现代刀具材料与切削加工技术w.doc

第一章 现代刀具材料发展与应用技术各种刀具的切削性能首先取决于刀具材料，其次是刀具结构儿何角度、刀面 破化处理、质量保证等从刀具使用寿命的角度来看，对刀具材料的性能要求主 要是耐磨性、强韧性和红 硬性，以及抗粘性、抗扩散性能力所以合理选择刀 具材料是刀具制造的第一步，也是决定刀具使用的先决条件其次，选择合理的 切削参数，方能获得最佳的切削效果本文主题是介绍破质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金刚石刀具刀具材料分为六大类：即工具钢、高速钢、破质合金、陶瓷刀具材料、立方 氮化硼和金刚石国际标准化组织对切削加工用的硬质合金、陶瓷、立方氮化硼、 金刚石刀具材料分类、分组做了明确规定分类代号是用一个英文字母表示：即 P表示切削加工钢材，M表示加工不锈钢，K表示加工铸铁，S表示加工高温合 金、钛合金，H表示加工淬硕钢等硕材料，N表示加工有色金属等材料分组标 誌，每一类中的各个牌号分别给以一个01〜50之间的数字，表示从最高硬度到最 大韧性Z间的一系列刀具材料，以供各种被加工材料的不同切削作业及加工条件 选用例如切削钢材用的硬质合金按ISO使用范围为P01〜P50,而P01,牌号合金 其硬度最高，耐磨性好，但抗弯强度低，只适于最高切削速度小断面切削的精加 工；P50牌号合金最高的抗弯强度和抗冲击韧性，但耐磨性差，适于低切削速度, 大切削角、大端面和不利条件下粗加工。

其余各类牌号刀具材料以此类推，见表 1-1所示表1-1,切削用硬质合金陶瓷及超硬材料国际标准分类、分组应用范围分类用途分组性能提高方向代 号被加工 材料颜 色代号被加工材料适应的加工条件切削性能合金性能P长切屑 的黑色 金属蓝 色P01钢、铸钢高切削速度、小断血切削、 无振动条件下的精车和精铎切册 冷给速反 度星AV耐韧磨性性AVP10钢、铸钢高切削速度，中等或小断面 切削条件下的车削、仿形车 削、车螺纹及铳削P20钢、铸钢、长切屑可锻铸铁中等切削速度和中等断面切 屑条件下的车削、仿形车削 及铳削，小断面切屑的刨削P30钢、铸钢、长切 屑可锻铸铁中或低切削速度、中等或大 断曲切屑以及不利条件下的 车削、铳削、刨削P40钢、含砂和气孔 的铸钢低切削速度、大切削角、大 断面切屑以及不利条件下的 车削、铳削、插削和自动机 床加工P50钢、含砂和气孔 的中或低强度钢需要韧性很好的硬质合金的 加工；在低切削速度、大切 削角大端瓯切屑及不利条件 下的车削、刨削、插削及自 动机床加工M长切屑 或短切 削的黑 色和有 何金属黄 色M10钢、铸钢、钮钢、 灰1【铸铁和合金 铸铁中或高切削速度、中等或小 断面切削条件下的车削切出 削进 n J 0请 "口耐呦 磨性性M20钢、铸钢、奥氏 体钢或镭钢、灰 口铸铁中等切削速度和中等切削断 面条件下的车削及铳削M30钢、铸钢、奥氏 体钢、灰口铸铁、 耐热咼温合金中等切削速度、中等或大断 面切屑条件下的车削、铳削 和刨削j1i11rM40易切钢、低强度 钢、冇色金屈及 轻合金车削、切断，特别适于H动 机床加工K短切屑 的黑色 金属、有 色金属 及非金 属材料红色K01特硬灰口铸铁、 肖氏硬度大于85 的冷便铸铁、高 硅铝合金、淬火 钢、高耐磨塑料、 硬纸板、陶瓷车削、精车、镇削、铳削、 刮削K10布氏硬度高于 220的灰口铸铁、 短切屑的町锻铸 铁、淬火钢、硅 铝合金、铜合金、 塑料、玻璃、硬 橡胶、硬纸板、 瓷器、石材车削、诜削、钻削、铿削、 拉削、刮削肖%-“、一IJ艾 J幺iftrJ善krK20布氏硬度低于220的灰口铸铁, 有色金屈、铜、 黄铜、铝车削、铳削、刨削、镇削、 拉削K30低硬度灰口铸 铁、低强度钢、压缩木在不利条件下及允许大切削 角的车削、铳削、刨削、插 削K40软木或硬木、有色金属在不利条件下及允许大切削 角的车削、铳削、刨削、插 削S耐热介 金钛介 金紫 色S10Ni 基、Co 基、Fe 基高温合金及钛 合金精车、精铳、精镇切、一 削： 速 - 度1F耐韦磨性 tA刃pS30同上精车、精铳及半精加工11H淬硬钢 駛铸铁 及喷涂 材料深 里 色H10H30HRC55°以丄淬 火件、冷硬铸铁 及高硬喷涂件精加工及半精加工肖V-b1« :J i1F而*ife tk刃pN有色金 属及非 金属材 料绿色NOl"N30铝合金，铜合金、 镁铝合金,塑料、 橡胶精车、半精车，精镣、精铳 等作业£ 肖 文■J :k11ftr而*d寸tfe tb1注:P、M、K类以硬质合金为主要材料;S、II、N类以陶瓷，立方氮化硼.金刚冇使川效果最佳，并兼川硬质合金。

—、切削加工用硬质合金硬质合金是以难熔金属碳化物（碳化餌、碳化钛、碳化铉、碳化锐等）为硬 质合金碳化物铁族金属钻或鎳等做粘结剂，用粉末冶金方法制造的硬质合金材 料硬质合金具有熔点高、硬度高、耐磨性好，膨胀系数小及化学稳定性好等一 系列优良性能使得它在现代刀具材料占据量达到40%左右，仅次于高速钢，但 金属切除率效果显著比HSS大一倍，随着合金使用性能不断提高，应用领域不断 扩大，替代HSS刀具趋势愈来愈增多切削用的硬质合金刀具材料通常有五大类, 即常用硬质合金、添加Tac和Nbc硬质合金，细和超细晶粒硬质合金、涂层硬质 合金、钛基硬质合金硬质合金组成元素的性能见表1・2所示：表1・2,硬质合金组成元素的性能成元素性能WCTiCTaCNbCCo硬度HV2400320018002400150 〜180HBS熔点（°C）28003100380035001500热导率［W/ (m°C)121.431.822.214.254.4热膨胀系数（10勺06.27.616.616.8412.51、常用硬质合金常用硬质合金是指上个世纪五十年代我国由苏联援建的鸭钻类合金（WC-Co）,钩钛钻类合金（WC・TiC・Co）,这两类合金至今仍在生产与使用。

1」餌钻类硬质合金WC-Co类合金主要由碳化餌和钻组成这类合金与含钻量相同的其它硬质 合金比较，具有最高的抗弯强度、抗床强度、冲击韧性和弹性模数、以及较小的 线膨胀系数，但耐磨性较差这类合金可以分为低钻、中钻和高钻合金三种低钻合金通常含钻M 3-8%, 主要用于制造切削铸铁、有色金屈、非金屈和部分耐热合金、钛合金、不锈钢及 高硬度难加工材料的刀具这类合金有YG8、YG6、YG3牌号，对应于ISO标准 的K类合金其次，这类合金亦用于制造各种引伸模具、耐磨零件以及地质钻探、 石油开采旋转钻头和挖煤齿工具中钻合金（含钻10-15%）主要用于制造矿山开 采中硬及硬岩石冲击钻头和某些冲击负荷不高的冲压（拉伸）模具高钻合金（含 钻20-30%）则主要用作冲击负荷较大的冷热墩模和冲压模具1.2餌钛钻类合金WC-TiC-Co （称餌钛钻）类硬质合金这类合金主要用于制造切削刀具、它 对应于ISO标准的P类，与WGCo合金相比较，具有较高的抗氧化性（高温硬 度700-790C之间使用）,在切削工具中形成“月牙洼”的倾向小由于Ti的扩散 速度比C、Co、W等元素慢，所以钩钛钻类合金比钩钻类合金耐磨性好，为什么 在切削钢材时要选用WC-TiC-Co类合金就是这个道理。

因血在长切削材料的加 工中采用高速切削时有较长的寿命其缺点是强度较WC-Co合金低这类合金 通常按碳化钛的含量分为低钛、中钛、高钛合金三种低钛合金一般含碳化钛 4-6%,含钻9-12%,（相似国产的YT5）强度最高，用于冲击负荷较大的碳钢， 合金钢的粗切削加工（钢锭剥皮、刨削等）中钛合金一•般含碳化钛10-20%,含 钻6・8%,（国产的YT14、YT15牌号合金）用于冲击负荷小碳钢和合金钢的切削 加工高钛合金强度最低，耐磨性能好，一般含碳化钛25-40%,含钻4・6%,（国 产YT30牌号）用于小截面切屑和无冲击负荷的碳钢和合金钢精切削加工2、添加碳化钳（TaC）和碳化锯（NbC）类硬质合金硬质合金中添加TaC、NbC之后，能够有效提高常温硬度，高温强度和高 温硬度、细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化磨损的能力，从而提高了耐磨性此外 还能增强抗塑性变形的能力因此，切削性能得到改善2.1、WC+Co+TaC（NbC）类合金，其中一刊在YG类合金的基础上加入TaC, 其合金牌号称为YG6A和YG8A, YG6A加入TaC2%, YG8A加入TaC4%,另一 种也是在YG类合金的基础上加入NbC。

该合金牌号称YG8N,加入NbC2.2%, 这三个牌号的新型合金的物理机械性能和使用性能均优于含钻相同的YG6和 YG8合金牌号不仅在切削上述材料时刀具寿命延长30%左右，还适应切削硬口 口铸铁层和蒙乃尔合金等多种难加工材料，如YG8A合金在切削耐热不锈钢时， 其耐磨性能和抗粘结能力又优于YG8N合金2.2、WC+TiC+TaC(NbC)+Co类合金，即在WC+TiC+Co类合金基础上加入 TaC(NbC),主要用于钢材切削加工，它比WC-TiC-Co合金有更好的高温抗氧化 性，同吋乂有较好的抗热震性，因而常常具有较高的刀具寿命这类合金种类繁 多，归纳起来可分为四种：(1)通用类合金，TiC含量为4-10%, TaC(NbC)含量 为4-8%, Co含量为6・8%综合性能较好，适用范围宽，即可加工钢材，又可以加 工铸铁和有色金属，但其单项性能并不比普通的WC-TiC-Co和WC-Co合金强 如国产YW1, YW2, YW3, YMI0(YW4)等牌号就是这类合金，相半于ISO的M 类，尤其适用于各种合金钢、不锈钢的切削加工更能发挥其优势，如YW3牌号 合金特别擅长切削含有Cr、Mn、Si、Mo、V等兀素的钢种，从一般粗加工、半 精加工及精加工均可胜任，在切削35CrMnSiA和炮钢时比原用YT类硬质合金刀 片寿命提高三倍，在切削耐热合金钢40MnMol8G3吋，用YT类合金粘刀现象严 重，刀具磨损加剧，切削路程短，选用YW3合金减少粘刀现象，增强抗耐磨能 力，切削路程比原来提高三倍。

YM10合金适用除银基以外大多数合金钢，调质 钢，在攻克ICrl8NillSi4AITi双相体不锈钢精加工时，经过选择多种合金对比试 验只有YM10合金能完全满足被加工件的精度和粗糙度的技术耍求2)切削调 质钢、淬硬钢专用合金：这类合金是在WC-TiC-Co成分中加入NbC,可以改善 合金的高温硬度、高温强度和抗氧化性能，上个世纪中后期株硬厂研发出YT05 牌号，随后自贡厂乂推出加入其它碳化物合金YT726,这两个牌号合金为国内有 效地解决了调质钢、淬火钢HRC55・60°C过去无法切削的难题为一些企业用切 削方法加工淬火钢工件实现了以车代磨提高生产效率十余倍，此例举不胜举3) 铳削和重力切削用的合金：铳削系断续切削、重力切削系大进给量、大切削深度 并兼有断续切削、两者切削状况均承受巨大的切削力、机械摩擦、震动、冲击和 切削热的作用，特别是铳削作业急冷急热。