金属切削原理与刀具 第二章 刀具材料课件

第二章 刀具材料,（1）熟悉刀具材料应具备的性能； （2）掌握常用刀具材料：高速钢、硬质合金的性能、常用牌号及选用； （3）了解新的刀具材料，如涂层硬质合金、陶瓷材料、超硬刀具材料的性能及应用； （4）对刀具材料在金属切削中的重要作用有所了解。,基本要求,刀具材料是指刀具切削部分的材料。合理选择刀具材料影响到： （1）切削加工生产率 （2）刀具耐用度 （3）刀具消耗和加工成本 （4）加工精度和表面质量,按刀具所用材料分：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、金刚石刀具等。,2-1 概述,刀具材料应具备的性质,刀具切削部分承受较大的（1）切削压力（2）切削温度（3）剧烈摩擦（4）冲击振动 因此刀具材料应具备以下性能： 1、高硬度：刀具材料硬度要高于被加工材料的硬度，切削刃的硬度一般在HRC60以上。 2、高耐磨性：抗磨损能力，硬度，耐磨性，金相组织中硬质点（氮化物，碳化物）的硬度高，耐磨性好，硬质点数量多，颗粒越小，分布均匀，则耐磨性越好。,3、足够的强度与韧性：抗冲击，承受各种应力而不崩刃、折断。与硬度、耐磨性相矛盾。 4、高的耐热性与化学稳定性： 耐热性（红硬性）：高温下保持材料硬度、 耐磨性、强 度、韧性韧性越好，切削速度越高。 化学稳定性：（热稳定性）：高温下抗氧化， 不与工件材料和介质发生化学反应， （抗氧化、粘结、扩散）刀具磨损慢， 表面质量好。,5、良好的工艺性：便于刀具制造，（1）锻造性能（2）热处理性能（3）高温塑性变形（4）容削加工性能（5）焊接性能 6、经济性：（1）刀具材料发展结合本国资源，资源丰富，则成本极低（2）有的刀具材料（超硬刀具材料）虽然单件成本贵，但寿命长，分摊到每个零件的成本不一定 高，要注重经济效益。 7、切削加工性能的可预测性： 为适应切削加工自动化和柔性制造系统的发展，要求刀具磨损及刀具耐用度等具有良好的可预测性。,高的硬度； 高的耐磨性； 高的耐热性(热稳定性) 足够的强度和韧性； 良好的工艺性。,刀具切削部分材料性能的基本要求,总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求。,选择刀具材料时，各性能之间相互矛盾，如强度，则硬度高；耐磨，则加工工艺困难，要抓住主要矛盾。,二、刀具材料类型： 工具钢（碳素工具钢、合金工具钢、高速钢） 硬质合金 陶瓷 超硬材料（金刚石、立方氮化硼 ）,最常用,工具钢耐热性差，但抗弯强度好，价格便宜，焊接与刃磨性好，故广泛用于中低速切削的成形刀具，不宜高速切削。如：碳素工具钢(如T10A、T12A)及合金工具钢(如9SiCr、CrWMn)，因耐热性较差通常仅用于手工工具和切削速度较低的刀具。 硬质合金耐热性好，切削效率高，但刀片强度、韧性、焊接刃磨性不及工具钢，多用于制作车刀、铣刀及各种高效切削工具。 陶瓷、金刚石和立方氮化硼等目前仅用于较为有限的场合。,目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。 碳素工具钢 碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.651.35%）。 1、常用牌号有 T7A、T8AT13A等 2、主要性能 淬火后硬度较高，可达HRC6165；红硬性为200250，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。,在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。 1、主要牌号 有 9SiCr CrWMn 2、主要性能 淬火后的硬度可达HRC6165，红硬性为300400，允许切削速度Vc=1015m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。,合金工具钢,ISO-513-2004（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三大类，在此基础上增加了H、S、N三类： P类：用于加工长切屑的钢类材料，相当于 我国的YT、YC、SC类。 M类：用于加工长或短切屑的黑色金属和有 色金属。 YW、YM类 K类：用于加工短切屑的黑色金属（铸铁）， 有色金属和非金属材料 YG、YD类,硬质合金的分类及使用性能,H类：用于加工淬火钢、硬铸铁，可实现高速切削 切削高硬度的工件。PCBN即聚晶立方氮化硼（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）作为利用人工方法合成的硬度仅次于天然金刚石的新型刀具材料，是目前高速切削铁系金属最合适的刀具材料。 S类：用于加工高温合金及耐热材料。包含PVD涂层合金（PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。）及超细颗粒硬质合金，CBN（立方氮化硼，缩写为：CBN或cBN。目前，在自然界还没有找到这种物质的存在，是人工合成的一种超硬材料。 ）及氮碳化硼材料。 N类：用于高速切削有色金属（铝合金、非金属的纤维强化型塑料），如PCD金刚石（又名聚晶金刚石）,刀体一般用普通碳钢或合金钢制作。 尺寸较小或切削负荷大的刀具宜选用合金工具钢或整体高速钢制作。 机夹、可转位硬质合金刀具，镶硬质合金钻头、可转位铣刀等刀体用合金工具钢制作。如9CrSi，GCr15（滚铬15）。 尺寸较小、刚度较差的精密孔加工刀具，可选用整体硬质合金制作。,刀体材料,2-2 高速钢,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。 别名： （风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可 得到高硬度。 （锋钢）刃容锋利。 （白钢）磨光后，表面光亮。,1、较高的热稳定性：切削温度高达500- 650，与碳素工具钢，合金工具钢相比，切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍，可加工有色金属至高温合金（范围广）。 2、高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2-3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几十倍。 3、一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好，适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。 4、刀具制造工艺简单：能锻造，制作形状复杂刀具，大型成型刀具（这一点极为重要）如钻头、丝锥、成型刀具、拉刀、齿轮刀具。,特点：,5、材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。 因此，尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。高速钢刀具制造工艺较简单，刀刃锋利，适用于制造各种形状复杂刀具(如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等) 高速钢分类：普通高速钢（通用型）、高性能高 速钢和粉末冶金高速钢） 高性能高速钢：再加入一些碳、钒，钴或铝等合金、性能高。 粉末冶金高速钢：制造工艺不同，性能高。,普通高速钢：分钨钢，钨钼钢两类，V不高于40-60%。 1、钨钢：W18Cr4V（18-4-1）此牌号国内普 遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制 较方便，国外钨价高，很少使用。 简称：W18，18%W、4% Cr、1%V 综合性能好，600，HRC48.5，用以制造各 种复杂刀具。 优点：（1）淬火时过热倾向小。 （2）含钒少，磨加工性好。 （3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大。,缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物 颗粒大（最大30m），影响薄 刃刀具或小截面刀具的耐用度。 （2）强度和韧性，显得不够，此材料 30mm，抗弯强度33.5Ga 6080mm，抗弯强度22.3Ga 适宜做小截面刀具，此时强度， 韧性才是满意的。 （3）热塑性差，很难用作热成形法制 造的刀具（如热轧钻头）。,2、钨钼钢 W6M05Cr4V2（6-5-4-2） （为缺钨而产生） 优点：（1）合金元素少，减少了碳化物数量 及分布不均匀性，有利于提高高温塑 性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比 W18高1015%，韧性高5060%。 （2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承 受冲击力较大的刀具。 缺点：淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性 大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）,如9W6MoSCr4V2 W6MoSCr4V3 比通用型高速钢具有更好的切削性能，适合于 加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料 。,高性能高速钢,高碳高速钢： 95W18Cr4V（含碳量为0.95%）、 110W6Mo5Cr4V2高钒高速钢： W6Mo5Cr4V3、W9Cr4V5钴高速钢： W6Mo5Cr4V2Co8、12Mo3Cr4V3Co5Si铝高速钢： W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4Cr4V3Al,新型高速钢 1）粉末冶金高速钢： 2）表面渗入式高速钢 3）表面涂覆式高速钢,粉末冶金高速钢,粉末冶金高速钢的制造过程是：将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体(氩气或氮气)喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(粉末)。上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末再将所得的粉末在高温(约1100)、高压(约00MPa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。,（1）没有碳化物偏析的缺陷。 （2）可获得细小均匀的结晶组织 （3）无方向性 （4）提高材料的利用率,优点：,涂层高速钢,在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。般，涂层材料用TiN、TiC等，但多采用TiN。涂层后，刀具表面呈金黄色。涂层厚度为28m。,TiN的硬度为HV18002000，而高速钢基体的硬度仅为HV800850。故涂层后的高速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。与未涂层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低510，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；工件已加工表面粗糙度减小；刀具使用寿命显著提高。,高速钢的表面处理与涂层 1、表面化学处理：提高刀具的切削性能 （氧氮化处理）：将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中，540560保温12小时，形成0.003mmFe3O4氧化膜，内层为氧、氮、碳扩散层：厚0.03-0.05mm。HV1000以上，耐用度提高60%-70%。 2、涂层：物理气相沉积TiN涂层 550以下高真空下进行，钛气化与氮反应，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削温度下降25%，Vf提高一倍，耐用度显著提高。重磨后，性能仍优于普通高速钢。,2-3 硬质合金,硬质合金 = 硬质相（TiC或WC）+ 粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）,硬质合金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC，碳化铌NbC等)与金属粘结剂(钴、镍、钼等)在高温下烧结而成的粉末冶金制品。,硬度为8994HRA；能耐8501000的高温；具有良好的耐磨性；允许使用的切削速度可达100300mmin； 可加工包括淬硬钢在内的多种材料，因此获得广泛应用。 但是，硬质合金的抗弯强度低，冲击韧性差，不能承受切削振动和冲击负荷，刃口不锋利，较难加工，不易做成形状较复杂的整体刀具，因此目前还不能完全取代高速钢。,特点及应用范围：,硬质合金中：碳化物含量高，则硬度高， 抗弯强度低。 硬质合金中：粘结剂含量高，则硬度低， 抗弯强度高。,适用范围较广：绝大多数车刀、端铣刀、深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等。 二、分类及使用性能 ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类： P类（YT类）：用于加工长切屑的黑色金属。 K类（YG类）：用于加工短切屑的黑色金属， 有色金属和非金属材料 。 M类（YW类）：用于加工长或短切屑的黑 色金属和有色金