金属切削原理课件 第2章 刀具材料
金属切削原理,主讲：梁炜 机电工程学院材料成形教研室 2014,回顾,实现切削加工的条件 1、刀具与工件之间的相对运动； 2、刀具具有一定的空间几何形状； 3、满足切削需要的刀具材料性能。,第二章 刀具材料,§1.1 刀具材料应具备的性能,刀具的工作条件,高压 高温 强烈摩擦 振动 冲击 热冲击,一、刀具材料应具备的性能,1、高硬度和耐磨性 2、足够的强度和韧性 3、高耐热性 4、良好的热物理性能和耐热冲击性能 5、良好的工艺性 6、经济性,二、刀具材料的分类,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 人造金刚石立方氮化硼,§1.2 工具钢,一、碳素工具钢,含碳量0.651.35的优质高碳钢 T7A T8MnA T10A T12A 含碳量的千分数； “A”含硫、磷较少，优质； “Mn”含锰较高； 退火状态供应市场,一、碳素工具钢特点,价格低 工艺性好，可热处理 耐磨性好，淬火硬度可达HRC5864 耐热性差，250300硬度下降（马氏体分解） 碳化物分布不均匀，淬火变形大，淬透性差v 510m/min 锉刀、丝锥、锯条、板牙等低速手动工具 T7、T8钢用于承受冲击负荷的工具，如冲头。 T9T11钢用于要求中等韧性的工具，如手工锯条。 T12、T13耐磨性最高，但韧性最低，用于不受冲击负荷的量具、锉刀、刮刀等。,一、碳素工具钢性能和用途,二、合金工具钢,碳素工具钢中加入合金元素（Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V）总量不超过35 9SiCr CrWMn CrMn CrW5 9Mn2V 分为： 量具钢 刃具钢 模具钢刃具用钢含碳量0.75%1.50%，,二、合金工具钢刃具钢特点,淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高 淬火硬度在6065HRC，耐磨性好 耐热性 325400 淬透性比碳素工具钢好，热处理产生的变形小常用的有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等v 1015m/min 丝锥、板牙、铰刀、搓丝板等低速工具,二、合金工具钢性能和用途,三、高速钢（白钢、锋钢、风钢）,含有较多合金元素（W、Cr、Mo、V等）的高合金工具钢 W18Cr4V（W18）、W6Mo5Cr4V2（M2） 含碳量在0.7%1.65% 合金元素总量1025%用于制造各车刀、钻头、滚刀、机用锯条及要求高的模具,三、高速钢特点,HRC6367 500650 强度高 工艺性好 v 2550m/min,三、高速钢成分分类,钨系HSS（含钨 918%）；钨钼系HSS（含钨512%,含钼26%）；高钼系HSS（含钨02%,含钼510%）；钒HSS 一般含钒量HSS（含钒 12%)高含钒量HSS(含钒2.55%)钴HSS（含钴 510%）。,三、高速钢性能分类,通用型HSS W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 高性能HSS（提高耐热、耐磨） 高耐热性HSS 高碳HSS 9W6Mo5Cr4V2高钒HSS W6Mo5Cr4V3钴HSS W2Mo9Cr4VCo8超硬HSS 铝HSS W6Mo5Cr4V2Al 经济型HSS（低合金高速钢）钨当量5%12%粉末冶金HSS（可加大含碳量、细小均匀结晶组织、磨加工性好、物理力学性能高度各向同性、减小淬火变形、碳化物不易剥落）,18701898 英国Mushet自硬钢（C2，W7，Mn2.5），切削中碳钢速度达到8m/min 18981900 美国F.W.Taylor和英国M.White发明接近钢熔点的高温淬火和高温回火，并以Cr-W钢（C1.85，W8，Cr3.8）取代Mushet的Mn-W自硬钢，从而创立了高速钢。切削中碳钢的切削速度达20 m/min。 1900年Cr-W钢在巴黎国际博览会上表演高速切削成功 1903 出现现代高速钢的原始成分（）：C0.7、W14、Cr4 1904 美国John Mathew向高速钢中加入0.3V 1906 试用电炉冶炼高速钢 1910 确立T1（W18Cr4V）钢，切削中碳钢速度达30 m/min 1912 德国Becker向钢中加入35Co，提高了钢的热硬度 1918 3t电弧炉试炼高速钢成功，替代了坩埚炉，得以生产较大尺寸的钢锭和钢材 1923 加入钴量达1215，切削速度达40 m/min以上 1932 美国J.V.Emmons发明以Mo代替W的高钼钢M1 1937 美国W.Breelor发明W-Mo系钢M2 1939 美国J.Gill发明高碳高钒钢，称Super HSS，含钒35，淬回火硬度达HRC6768，耐磨性好，但可磨削性差 1953 出现加硫（0.050.2）易切削高速钢 19581963 平衡碳原理提出与应用，美国发明M40系列钢，硬度达到HRC70的超硬钢，最早为M41和M42 1965 美国Crucible Steels公司发明粉末冶金法生产高速钢 1970 瑞典Stora-ASEA粉末冶金高速钢投产；电渣重熔高速钢开始用于大截面材生产；高速钢用于高载荷冷作模具日益增多 1980 氮化钛涂层的物理气相沉积法（PVD）成功用于部分高速钢刀具，使用寿命成倍提高，对高速钢的应用和发展具有重要意义 1990 粉末高速钢新钢种热处理硬度达HRC70-72；综合性能优良的低合金高速钢重新受到重视和发展，替代部分通用高速钢，以节约合金资源,高速钢发展大事记,三、高速钢应用,2009年，中信重工开发世界最大整体式粉末冶金高速钢滚刀，其模数为36、直径450毫米、长度550毫米，精度等级为AA级，硬度达到HRC6667,三、高速钢性能和用途,四、合金元素的作用,W、Fe、Cr、V与C形成化合物提高耐磨性 W溶于基体，增加高温硬度 Mo作用同W（1Mo2W）并可细化碳化物，提高韧性 Co、Al、Si、Nb（铌）提高高温硬度 V提高耐磨性（不宜超过3）,§1.3 硬质合金,一、组成及特点,组成高硬度、高熔点的重金属碳化物（WC、TiC、TaC钽、NbC铌）粉末和金属结合剂（Co、Ni）粉末冶金而成,重金属 碳化物,金属 结合剂,一、组成及特点,特点 高硬度 HRA8991 强度韧性低 高耐热性 8001000 热稳定性好 v是HSS的410倍,二、影响硬质合金性能的因素,取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度、结合剂数量 1、种类和性能 硬度 TiCWCTaC 熔点 TaCTiCWC 强度 WCTiCTaC 导热 WCTiCTaC 2、数量、粒度、结合剂数量 碳化物硬度强度 结合剂硬度强度 粒度结合剂层厚度硬度强度,3、碳化物分布 均匀防止热应力和机械冲击产生裂纹 TaC碳化物颗粒细化 分布均匀,三、种类及牌号,1、WC基类（常用） 1）钨钴类 WC-Co YG3 YG6 YG8 数字为Co含量 硬度 强度 2）钨钛钴类 WC-TiC-Co YT5 YT15 YT30 数字为TiC含量 硬度 强度 3）钨钴钽（铌）类 WC-TaC（NbC）-Co YG6A 4）钨钛钴钽（铌）类 WC-TiC-TaC（NbC）-Co YW1 YW2 通用硬质合金,三、种类及牌号,2、TiC基类 TiCNiMo YN10 YN05 钢件精加工 3、钢结硬质合金 粉末冶金TiC或WC 3040HSS 7060 性能介于HSS与Y之间 可锻造、热处理、切削加工、制作复杂刀具,四、性能特点,1、硬度、强度 Co硬度强度韧性 Co相同 硬度 YTYG强度韧性 YGYT 硬度 细晶粒粗晶粒 强度 细晶粒粗晶粒 含TaC（NbC）硬度强度,四、性能特点,2、导热系数 YGYT （因WCTiC） YG：Co导热系数 YT：TiC导热系数 3、线膨胀系数 YTYG TiC线膨胀系数 4、抗粘结性 YTYG,五、硬质合金的选用,（P28 表24）,§1.4 其它材料,一、陶瓷刀具材料分类,氧化铝基陶瓷（Al2O3）,纯氧化铝陶瓷,氧化铝-碳化物系复合陶瓷,纳米金属陶瓷,Al2O3 / SiCw晶须增韧陶瓷,Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷,Al2O3 / TiB2 和Al2O3 / ZrO2 等复合陶瓷,氮化硅基陶瓷（Si3N4）,Si3 N4 / TiC复合陶瓷,Si3 N4 / SiCw晶须增韧陶瓷,赛阿龙（Sialon）陶瓷,涂层Si3N4陶瓷,纯Si3N4 陶瓷,陶瓷刀具材料的种类及可能的组合,氧化物,粘结相,碳化物,硼化物,氮化物,特点,优点： 高硬度，高耐磨性：硬度9295 HRA 低摩擦系数： 高耐热性：1200保持80HRA左右硬度，适合高速切削和干切削 高化学稳定性：与金属亲和力小，抗黏结和抗扩散能力强 高性价比：加工表面质量好，比超硬刀具材料便宜缺点： 抗弯强度、断裂韧度和弹性模量低，脆性大，抗热冲击性差,用途,加工普通钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢、镍基高温合金、粉末冶金烧结件、玻璃钢和各种工程塑料等难加工材料时，刀具寿命可比硬质合金刀具高几倍甚至十几倍,性能改进提高断裂韧度和强度，已能与硬质合金相当提高其抗冲击性能，已能用于冲击负荷粗加工。,性能改善,通过控制原料纯度和晶粒尺寸 采用了热压和热等静压烧结等工艺 添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等 并通过颗粒、晶修、相变、微裂纹和几种增韧机制的协同作用,提高断裂韧度和强度，使抗弯强度提高到0.91.0 GPa（最高可达1.31.5 GPa，已与硬质合金相当），并提高其抗冲击性能，扩大其应用范围，已能用于冲击负荷粗加工。,纯氧化铝陶瓷,纯氧化铝陶瓷中的Al2O3成份占99.9%以上，多呈白色，俗称白陶瓷。 是早期使用的陶瓷，由于其强度低，抗热振性及断裂韧性较差，切削时易崩刃，只适用于300HBW以下的铸铁和钢的连续表面粗加工和半精加工，使用范围非常有限。 目前已被其它各种Al2O3基复合陶瓷所取代。,返回,氧化铝-碳化物系复合陶瓷,在Al2O3基体中加入TiC或SiC等成份经热压烧结而成的陶瓷，是目前国内外使用最多的陶瓷刀具材料之一。 适于加工各种钢材（碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、轴承钢、不锈钢、淬硬钢等）和各种铸铁（包括冷硬铸铁、高铬铸铁等），也可加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料；加工钢优于Si3N4 基陶瓷刀具； 不宜用来加工铝合金、钛合金和钽合金，否则容易产生化学磨损。,返回,纳米金属陶瓷,在传统的Al2O3 / TiC金属陶瓷中通过加入纳米材料TiN（氮化钛）和AlN（氮化铝），经改性而成的一种新型Al2O3基陶瓷刀具，可细化晶粒和优化材料力学性能。 使用表明可部分取代YG8、YT15等常用硬质合金刀具，刀具寿命可提高2倍以上，生产成本则与YG8刀具相当或稍低。 目前，纳米陶瓷及纳米复合陶瓷刀具已成为高技术陶瓷材料研究开发的一个前沿领域。,返回,Al2O3 / SiCw晶须增韧陶瓷,在Al2O3陶瓷基体中添加20%30% SiCw晶须（是直径小于0.6m，长度为1080m的单晶，具有一定的纤维结构，抗拉强度为7 GPa，抗拉弹性模量超过700 GPa）而成的Al2O3 / SiCw晶须增韧陶瓷，可有效地用于断续切削及粗车、铣削和扩孔等工序，适于加工镍基合金、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。 SiCw晶须作用类似钢筋混凝土中的钢筋，能成为阻挡或改变裂纹发展的障碍，使其韧性大幅度提高。,返回,Al2O3 /（W,Ti）C梯度功能陶瓷,通过控制陶瓷材料的组成分布以形成合理的梯度，从而使刀具内部产生有利的残余应力分布来抵消切削中的外载应力。具有表层热导率高、有利于切削热的传出、热膨胀系数小、结构完整性好、不易破损等特点。 用其加工钢铁材料时的刀具寿命可比同类Al2O3/（W, Ti）C复合陶瓷SG-4高11.5倍，并且刀具有很好的自砺性，崩刃后仍能进行正常切削。,
