第二章 刀具材料

1、第一節(jié)第一節(jié) 刀具材料應(yīng)具備的性能刀具材料應(yīng)具備的性能第二節(jié)第二節(jié) 高速鋼高速鋼第四節(jié)第四節(jié) 涂層刀具涂層刀具第三節(jié)第三節(jié) 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金第五節(jié)第五節(jié) 其他刀具材料其他刀具材料第六節(jié)第六節(jié) 刀具材料的發(fā)展刀具材料的發(fā)展 表表2-1 2-1 各種刀具材料的物理力學(xué)性能各種刀具材料的物理力學(xué)性能 （續(xù)）（續(xù)） （續(xù)）（續(xù)） 返回本返回本章目錄章目錄第二節(jié) 高 速 鋼 高速鋼是富含W、Cr、Mo(鉬)、V等合金元素的高合金工具鋼。在工廠中常稱為白鋼或鋒鋼。 高速鋼的特點(diǎn)高速鋼的特點(diǎn) 與碳素工具鋼、合金工具鋼相比，高速鋼的熱硬性很高，在切削溫度高達(dá)500650時(shí)，仍能保持60HRC的高硬度，因此允許

2、切削速度可提高l2倍(25m/min30m/min)。同時(shí)，高速鋼還具有較高的耐磨性以及較高的強(qiáng)度和韌性。 與硬質(zhì)合金相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是可加工性好并具有良好的綜合力學(xué)性能。其退火硬度為207HBS255HBS，與優(yōu)質(zhì)中、高碳鋼的退火硬度相近，能夠用一般材料刀具順利切削加工出各種復(fù)雜形狀；在加熱狀態(tài)下(9001100)能反復(fù)鍛打制成所需的毛坯；高速鋼的抗彎強(qiáng)度是硬質(zhì)合金的35倍，沖擊韌性是硬質(zhì)合金的610倍；經(jīng)過(guò)仔細(xì)研磨，高速鋼刀具鈍圓半徑可小于，其鋒利性比硬質(zhì)合金優(yōu)良。v 總之，高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質(zhì)合金好得多。v 應(yīng)用：高速鋼仍是世界各國(guó)制造復(fù)雜、精密和成形刀具

3、的基本材料，是應(yīng)用最廣泛的刀具材料之一。 常用高速鋼材料的分類與性能及應(yīng)用 分類：普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。一、一、 普通高速鋼普通高速鋼 特點(diǎn)：工藝性能好，具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性?？捎糜谥圃旄鞣N刃形復(fù)雜的刀具。切削普通鋼料時(shí)的切削速度通常不高于40m/min60m/min。普通高速鋼又分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼兩類。 (1) 鎢系高速鋼。鎢系高速鋼。這類高速鋼的典型牌號(hào)為W18Cr4V(簡(jiǎn)稱W18)，含C量為0.7%0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此類高速鋼綜合性能較好，可制造各種復(fù)雜刃型刀具。 2.、 鎢鉬系高速鋼鎢鉬系高速鋼。它是以Mo代替部分W發(fā)展

4、起來(lái)的一種高速鋼，典型牌號(hào)是W6Mo5 Cr4V2(簡(jiǎn)稱M2)，含碳量為0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。 與W18Cr4V相比，優(yōu)點(diǎn)是碳化物含量相應(yīng)減少，而且顆粒細(xì)小分布均勻，因此抗彎強(qiáng)度、塑性、韌性和耐磨性都略有提高，適于制造尺寸較大、承受沖擊力較大的刀具(如滾刀、插刀)；又因Mo的存在，使其熱塑性非常好，故特別適于軋制或扭制鉆頭等熱成形刀具。其主要缺點(diǎn)是可磨削性略低于W18Cr4V。 二、高性能高速鋼二、高性能高速鋼 高性能高速鋼是在普通高速鋼成分中再添加一些C、V、Co(鈷)、Al(鋁)等合金元素，進(jìn)一步提高耐熱性能和耐磨性。這類高速鋼刀具的耐用度為普通高速鋼的1

5、.53倍。 應(yīng)用：加工不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。 (1) 鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8，簡(jiǎn)稱M42)。這是一種含Co超硬高速鋼，常溫硬度達(dá)67HRC69HRC，具有良好的綜合性能。Co能提高高溫硬度，相應(yīng)地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。 (2) 鋁高速鋼(W6Mo5Cr4V2Al，簡(jiǎn)稱501)。鋁高速鋼是我國(guó)研制的無(wú)鈷高速鋼，是在W6Mo5Cr4V2的基礎(chǔ)上增加鋁、碳的含量，以提高鋼的耐熱性和耐磨性，并使其強(qiáng)度和韌性不降低。 三、三、 粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼 粉末冶金高速鋼：是將熔煉的高速鋼液用高壓惰性氣體霧化成細(xì)小粉末，將粉末在高溫高壓下制成刀坯，

6、或壓制成鋼坯然后經(jīng)軋制(或鍛造)成材的一種刀具材料。 特點(diǎn)：與熔煉高速鋼相比，由于碳化物細(xì)小，分布均勻，熱處理變形小，因此粉末冶金高速鋼耐磨性好和可磨削性均得到顯著改善。 應(yīng)用：適于制造切削難加工材料的刀具，特別適于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具。 (4) TiC基硬質(zhì)合金。TiC基硬質(zhì)合金是以TiC為主體，Ni與Mo為黏結(jié)劑，并加入少量其他碳化物而形成的一種硬質(zhì)合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬質(zhì)合金更高的耐磨性、耐熱性和抗氧化能力，但熱導(dǎo)率低和韌性較差。 應(yīng)用：適用于工具鋼的半精加工和精加工及淬硬鋼的加工。 三、硬質(zhì)合金選用見(jiàn)表三、硬質(zhì)合金選用見(jiàn)表2-5表表2-5 2-5 常

7、用硬質(zhì)合金牌號(hào)的選用常用硬質(zhì)合金牌號(hào)的選用 第四節(jié)第四節(jié) 涂層刀具涂層刀具 涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了月牙槽磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)可比未涂層刀具提高刀具壽命35倍以上，提高切削速度20%70%，提高加工精度0.51級(jí)，降低刀具消耗費(fèi)用20%50%。因此，涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)

8、志，在刀具中的使用比例已超過(guò)50%。目前，切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來(lái)提高它們的使用性能。涂層刀具涂層刀具 涂層刀具有四種：涂層高速鋼刀具，涂層硬質(zhì)合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上)，可減少刀片的崩刃及破損，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。涂層刀具涂層刀具 涂層方法目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積(PVD) 法和化學(xué)氣相沉積(CV

9、D) 法。前者沉積溫度為500，涂層厚度為25µm；后者的沉積溫度為9001100，涂層厚度可達(dá)510µm，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，涂層均勻。因PVD法未超過(guò)高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí)，由于其沉積溫度高，故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(相)，導(dǎo)致刀片脆性破裂。近十幾年來(lái)，隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國(guó)外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開(kāi)發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱為PACVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。即利用等離子體來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可把涂覆溫度降至400以下(目前涂

10、覆溫度已可降至180200)，使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。據(jù)報(bào)道，這種方法對(duì)涂覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬涂層特別有效。涂層刀具涂層刀具 涂層方法:用CVD法涂層時(shí)，切削刃需預(yù)先進(jìn)行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.020.08mm，切削刃強(qiáng)度隨鈍圓半徑增大而提高)，故刃口沒(méi)有未涂層刀片鋒利。所以，對(duì)精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)采用PVD法。涂層除可涂覆在普通切削刀片上外，還可涂覆到整體刀具上，目前已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報(bào)道，國(guó)外某公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法，結(jié)果使加工鋼料時(shí)的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長(zhǎng)

11、10倍，效率提高5倍。涂層刀具涂層刀具涂層涂層 顏色顏色 硬度硬度HVHV厚度厚度 摩擦摩擦系數(shù)系數(shù)最高使用最高使用溫度溫度說(shuō)明說(shuō)明工具例工具例ZrCN復(fù)合 蘭灰 2500 140.3550 通用性強(qiáng)TiN單層金黃2300 140.4500 應(yīng)用最為普遍，具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性；適合大多數(shù)切削刀具，也適合多數(shù)成形模具及抗磨損工件.TiAlN復(fù)合紫藍(lán)3200 140.5800 化學(xué)穩(wěn)定性好，具有高熱硬性，極好的抗氧化和耐磨性，適合干切削場(chǎng)合。AlTiN復(fù)合黑3400 140.5900高速、高硬度加工TiAlCrN亞黑3500 140.61000特殊加工領(lǐng)域TiCN漸層灰黑3000 140.

12、4500 具有較低的內(nèi)應(yīng)力，較高的韌性以及良好的潤(rùn)滑性能；適合要求較低的摩擦系數(shù)而高硬度的加工環(huán)境.CrN漸層銀亮20003150.5700 有著顯著的強(qiáng)潤(rùn)滑性能和耐高溫特性，最適合銅類金屬的切削刀具，以及耐磨耐腐零件的涂層.DLC黑100040000.520.05400 優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕性能，摩擦系數(shù)極低，與基體結(jié)合力強(qiáng)。用于刀具時(shí)，通常以TiAlN為基體配合使用，用以加工有色金屬、石墨等材料.涂層硬度公次于金剛石涂層刀具涂層刀具 涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項(xiàng)要求。所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3，進(jìn)入到開(kāi)發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開(kāi)發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層耐磨性方面有了重大進(jìn)展。目前，又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù)，全面提高了刀具的性能。 陶瓷刀具廣泛用于高速切削、干切削、硬切削以及難加工材料的切削加工?！耙攒嚧ァ?；其中以氧化