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第二章 刀具材料


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)

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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
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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。
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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。

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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。
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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。
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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。

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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%。

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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。

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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。

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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。


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