《金屬切削原理》第2章刀具材料

1、第二章 刀具材料第一節(jié) 刀具材料應(yīng)具備的性能刀具的工作條件：高壓、高溫、強(qiáng)烈摩擦、振動(dòng)、沖擊、熱沖擊一、刀具材料應(yīng)具備的性能1、高硬度和耐磨性硬度62HRC耐磨性與硬度、化學(xué)成分、強(qiáng)度、顯微組織、摩擦區(qū)溫度有關(guān)2、足夠的強(qiáng)度和韌性動(dòng)靜載荷下變形小、不崩刃折斷3、高耐熱性高溫下保持耐磨性、硬度、化學(xué)成分、強(qiáng)度、韌性的能力（高溫硬度表示）一般以高溫硬度表示4、良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能導(dǎo)熱系數(shù) 熱膨脹系數(shù)5、良好的工藝性6、經(jīng)濟(jì)性二、刀具材料的分類工具鋼碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷超硬材料人造金剛石立方氮化硼第二節(jié) 工具鋼一、碳素工具鋼含碳量0.651.35的優(yōu)質(zhì)高碳鋼T7A T8A

2、 T10A T12A工藝性好可熱處理耐磨性好淬火硬度可達(dá)HRC5864價(jià)格低耐熱性差250300硬度下降（馬氏體分解）碳化物分布不均勻淬火變形大淬透性差v510m/min銼刀、絲錐、鋸條、板牙等低速手動(dòng)工具二、合金工具鋼高碳鋼中加入合金元素（Si、Cr、W、Mn、V）總量不超過359SiCr CrWMn CrMn CrW5 9Mn2V提高韌性、耐磨性、耐熱性耐熱性325400v1015m/min絲錐、板牙、鉸刀、搓絲板等低速機(jī)用工具三、高速鋼（白鋼、鋒鋼、風(fēng)鋼）含有較多合金元素（W、Cr、Mo、V等）的高合金工具鋼HRC6367500650強(qiáng)度高工藝性好高性能HSS高耐熱性HSS高碳HSS9W

3、6Mo5Cr4V2（提高耐熱、耐磨）高釩HSSW6Mo5Cr4V3鈷HSSW2Mo9Cr4VCo8超硬HSS鋁HSSW6Mo5Cr4V2Al粉末冶金HSS（可加大含碳量、細(xì)小均勻結(jié)晶組織、磨加工性好、物理力學(xué)性能高度各向同性、減小淬火變形、碳化物不易剝落）四、合金元素的作用W、Fe、Cr、V與C形成化合物提高耐磨性W溶于基體，增加高溫硬度Mo作用同W（1Mo2W）并可細(xì)化碳化物，提高韌性Co、Al、Si、Nb（鈮）提高高溫硬度V提高耐磨性（不宜超過3）第三節(jié) 硬質(zhì)合金一、組成及特點(diǎn)1、組成高硬度、高熔點(diǎn)的重金屬碳化物（WC、TiC、TaC鉭、NbC鈮）粉末和金屬結(jié)合劑（Co、Ni）粉末冶金而成

4、2、特點(diǎn)高硬度HRA8991強(qiáng)度韌性低高耐熱性8001000熱穩(wěn)定性好v是HSS的410倍二、影響硬質(zhì)合金性能的因素金屬碳化物的種類、性能、數(shù)量、粒度、結(jié)合劑數(shù)量1、種類和性能硬度TiCWCTaC熔點(diǎn)TaCTiCWC強(qiáng)度WCTiCTaC導(dǎo)熱WCTiCTaC2、數(shù)量、粒度、結(jié)合劑數(shù)量碳化物硬度強(qiáng)度結(jié)合劑硬度強(qiáng)度粒度結(jié)合劑層厚度硬度強(qiáng)度3、碳化物分布均勻防止熱應(yīng)力和機(jī)械沖擊產(chǎn)生裂紋TaC碳化物顆粒細(xì)化 分布均勻三、種類及牌號1、WC基類（常用）1）鎢鈷類 WCCoYG數(shù)字為Co含量YG3 YG6 YG8硬度強(qiáng)度2）鎢鈦鈷類 WCTiCCoYT數(shù)字為TiC含量YT5 YT15 YT30硬度強(qiáng)度3）鎢

5、鈷鉭（鈮）類 WCTaC（NbC）CoYGAYG6A4）鎢鈦鈷鉭（鈮）類 WCTiCTaC（NbC）CoYW通用硬質(zhì)合金YW1 YW22、TiC基類 TiCNiMoYN鋼件精加工YN10 YN053、鋼結(jié)硬質(zhì)合金TiC或WC3040HSS7060粉末冶金性能介于HSS與Y之間可鍛造、熱處理、切削加工、制作復(fù)雜刀具四、性能特點(diǎn)1、硬度、強(qiáng)度Co硬度強(qiáng)度韌性Co相同硬度YTYG強(qiáng)度韌性YGYT 硬度細(xì)晶粒粗晶粒強(qiáng)度細(xì)晶粒粗晶粒含TaC（NbC）硬度強(qiáng)度2、導(dǎo)熱系數(shù)YGYT （因WCTiC）YG：Co導(dǎo)熱系數(shù)YT：TiC導(dǎo)熱系數(shù)3、線膨脹系數(shù)YTYGTiC線膨脹系數(shù)4、抗粘結(jié)性YTYG五、硬質(zhì)合金的

6、選用（P26 表24）第四節(jié) 涂層刀具一、材料TiC（灰）：硬度高、耐磨性好、線膨脹系數(shù)與基體相近，粘結(jié)牢固TiN（金）：硬度稍低、結(jié)合稍差、摩擦系數(shù)小、抗粘結(jié)磨損Al2O3（亮白）：類剛玉結(jié)構(gòu)，高硬度，高耐磨，高溫穩(wěn)定TiAlN（灰藍(lán)）：Al含量小于50，高溫Al滲出，形成耐高溫氧化膜AlTiN（灰藍(lán)）：Al含量超過50TiCN（灰藍(lán)）：金剛石（暗灰）：高硬度，高耐磨，高溫不穩(wěn)定MoS2（黑灰）：高耐熱性，極低摩擦系數(shù)WC/C（深灰）：中耐熱性，極低摩擦系數(shù)AlCrN：良好的抗氧化性和熱硬度目前商業(yè)應(yīng)用的還有TiB2、CrSiN、ZrN、CrN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx和NbN等

7、材料二、分類1、層數(shù)分類單涂層多涂層2、厚度分類微米級涂層納米級涂層3、材料性質(zhì)分類硬涂層：在韌性較好的刀具材料上涂敷高性能的難熔金屬化合物，改善材料性能軟涂層：主要成分為具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料，如：MoS2、WC/C、WS2、BN、CaF2和TaS2等。用于對刀具摩擦有非常高要求的加工，軟涂層形成固體潤滑膜，從而使刀具材料具有很低的摩擦系數(shù)，一般在硬涂層表面上以第二涂層的方式沉積。特點(diǎn)：摩擦系數(shù)低、承載極限高、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好、物性變化小、能適應(yīng)1200以上的工作溫度范圍和很寬的摩擦副運(yùn)動(dòng)速度范圍，適于在高溫、高速和大載荷等特殊環(huán)境條件下使用。機(jī)理：由于具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤滑劑與摩擦

8、表面具有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，并且各層之間有較低的剪切強(qiáng)度，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會(huì)轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤滑膜之間，在固體潤滑膜內(nèi)部，從而可達(dá)到減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。三、涂層工藝工藝出現(xiàn)時(shí)間用途CVDHT-CVD（高溫化學(xué)氣相沉積）上世紀(jì)六十年代TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層，其涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，薄膜 厚度可達(dá)79m。PCVD（低溫化學(xué)氣相沉積）450650上世紀(jì)八十年代末TiN、TiCN、TiC等涂層MT-CVD（中溫化學(xué)氣相沉積）上世紀(jì)九十年代

9、中期可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達(dá)810m。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性。適合于高速、高溫、 大負(fù)荷、干式切削條件下使用。PVDPVD（物理氣相沉積）500以下上世紀(jì)七十年代末可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。上世紀(jì)九十年代中期硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)已取得了突破工藝對比CVD工藝PVD工藝溫度工藝處理溫度高,易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度的下降PVD工藝處理溫度低，在600以下對刀具材料的抗彎強(qiáng)度沒有影響應(yīng)力薄膜內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài),使用中易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類刀具的涂層污染排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染,對環(huán)境影響較大對

10、環(huán)境沒有不利影響1、化學(xué)氣相沉積（CVD） 工藝溫度高，對刀具材料有影響，常用于整體硬質(zhì)合金刀具涂層。不適合釬焊的硬質(zhì)合金刀片和高速鋼刀具，因?yàn)檫^高的沉積溫度(1400F)會(huì)損壞釬焊的硬質(zhì)合金刀片和高速鋼刀具。高溫CVD低溫CVD中溫CVD2、物理氣相沉積（PVD） 工藝溫度低，可用于HSS刀具涂層真空濺射 512m單涂層 雙涂層 三涂層四、性能刀具不能重磨、焊接。金剛石涂層刀具在加工非金屬復(fù)合材料和塑料時(shí)，刀具壽命可比不涂層的硬質(zhì)合金刀具提高1020倍或更高。通過去除刀具表面的鈷粘結(jié)劑，留下的顯微孔隙成為金剛石涂層生長的支撐點(diǎn)第五節(jié) 其它材料一、陶瓷1、特點(diǎn)：高硬度，高耐磨性高化學(xué)穩(wěn)定性低摩擦系數(shù)高耐熱性抗熱沖擊性差，強(qiáng)度韌性低2、分類：1）、高純氧化鋁陶瓷Al2O3微量添加劑冷壓燒結(jié)HRA91922）、復(fù)合氧化鋁陶瓷Al2O3TiCNi（Mo）熱壓HRA9394200時(shí)HRA80