第二章 刀具材料
第一节 概述 第二节 高速钢 第三节 硬质合金 第四节 陶瓷 第五节 超硬刀具材料
第一节 概述
一、刀具材料应具备的性能
1.足够的硬度
刀具硬度应高于工件材料的硬度, 常温硬度一般须在HRC60以上。 耐磨性是指材料抵抗磨损的能力, 它与材料硬度、强度和组织结构有 关。 切削时刀具要承受较大的切削力、 冲击和振动,为避免崩刀和折断, 刀具材料应具有足够的强度和韧性。 材料的强度和韧性通常用抗弯强度 和冲击韧性表示。
和耐磨性
2.足够的强度 与韧性
·
3.较高的耐热 性和传热性
耐热性:指刀具材料在高温下保 持足够的硬度、耐磨性、强度和 韧性、抗氧化性、抗黏结性和抗 扩散性的能力(亦称为热稳定性)。 热硬性:材料在高温下仍保持高 硬度的能力称为热硬性(亦称高温 硬度、红硬性)
4.较好的工艺 性和经济性
为了便于刀具加工制造,刀具材料 要有良好的工艺性能,如热轧、锻 造、焊接、热处理和机械加工等性 能。
注意:上述几项性能之间可能相互矛盾(如硬度 高的刀具材料,其强度和韧性较低)。没有一种 刀具材料能具备所有性能的最佳指标,而是各有 所长。所以在选择刀具材料时应合理选用。
表2-1 各种刀具材料的物理力学性能
(续)
(续)
返回本 章目录
二、刀具材料的类型
1.刀体材料
一般刀体均用普通碳钢或合金钢制作。常用
45钢或40Cr制造。
机夹、可转位如9SiCr或GCr15等制成刀体。
2.切削部分材料
目前刀具材料分四大类:工具钢、硬质合金、
陶瓷及超硬刀具材料等。
表4-1 各种刀具材料的物理力学性能
第二节 高 速 钢
?
高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工
具钢。在工厂中常称为白钢或锋钢。
?
高速钢的特点
与碳素工具钢、合金工具钢相比,高速钢的热硬性很高,
在切削温度高达500℃~650℃时,仍能保持60HRC的高硬 度,因此允许切削速度可提高l~2倍(25m/min~30m/min)。 同时,高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。
?
?
与硬质合金相比,其最大优点是可加工性好并具有良好 的综合力学性能。其退火硬度为207HBS~255HBS,与优质 中、高碳钢的退火硬度相近,能够用一般材料刀具顺利切削 加工出各种复杂形状;在加热状态下(900℃~1100℃)能反 复锻打制成所需的毛坯;高速钢的抗弯强度是硬质合金的 3~5倍,冲击韧性是硬质合金的6~10倍;经过仔细研磨, 高速钢刀具钝圆半径可小于,其锋利性比硬质合金优良。
总之,高速钢的切削性能比工具钢好得多,而可加工性 能又比硬质合金好得多。
?
应用:高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具 的基本材料,是应用最广泛的刀具材料之一。
?
?
常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类:普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。 一、 通用性高速钢 特点:工艺性能好,具有较高的硬度、强度、耐磨性和
韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的
切削速度通常不高于40m/min~60m/min。 普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。 (1) 钨系高速钢。这类高速钢的典型牌号为W18Cr4V( 简称W18),含C量为0.7%~0.8%,含W18%,Cr4%、V1%。 此类高速钢综合性能较好,可制造各种复杂刃型刀具。
?
2.、 钨钼系高速钢。它是以Mo代替部分W发展起来的一种高
速钢,典型牌号是W6Mo5 Cr4V2(简称M2),含碳量为 0.8%~0.9%,含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。
?
与W18Cr4V相比,优点是碳化物含量相应减少,而且颗 粒细小分布均匀,因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略 有提高,适于制造尺寸较大、承受冲击力较大的刀具(如滚刀、 插刀);又因Mo的存在,使其热塑性非常好,故特别适于轧
制或扭制钻头等热成形刀具。其主要缺点是可磨削性略低于
W18Cr4V。
?
二、高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、
Co(钴)、Al(铝)等合金元素,进一步提高耐热性能和耐磨性。
这类高速钢刀具的耐用度为普通高速钢的1.5~3倍。 应用:加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加 工材料。 (1) 钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8,简称M42)。这是一种含
Co超硬高速钢,常温硬度达67HRC~69HRC,具有良好的综
合性能。Co能提高高温硬度,相应地提高了切削速度,因V 含量不高,可磨性良好。
(2) 铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al,简称501)。铝高速钢是我 国研制的无钴高速钢,是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、 碳的含量,以提高钢的耐热性和耐磨性,并使其强度和韧性
?
不降低。 三、 粉末冶金高速钢
粉末冶金高速钢:是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体 雾化成细小粉末,将粉末在高温高压下制成刀坯,或压制成 钢坯然后经轧制(或锻造)成材的一种刀具材料。 特点:与熔炼高速钢相比,由于碳化物细小,分布均匀, 热处理变形小,因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均 得到显著改善。 应用:适于制造切削难加工材料的刀具,特别适于制造 各种精密刀具和形状复杂的刀具。
第三节
一. 硬质合金的组成与特点
硬质合金
硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物 微米数量级粉末与金属黏结剂按粉末冶金工艺制成 的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、 NbC等,常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni等。 硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等 特点,在800℃~1000℃仍能完成切削加工。缺点 是抗弯强度低,冲击韧性差,可加工性差。
二、 常用硬质合金的分类、性能及应用
(1) 钨钴类硬质合金:YG3、YG6X和YG8等。YG代 表钨钴类硬质合金,后面数字表示Co的百分含量,X 表示细粒,YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导热性 较高。适用于加工铸铁、有色金属合金等脆性材料。
(2) 钨钴钛类硬质合金:YT5、YT15、YT30等。
YT代表钨钴类硬质合金,后面数字表示TiC的百分含
量,YT类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高,
但导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和可焊性却 有所降低。适用于加工钢材等塑性材料。
注意:当加工淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢
等难加工材料时,由于切削力大,且集中在切削刃
附近,如选用YT类硬质合金易造成崩刃,故选用YG
类硬质合金更为合适。
(3) 钨钛钽铌类硬质合金:是在YG类、YT类硬 质合金的基础上加入适量的合金碳化物TaC、NbC等 所形成的硬质合金新品种。如:YW1和YW2。它有 更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。即可用于 加工铸铁,也可用于加工钢材,常用于半精加工和 精加工。
(4) TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC
为主体,Ni与Mo为黏结剂,并加入少量其他碳
化物而形成的一种硬质合金。如:YN10和
YN05。其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、
耐热性和抗氧化能力,但热导率低和韧性较差。
应用:适用于工具钢的半精加工和精加工及
淬硬钢的加工。
?
硬质合金选用见表2-5
表2-5 常用硬质合金牌号的选用
三、细晶粒、超细晶粒硬质合金
普通硬质合金晶粒为3~5μm,一般细晶粒硬质合金的晶粒 度为1.5μm左右,微细晶粒合金为0.5~1μm,而细晶粒硬质合 金WC的晶粒度在0.5μm以下。
四、钢结硬质合金
以难熔金属硬质化合物为硬质相、以钢作粘结相制成的。 硬质 合金。钢结硬质合金兼有碳化物的硬度和耐磨性以及钢的
良好力学性能,主要用作耐磨零件和机器构件。其组织特点是
微细的硬质相均匀弥散地分布于钢的基体中。钢结硬质合金由 于含有大量的钢基体,因而具有可热处理性和加工性。
五、涂层硬质合金
由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种
合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐 腐蚀等一系列优良性能,特别是它的高硬度和耐磨性,即使在500℃的 温度下也基本保持不变,在1000℃时仍有很高的硬度。硬质合金广泛 用作刀具材料,如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等,用于切削铸铁、 有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材,也可以用来 切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。现在新型硬 质合金刀具的切削速度等于碳素钢的数百倍。
涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具基体
上,涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而制成的。
涂层 硬质合 金 一般采 用 化学气 相 沉积法 , 沉积温度 在
1000℃左右;涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法, 沉
积温度在500℃左右。 ? 常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。 涂层厚度:硬质合金为4~5 μm,表层硬度可达HV2500~ 4200; 高速钢为2 μm, 表层硬度可达HRC 80。
涂层刀具特点: 优点:高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力;有低的摩擦系数, 可降低切削时的切削力及切削温度,可提高刀具耐用度(
提高硬质合金刀具耐用度1~3倍, 高速钢刀具耐用度2~
10倍)。 缺点:锋利性、 韧性、 抗剥落性、抗崩刃性差及成本昂 贵的问题。
1、TiC涂层:硬度高、耐磨性好、抗氧化性好,切削时能产
生氧化钛膜,减小摩擦及刀具磨损。
2、TiN涂层:在高温时能产生氧化膜,与铁基材料摩擦系数
较小,抗粘结性能好,并能有效降低切削温度。
3、TiC—TiN复合涂层:第一层涂TiC,与刀具基体粘牢不易 脱落。第二层涂TiN,减少表面层与工件间的摩擦。 4、TiC-Al203 复合涂层:第一层涂TiC, 与刀具基体粘牢不易 脱落。第二层涂Al203可使刀具表面具有良好的化学稳定性和 抗氧化性能。 目前单涂层刀片已很少应用,大多采用TiC-TiN复合涂层 或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。
第四节 陶瓷
一、陶瓷特点 陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成。 优点:有很高的硬度、耐磨性、耐热性,在1200℃高温下 仍能进行切削;很好的化学稳定性、较低的摩擦因数。 缺点:强度低、韧性差,抗弯强度仅为硬质合金的1/3~ 1/2;导热系数低,仅为硬质合金的1/5~1/2。 应用:钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精 加工,对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效;但 不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。
陶瓷刀具广泛用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料
的切削加工。“以车代磨”;其中以氧化铝(Al2O3)或以氮化 硅(Si3N4)应用最多。在上述基体中,相应添加TiC、SiC、TiB
2等作粘结剂烧结即成为陶瓷刀具坯料。
二、陶瓷刀具的种类与应用特点
(1)硬度高、耐磨性能好 (2)耐高温、耐热性好 陶瓷刀具的特性 (3)化学稳定性好
(4)摩擦系数低
(5)原料丰富
陶瓷刀具的制备
原材料处理 配比进行配料 细化球磨
干燥
过筛
烧结成型
磨削加工,电火花线切割
陶瓷刀具产品
陶瓷刀具的种类
1.氧化铝—碳化物系陶瓷 2.氮化硅基陶瓷刀具
第五节 超硬刀具材料
一、、 金刚石
有两种:天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石 刀具。
特点:具有极高的硬度及耐磨性、刃口极锋利、 可切下极薄的切屑、摩擦系数在所有刀具材料中是 最小的、抗黏结能力强、但其耐热性略差,切削温 度不得超过700℃~800℃、强度低、脆性大、与铁 的亲合力很强。 应用:用于磨具及磨料,作为刀具多在高速下对 有色金属及非金属材料进行精细切削,不适合加工 钢铁。
1.金刚石刀具材料性能特点 (1)极高的硬度和耐磨性 (2)各向异化 (3)具有很低的摩擦系数 (4)切削刃非常锋利 (5)具有很高的导热性能 2.金刚石刀具材料的种类 (1)天然单晶金刚石刀具 超精密镜面切削切削刀具必须是大颗粒人工合成大颗粒没 有大量进入应用领域。
(2)人造聚晶金刚石
简称PCD,在高温高压下由石墨转化而成。应用广泛。PCD 只能用于有色金属和非金属的精切,很难达到超精密精面切 削。
二、立方氮化硼
简称CBN,是由六方氮化硼(白石墨)在高温高压下转化而成的。 1.立方氮化硼刀具材料的种类 CBN单晶主要用于制作磨料和磨具。 PCBN高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多 晶材料,硬度仅次于金刚石用于制作刀具和其他工具。 2.立方氮化硼的主要性能特点
(1)高的硬度材料和耐磨性
(2)具有很高的热稳定性
立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼在高温高压下
加入催化剂转变而成的,硬度高达8000HV~9000HV,
耐热性好,在高于1300℃时仍可切削,化学惰性大,
与铁系材料在1200℃~1300℃高温下也不易起化学作
用。
应用:用于加工钢铁等黑色金属,特别是加工高
温合金、淬火钢和冷硬铸铁等难加工材料。