金属切削原理 刀具材料.ppt

第二章 刀具材料DateDaten明确刀具材料应具备的性能；n掌握常用刀具材料中高速钢和硬质合金的性 能及应用场合；会根据具体加工工艺情况选 择不同牌号的刀具材料；n了解其他刀具材料的性能内容提要】 本章主要介绍刀具材料应具备的性能，以及常用 刀具材料中高速钢和硬质合金材料的特性及应用场 合；简单介绍其他刀具材料的性能及应用 【目的要求】 DateDaten刀具材料是指刀具上参与切削的那部分材料n刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，而且还要 求有相应的刀具材料n目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金n高速钢一般允许切削速度为25～30m/min；硬质合金允许 的切削速度为100m/minn要提高切削加工的生产率，就需要提高切削速度和刀具耐 用度就要求提供切削性能更好的刀具材料n切削过程中会产生切削抗力、切削热、冲击和振动，那么 刀具材料具有哪些性能才能满足要求呢?概 述DateDate§2-1 刀具材料应具备的性能 一、足够的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度， 一般比工件高出1.5—2倍，否则在高温高压下，就 不能保持刀具锋利的几何形状目前，切削性能最 差的刀具材料—碳素工具钢，其硬度在室温条件下 也应在62HRC以上；高速钢的硬度为63～70HRC 。

硬质合金在74～81.5HRC左右 1. 硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力DateDate2. 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一般来说，刀具材料的 硬度越高，耐磨性越好 二、足够的强度和韧性 在切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振 动，只有抗弯强度好，切削用量才不会发生变化 粗加工余量不均，切削力发生变化，对刀具有冲击 和振动，如果韧性不好，常会出现崩刃或折断 硬度和韧性是一对不可解决的矛盾，如高速钢的 韧性好，硬度较差，而硬质合金的硬度高，韧性差 DateDate三、较高的耐热性和 传 热 性 耐热性是指在高温下 刀具材料保持硬度、耐 磨性、强度和韧性的性 能用红硬性表示高 温下硬度越高，则红硬 性越好允许的切削速 度越高刀具材料的传热系数 大，有利于切削区热量 的传出，降低切削温度 DateDate四、良好的工艺性 为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的 工艺性能DateDate五、经济性好经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一， 也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依 据之一刀具材料的选用应立足于本国资源，注意经济 效果，力求价格低廉。

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DateDate§2-2 常用刀具材料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 一、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0.65～1.35%） 1、常用牌号： T7A、T8A·······T13A 其中： T——碳， A——高级优质碳素工具钢阿拉伯数字，含碳量如7指含碳0.7％ DateDaten淬火后硬度较高，可达HRC61～65；n红硬性为200℃～250℃，价格低廉，不耐 高温；n允许切削速度VC≤10m/min n只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、 锉等 ；n优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃 2、主要性能DateDate二、合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、硅（Si ）钨（W）、锰（Mn）、钒（V）等合金元素（合 金元素总含量不超过3％～5％），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 9SiCr：9表示平均含C量为0.90%，Si、Cr平均含量 均小于1.5%； CrWMn：平均含C量大于1.0%，Cr、W、Mn平均含量均 小于1.5%。

DateDaten淬火后的硬度可达HRC61～65；n红硬性为300℃～400℃；n允许切削速度Vc=10～15m/min； n制作低速、形状比较细长、截面积大、刃形复 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） 、丝锥等 2、主要性能 DateDate三、高速钢 高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有钨（W）、 钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素，这些 合金元素的含量较高，主要改变以往工具钢的性能 高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性 能用高速钢制成的刀具，在切削时显得比一般低 合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢高速 钢区别于其他一般工具钢的主要特性是它具有良好 的热硬性（红硬性），当切削温度高达600℃左右 时硬度仍无明显下降，能以比合金工具钢更高的切 削速度进行切削，高速钢由此而得名 DateDaten具有高的强度和韧性； n良好的耐磨性，63～66HRC (加入V元素的作用)； n红硬性为600℃（加入W元素的作用）； n允许切削速度Vc=25～30m/min； n具有良好的制造工艺性； n可获得锋利的刀刃（锋钢之称）； n加工范围较大：铸铁、有色金属、钢等。

(一)高速钢的性能： DateDate（二）高速钢的分类 1、普通高速钢： 2、高性能高速钢： 工艺性好，可满足一般工程材料的切削加工 通过调整基本化学成分和添加其他合金元素，使其性能 比普通高速钢提高一步，可用于切削高强度钢，高温合金、 钛合金等难加工材料 DateDate四、硬质合金 指由高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结 剂，经过高压成形，在500℃的高温下烧结而成 的材料 组成：硬质相（TiC或WC）+ 粘结相（Co、Ni、Mo等）硬质合金的主要成分，具有高硬度、高熔点和化学稳 定性好的特点硬度↑ 抗弯强度↓ 硬度↓抗弯强度↑DateDaten常温硬度74～81.5HRC，红硬性为800℃～1000℃，耐磨 性优良n允许切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超过200m/min 硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高4～7倍，刀具 寿命可提高5～80倍n脆性较大，怕冲击和振动容易出现崩刃，因此注意加 工条件 n制造工艺性差由于硬度太高，不能进行机械加工，因 而硬质合金经常制成一定规格的刀片，焊在刀体上使用 如硬质合金端铣刀（非整体式的）n加工范围较广脆性材料、钢材、有色金属等均可加工 。

（一）主要性能 DateDate（二）分类 1、钨钴类硬质合金（YG ）（1）组成：WC + Co （2）常用牌号： YG3、YG6、YG8符号中：3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%Co的含量↑ 韧性↑ 强度↑ HRC↓ 耐磨性↓Co的含量↓ 韧性↓ 强度↓ HRC↑ 耐磨性↑ 脆性↑YG3（精加工）、YG6（半精加工）、YG8（粗加工） （3）应用： 主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料 DateDate2、钨钴钛类硬质合金（YT） （1）组成：硬质相（WC + TiC）+ 粘结相（Co） （2）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30数字表示TiC的百分含量 （3）应用： TiC含量↑ 硬度↑ 耐磨性↑ 脆性↑ 韧性↓ TiC含量↓ 硬度↓ 耐磨性↓ 脆性↓ 韧性↑ 主要用于加工钢材及有色金属 YT5（粗加工）YT14、YT15（半精加工）YT30（精加工） DateDate3、添加稀有金属硬质合金 是在钨钴类（ YG ）和钨钴钛类（YT）硬 质合金中加入适当的添加剂（合金碳化物TaC 、NbC）， 形成的硬质合金新品种可提高其 抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的 高温硬度和高温 强度，提高抗氧化能力和耐磨 性。

这类合金较YG类、 YT类硬质合金有更高的 硬度、韧性和耐磨性，主要用于钢料和难加工 材料的半精加工和精加工 注释：Ta:钽（tan） Nb:铌（ni）DateDate4、碳化钛基硬质合金（YN） 组成：硬质相（TiC）+ 粘结相（Ni + Mo）这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和 抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合 力小，抗粘结能力较强缺点是导热率和韧性较 差 用途：主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和 粗加工 DateDate§2-3 其他刀具材料 1、陶瓷材料 主要是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4） 等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材 料陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所 以被广泛用于高速切削加工中但由于其强度低 ，韧性差，长期以来主要用于精加工近年来采 用先进的工艺，使其抗弯强度、抗冲击性能有很 大的提高，应用范围在日益扩大除适于一般的 精加工和半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗 加工 DateDaten可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料； n可用于扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削； n耐用度提高几倍至几十倍； n切削效率提高3～10倍，可实现以车、铣代磨；n强度低、韧性差。

抗弯强度为硬质合金的1/2；n导热系数低，仅为硬质合金的1/5～1/2陶瓷刀具的优缺点： 与传统硬质合金刀具相比，具有以下优缺点： DateDaten硬度很高，可达8000～9000HV，仅次于金刚石；n有很好的热稳定性，可承受1000℃以上的切削温 度，在高温1200℃～1300℃时也不会与铁族金属 起反应 n既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能 胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难 加工材料的高速切削 2、立方氮化硼 是70年代才发展起来的一种人工合成的新型刀具 材料它是立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂 转变而成的其性能： DateDate3、金刚石 分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬 度约为HV10000，故其耐磨性好，不足之处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具 不能加工黑色金属，在800℃时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损 金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少 主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮 DateDate4、涂层刀片涂层刀片是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅 射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为5～12μm的涂层材料后获得的新型刀片。

涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等 适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工 DateDate§2-4 刀具材料的发展概述 百余年来，刀具材料由碳素钢、高速钢、硬质合金、涂层刀具材料、陶瓷而至超硬刀具材料的发展 使车削加工的切削速度提高了100多倍，而且主要新刀具材料出现的周期也越来越短例如，从高速 钢发展到硬质合金大约经过了25年，但最近却每隔几年就有重要的新刀具材料问世 DateDaten具有金刚石一样高的硬度和耐磨性；n具有立方氮化硼或陶瓷一样高的热稳定性和化学惰性；n具有硬质合金一样高的强度和抗冲击性能 实践证明，以高的切削效率切削难加工材料的理 想刀具材料应该具备一下性能： 但在可预见的将来还不可能找到具有这样理想性能的刀 具材料目前使用的主要刀具材料仍然是硬质合金及高速 钢，但其内部构成比将有明显变化，传统的非涂层牌号及 品种将会减少，耐磨涂层品种和牌号及其在柔性加工和集 成制造系统中的应用将进一步增加，同时陶瓷及超硬刀具 材料所占比重有较快增长在相当长的时期内，各种刀具 材料仍然是相互补充，相互竞争 DateDate本章小结n本章主要内容是刀具材料应具备的性能、常用刀具材料的 种类以及常用刀具的牌号、特点、性能和应用。

n刀具材料应该具备的性能包括足够的硬度和耐磨性、足够 的强度与韧性、较高的耐热性、较好的工艺性、较好的传 热性和经济性n工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢碳素工具钢优点是 工艺性能良好，有较高的耐磨性，价格低廉；最大缺点是 热硬性差，淬透性低主要用于制造手用刀具、低速及小 进给量的机用刀具。