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制造技术基础2-2


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。 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。 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; 以上; 刀具材料要比工件材料

硬度高,常温硬度在 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。 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, 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。 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。 刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。 良好的热物理性能和耐热冲击性能导热系数越大 导热系数越大, 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; 使用寿命;线膨胀系数小,则可减小热变形;

6、良好的工艺性 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 HRC62~65,耐热性可达600?C,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、W6Mo5Cr4V2、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40—60m/min。 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(HRC70),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: 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。 (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800~1000?C),切削速度 比高速钢可高出4—10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 0.5~1.0um的硬质合金。耐磨性好,寿命可提高1—2倍。适用于 加工冷硬铸铁、淬硬钢、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 含钴越多,其 含钴 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, 碳化钛 但强度却越低。碳化钽 碳化钽的含量越高,硬质合金的高温硬度、抗热 碳化钽 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 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80m/min 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250m/min。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300m/min。 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2—5倍,切削速度可提高20%一40%o 硬质合金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2500—4200HV。 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 10~20倍,其红硬性比硬质合金高2~6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:①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93~95HRC,为提高韧性,常 添加少量Co、Ni等金属。②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。③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,70 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(2500~5000m/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6—8.5千万克拉。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第二种超硬材料——CBN微粉。 由于CBN的烧结性能很差,直至70年代才制成立方氮化硼结块(聚 晶立方氮化硼PCBN),它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或 TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密 相,有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300~1500度),优良的 化学稳定性(远优于金刚石)和导热性,低的摩擦系数。PCBN与Fe 族元素亲和性很低,所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材 料。


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