高速鋼工藝性能好，切削性能可滿足一般工程材料的常規(guī)加工要求。常用的品種有：1 1W18Cr4V鎢系高速鋼鎢系高速鋼也稱18-4-1，其中W、Cr、V的質(zhì)量分數(shù)（即質(zhì)量含量，下同）分別為18%、4%、和1%。它具有較好的綜合性能和刃磨工藝性，可制造各種復雜刀具，但強度和韌性不夠，精加工壽命不高，且熱塑性差，正在減少應用。2 2W6Mo5Cr4V2鎢鉬系高速鋼鎢鉬系高速鋼也稱6-5-4-2，其中W、Mo、Cr、V的質(zhì)量分數(shù)分別為6%、5%、4%和2

7、%。它具有較好的 綜合性能和刃磨工藝性。由于Mo的作用，其碳化物呈細小顆粒且均勻分布，故刀具抗彎強度和沖擊韌性都高于鎢系高速鋼，并具有較好的熱塑性，適于制作熱軋刀具和大尺寸刀具。但有脫碳敏感性大和淬火溫度窄、熱處理工藝較難掌握等缺點。3 3W9Mo3Cr4V鎢鉬系高速鋼鎢鉬系高速鋼也稱9-3-4-1，W、Mo、Cr、V的質(zhì)量分數(shù)分別為9%、3%、4%和1%。這是根據(jù)我國資源研制的牌號。其抗彎強度與韌性均比6-5-4-2好。高溫熱塑性也好，而且淬火過熱、脫碳敏感性小，有良好的切削性能。三、高性能高速鋼三、高性能高速鋼高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加碳、釩（C、V），添加鈷、鋁（Co、Al）等合金

8、元素的新鋼種。耐磨性和耐熱性有顯著提高，其常溫硬度可達HRC6770，能被用于不銹鋼、耐熱鋼和高強度鋼等難加工材料的切削加工。主要有以下幾種：1 1W6Mo5Cr4V3高釩高速鋼高釩高速鋼由于將含釩（V）量提高到3%5%，從而提高了鋼的耐磨性。一般用于切削高強度鋼。但其刃磨性能比普通高速鋼差。 2 2W2Mo9Cr4VCo8鈷鈷高速鋼高速鋼它具有良好的綜合性能，加入鈷后可提高鋼的高溫硬度和抗氧化能力，因此可以提高切削速度。用于切削高溫合金、不銹鋼等難加工材料。但含鈷量高，故價格昂貴。3.3. W6Mo5Cr4V2Al鋁高速鋼鋁高速鋼鋁高速鋼是我國獨創(chuàng)的新型高速鋼種，它是在普通高速鋼中加入了少量

9、的鋁，可提高了高速鋼的耐熱性和耐磨性，具有良好的切削性能和較持久的使用壽命，且價格低廉。但其磨削性差、淬火溫度范圍窄、氧化脫碳傾向大、熱處理工藝要求較嚴格。四、粉末冶金高速鋼四、粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼是把高頻感應爐熔煉好的高速鋼鋼水置于保護氣罐中，用高壓惰性氣體（如氬氣）霧化成細小的粉末，然后用高溫（1100）、高壓（100MPa）壓制、燒結而成。它克服了一般熔煉方法產(chǎn)生的粗大共晶偏析，熱處理變形小，韌性、硬度較高，耐磨性好。用它制成的刀具，可切削各種難加工材料。和熔煉高速鋼比較，粉末冶金高速鋼具有如下優(yōu)點：（1）可獲得細小均勻的結晶組織，完全避免了碳化物偏析，提高了鋼的硬度和強度；（2

10、）鋼的物理力學性能各向同性，可減少熱處理變形與應力，可用于制造精密刀具；（3）鋼中的碳化物細小均勻，使磨削加工性得到顯著改善；（4）粉末冶金高速鋼提高了材料的利用率。粉末冶金高速鋼目前應用較少，其原因主要在于其成本較高，其價格相當于硬質(zhì)合金。因此主要用來制成各種精密刀具和形狀復雜的刀具，如拉刀、切齒刀具，以及加工高強度鋼、鎳基合金、鈦合金等難加工材料用的刨刀、鉆頭、銑刀等刀具。五、高速鋼刀具的表面涂層五、高速鋼刀具的表面涂層高速鋼刀具表面涂層處理的目的是為了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面層，提高刀具的切削性能。涂層的方法有蒸汽處理、低溫氣體氮碳共滲、輝光離子滲氮等。此外還可采用真空濺射的

11、方法在刀具表面沉積一層TiC或TiN（約10m），使刀具表面形成一層高硬度的薄膜。涂層高速鋼基體是強度、韌性好的高速鋼，表層是具有高硬度、高耐磨性的耐磨材料。刀具的切削力小，切削溫度可下降約25%，切削速度、進給量和使用壽命得到顯著提高。 幾種常用高速鋼牌號與物理力學性能見下表。第三節(jié)第三節(jié) 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金一、硬質(zhì)合金的組成與性能一、硬質(zhì)合金的組成與性能硬質(zhì)合金是由高硬度、高熔點的碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鈮NbC、碳化鉭(tn) TaC等金屬碳化物粉末，用鈷Co、鉬Mo或鎳Ni等金屬作粘結劑，經(jīng)高溫、高壓、燒結而成的粉末冶金制品。常用的硬質(zhì)合金中含有大量的WC、TiC，硬度、耐磨性、耐

12、熱性均高于高速鋼。常溫硬度達HRA8994，熱硬溫度高達8001000。切削鋼的速度可達220m/min。硬質(zhì)合金的物理力學性能取決于合金的成分、粉末顆粒粗細以及合金燒結工藝。其中，金屬碳化物所占比例大，硬質(zhì)合金的硬度就高，耐磨性也好；反之，若粘結劑的含量高，硬質(zhì)合金的硬度就會面降低，抗彎強度和沖擊韌性就有所提高。當粘結劑的含量一定時，金屬碳化物晶粒越細，硬質(zhì)合金硬度越高。合金中加入TaC、NbC有利于細化晶粒，提高了硬質(zhì)合金的耐熱性，使熱硬溫度提高到10001100，使切削鋼的速度能夠提高到200300m/min。但是，硬質(zhì)合金的抗彎強度低、韌性差，怕沖擊振動，工藝性能較差，不易做成形狀復雜

13、的整體刀具。二、普通硬質(zhì)合金的分類和使用性能二、普通硬質(zhì)合金的分類和使用性能 普通硬質(zhì)合金按其化學成分與使用性能分為四類：即鎢鈷類、鎢鈷鈦類、鎢鈷鈦鉭（鈮）類和碳化鈦基類。1 1鎢鈷類鎢鈷類（WC-Co，GB為為YG類）硬質(zhì)合金類）硬質(zhì)合金相當于ISO標準的K類，主要由硬質(zhì)相WC和粘結劑Co組成，常溫硬度為HRA8891，切削溫度可達800900，抗彎強度和沖擊韌性較好，不易崩刃，適宜加工鑄鐵等脆性材料、有色金屬和纖維層壓等非金屬材料，一般不用于普通碳鋼等塑性材料的切削加工。常用牌號主要有YG3、YG6、YG8等。2 2鎢鈷鈦類（鎢鈷鈦類（WC-Tic-Co，YT類）硬質(zhì)合金類）硬質(zhì)合金相當于

14、ISO標準P類，主要由硬質(zhì)相WC、TiC和粘結劑Co組成，常溫硬度為HRA8993，切削溫度可達8001000，YT類硬質(zhì)合金中加入了TiC，使其硬度、耐熱性、抗粘結性和抗氧化能力均有所增加，從而提高了刀具的切削速度和刀具耐用度。但YT類硬質(zhì)合金的抗彎強度和沖擊韌性較差，故主要用于一般呈帶狀長切屑的普通碳鋼及其合金鋼等塑性材料的切削。合金中含TiC量較多者適合精加工；反之，含TiC較少者適合粗加工。常用的牌號主要有YT5、YT15、YT30等。3 3鎢鈷鈦鉭（鈮）類（鎢鈷鈦鉭（鈮）類（WC-TaC（NbC）-Co，YW類）硬質(zhì)合金類）硬質(zhì)合金相當于ISO標準的M類，它是在普通硬質(zhì)合金中加入了T

15、aC或NbC等稀有難熔金屬碳化物，從而提高了硬質(zhì)合金的的韌性和耐磨性，使其具有較好的綜合切削性能。YW類硬質(zhì)合金主要用于不銹鋼、耐熱鋼的加工，也適用于普通碳鋼和鑄鐵的切削加工，可覆蓋YG類（K類）和YT類（P類）硬質(zhì)合金的應用范圍，被稱為通用型硬質(zhì)合金，常用的牌號有YW1、YW2等。4 4碳化鈦基類（碳化鈦基類（WC-TiC-TaC(NbC)-Co，YN類）硬質(zhì)合金類）硬質(zhì)合金相當于ISO標準的P類，又被稱為金屬陶瓷，它是以硬質(zhì)相TiC為主要成分，以Ni和Mo為粘結劑的硬質(zhì)合金，具有很高的硬度，與工件材料的親和力較小，可采用較高的切削速度。因此，它適用于高速精加工普通鋼、工具鋼和淬火鋼。但YN

16、類硬質(zhì)合金抗塑性變形能力差，抗崩刃性差，只適合連續(xù)切削。各種硬質(zhì)合金的牌號及其應用范圍見下頁的表3-2。表表 1 1- -1 1 各各 種種 硬硬 質(zhì)質(zhì) 合合 金金 的的 應應 用用 范范 圍圍 牌 號 應 用 范 圍 YG3X鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及 其 合 金 的 精 加 工 、 半 精 加 工 、 不 能 承受 沖 擊 載 荷 YG3鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及 其 合 金 的 精 加 工 、 半 精 加 工 、 不 能 承受 沖 擊 載 荷 YG6X普 通 鑄 鐵 、 冷 硬 鑄 鐵 、 高 溫 合 金 的 精 加 工 、 半 精 加 工 YG6鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及

17、其 合 金 的 半 精 加 工 和 粗 加 工 YG8鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及 其 合 金 、 非 金 屬 材 料 的 粗 加 工 ， 也 可用 于 斷 續(xù) 切 削 YG6A冷 硬 鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及 其 合 金 的 半 精 加 工 ， 亦 可 用 于 高錳 鋼 、 淬 硬 鋼 的 半 精 加 工 和 精 加 工 YT30碳 素 鋼 、 合 金 鋼 的 精 加 工 YT15 YT14碳 素 鋼 、 合 金 鋼 在 連 續(xù) 切 削 時 的 粗 加 工 、 半 精 加 工 ， 亦可 用 于 斷 續(xù) 切 削 時 精 加 工 YT5碳 素 鋼 、 合 金 鋼 的 粗 加 工 ， 可

18、用 于 斷 續(xù) 切 削 YW1高 溫 合 金 、 高 錳 鋼 、 不 銹 鋼 等 難 加 工 材 料 及 普 通 鋼 料 、鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及 其 合 金 的 半 精 加 工 和 精 加 工 YW2硬度、耐磨性、切削速度抗彎強度、韌性、進給量高 溫 合 金 、 高 錳 鋼 、 不 銹 鋼 等 難 加 工 材 料 及 普 通 鋼 料 、鑄 鐵 、 有 色 金 屬 及 其 合 金 的 粗 加 工 和 半 精 加 工3-2常常 用用三、其他硬質(zhì)合金及其使用性能三、其他硬質(zhì)合金及其使用性能1 1超細晶粒硬質(zhì)合金超細晶粒硬質(zhì)合金相對于WC粒度為幾個微米的普通硬質(zhì)合金，超細晶粒硬質(zhì)合金中細化了

19、WC的粒度，其中WC的粒度在0.21m之間，大多數(shù)是在0.5m以下。由于晶粒的細化使得這種硬質(zhì)合金兼?zhèn)涓哂捕群透邚姸鹊男阅?，可用于間斷切削，特別是難加工材料的間斷切削；適用于高速鋼刀具耐用度不夠，一般硬質(zhì)合金又易崩刃的場合，非常適宜象切斷和端面車削這類切削速度變化范圍很寬的加工需求。由于超細晶粒硬質(zhì)合金材料制成的刀具具有很高的刀刃強度，允許使用高速鋼刀具的幾何角度和切削用量（vc5060m/min）進行切削加工，適合制作小尺寸的鉆頭和銑刀等復雜形狀的刀具；由于可刃磨出非常鋒利的切削刃和較小的表面粗糙度，可用極小的切削深度和進給量進行精細車削和制造精密刀具。由于其性能穩(wěn)定可靠，是目前用于自動車床

20、上較理想的刀具材料。2 2涂層硬質(zhì)合金涂層硬質(zhì)合金在韌性較好的硬質(zhì)合金基體（如YT5）上，采用化學或物理氣相沉積法涂覆上硬度、耐磨性極高的難熔金屬化合物（TiC、TiN、Al2O3等）獲得。涂層厚度為510m或更薄。解決了刀具強度與硬度、耐磨性與韌性之間矛盾。使刀具具有良好的切削性能。在相同的刀具使用壽命條件下，允許采用較高的切削速度，或在相同切削速度下，能大幅度地提高刀具的使用壽命。多用于普通鋼材的精加工或半精加工。可分為單涂層（現(xiàn)已很少使用）、雙涂層和多涂層（三層和三層以上）等，品種規(guī)格繁多。3 3鋼結硬質(zhì)合金鋼結硬質(zhì)合金鋼結硬質(zhì)合金的代號為YE。它以WC、TiC作為硬質(zhì)相（占質(zhì)量分數(shù)的3

21、040），以高速鋼（或合金鋼）作粘結相（占質(zhì)量分數(shù)的6070）。鋼結硬質(zhì)合金的硬度、強度與韌性介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間；可以進行鍛造、切削、熱處理與焊接等加工，工藝性良好，所以，可用于制造拉刀、銑刀等形狀復雜的刀具，也可用來制造模具等，這也是模具制作材料的一個新的發(fā)展方向。第四節(jié)第四節(jié) 其它刀具材料其它刀具材料除了上述最常用的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具材料外，刀具材料工業(yè)發(fā)展迅速，已研制開發(fā)出多種超硬刀具材料，在制造業(yè)中得到推廣使用。以下介紹幾種目前生產(chǎn)中常用超硬刀具材料。一、陶瓷一、陶瓷陶瓷材料的化學穩(wěn)定性好，不易高溫氧化，具有很高的高溫硬度和耐磨性，在1200高溫條件下仍具有較好切削性能，與金屬

22、親和力小，不易發(fā)生粘結和擴散。但抗彎強度低、沖擊韌性差、導熱性能差、線膨脹系數(shù)大。陶瓷刀具材料主要用于冷硬鑄鐵、淬硬鋼、有色金屬等各種金屬材料的精加工和半精加工。根據(jù)化學成份，陶瓷可分為高純氧化鋁陶瓷、復合氧化鋁陶瓷和復合氮化硅陶瓷等。1 1純氧化鋁純氧化鋁Al2O3陶瓷陶瓷這類陶瓷的主要成分是氧化鋁Al2O3，加入微量氧化鎂MgO（主要作用是細化晶粒），經(jīng)冷壓燒結而成。其常溫硬度為HRA9294，抗彎強度僅為0.3920.491GPa，由于這類陶瓷材料的抗彎強度不及硬質(zhì)合金的1/21/3，韌性更低得多，因此目前已經(jīng)較少使用。2 2復合氧化鋁復合氧化鋁Al2O3-TiC陶瓷陶瓷是在Al2O3基

23、體中添加了TiC、Ni、W和Co等合金元素，經(jīng)熱壓燒結制成，常溫硬度為HRA9394，抗彎強度為0.5860.785GPa。這類陶瓷適合在中等切削速度下切削諸如冷硬鑄鐵、淬硬鋼等難加工材料。這類陶瓷還可用于加工高強度調(diào)質(zhì)鋼、鎳基或鈷基合金以及其它非金屬材料。由于TiC有效地提高了陶瓷的強度與韌性，改善了耐磨性及抗熱振性，因此這類陶瓷也可用于斷續(xù)切削條件下的銑削或刨削。 3 3復合氮化硅復合氮化硅Si3N4-TiC-Co陶瓷陶瓷這類陶瓷是將硅粉氮化、球磨后，添加助燒劑后，置于模腔內(nèi)熱壓燒結而成。其機械（力學）性能與復合氧化鋁Al2O3-TiC陶瓷相近。其性能特點是：硬度高，可達HV1800190

24、0，耐磨性好；耐熱性、抗氧化性好，切削溫度可達12001300；氮化硅與碳和金屬元素化學反應小，摩擦系數(shù)低，不易粘屑，提高了加工表面質(zhì)量。氮化硅陶瓷最大的特點是能進行高速切削灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵等材料。氮化硅陶瓷適合于精車、半精車、精銑或半精銑；還可用于精車鋁合金，實現(xiàn)以車代磨。二、金剛石二、金剛石金剛石是人類已知的地球上現(xiàn)有的最硬的材料，其硬度極高，接近于HV10000，分為天然和人造兩種。天然單晶金剛石質(zhì)量好，但資源稀少，價格昂貴，用得較少；通常采用的人造金剛石是在高溫高壓條件下由石墨轉(zhuǎn)化而成。1 1天然單晶金剛石天然單晶金剛石單晶金剛石結晶界面有一定的方向性，不同的晶面上硬度與耐磨性有較大的差異，刃磨時需選定某一平面，否則影響刃磨與使用質(zhì)量。這類刀具材料主要用于非鐵族高硬度耐磨材料和有色金屬及其合金的精密加工等重要場合。2 2人造聚晶金剛石人造聚晶金剛石（PCD）是將人造聚晶金剛石微晶在高溫高壓下再燒結而成，可