金屬切削刀具常用材料及其選用

1、金屬切削刀具常用材料及其選用 金屬切削加工時(shí)利用刀具切除被加工零件多余材料從而獲得合格零件的加 工方法, 它是機(jī)械制造業(yè)中最基本的方法。 而在金屬切削加工中, 刀具是必不可 少的一部分, 而刀具材料的選擇更是重要的一部分。 為更合理使用金屬材料, 充 分發(fā)揮其作用, 必須掌握各種金屬材料制成的零、 構(gòu)件在正常工作情況下應(yīng)具備 的性能(使用性能及其在冷熱加工過程中材料應(yīng)具備的性能(工藝性能 。金 屬切削刀具的切削性與其幾何參數(shù)有非常重要的關(guān)秉, 但能夠決定刀具材料切削 性能的是其本身的強(qiáng)度和鋤性, 硬度和耐磨性, 耐熱性等。 本文詳細(xì)介紹了金屬 切刺刀具常用的材料及其典型牌號(hào)的這些特性,通過對(duì)刀

2、具材料這些特性的分 析, 佳人們能夠了解每種刀具材料適易于加工的工件材料, 有助于幫助使用者合 理選擇.以充分發(fā)揮材料的切削性能。在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中, 機(jī)械加工的切削刀具對(duì)于提高生產(chǎn)效率, 改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì) 量起到關(guān)鍵的作用。 由于目前國(guó)家各工廠所應(yīng)用的刀具材料非常復(fù)雜, 又由于刀 具材料的性能優(yōu)劣能夠影響加工零件表面的切削效率,刀具壽命等。材料的使用性能包括物理性能 (如比重、 熔點(diǎn)、 導(dǎo)電性、 導(dǎo)熱性、 熱膨脹性、 磁性等 、化學(xué)性能(耐用腐蝕性、抗氧化性 ,力學(xué)性能也叫機(jī)械性能。 機(jī)械 性能 機(jī)械性能是指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。1. 強(qiáng)度:材料在外力(載荷作用下,抵抗變形和斷裂的

3、能力。材料單位面 積受載荷稱應(yīng)力。2. 屈服點(diǎn)(s :稱屈服強(qiáng)度,指材料在拉抻過程中,材料所受應(yīng)力達(dá)到某 一臨界值時(shí),載荷不再增加變形卻繼續(xù)增加或產(chǎn)生 0.2%L。時(shí)應(yīng)力值,單位用牛 頓 /毫米 2(N/mm2表示。3. 抗拉強(qiáng)度(b 也叫強(qiáng)度極限指材料在拉斷前承受最大應(yīng)力值。單位用 牛頓 /毫米 2(N/mm2表示。4. 延伸率( :材料在拉伸斷裂后,總伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比。5. 斷面收縮率 ( 材料在拉伸斷裂后、 斷面最大縮小面積與原斷面積百分 比。6. 硬度:指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力, 常用硬度按其范圍測(cè)定分布氏硬度(HBS 、 HBW 和洛氏硬度(HKA 、 HKB

4、、 HRC 7. 沖擊韌性 (Ak :材料抵抗沖擊載荷的能力, 單位為焦耳 /厘米 2(J/cm2 . 工藝性能 指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。8. 鑄造性能:指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能, 主要包括流性能、 充滿鑄模能力;收縮性、鑄件凝固時(shí)體積收縮的能力;偏析指化學(xué)成分不均性。 9. 焊接性能:指金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法, 把兩個(gè)或兩個(gè)以 上金屬材料焊接到一起,接口處能滿足使用目的的特性。10. 頂氣段性能:指金屬材料能承授予頂鍛而不破裂的性能。11. 冷彎性能:指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。彎曲程度一 般用彎曲角度 (外角或彎心直徑 d 對(duì)材料

5、厚度 a 的比值表示, a 愈大 或 d/a 愈小,則材料的冷彎性愈好。12. 沖壓性能:金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進(jìn)行沖 壓叫冷沖壓。檢驗(yàn)方法用杯突試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。13. 鍛造性能:金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。 化 學(xué)性能 指金屬材料與周圍介質(zhì)掃觸時(shí)抵抗發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的性能。 14. 耐腐蝕性:指金屬材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。15. 抗氧化性:指金屬材料在高溫下,抵抗產(chǎn)生氧化皮能力。而在金屬切削過程中刀具切削部分在高溫下承受著很大的切削力與劇烈摩 擦, 所以為了提高工件表面質(zhì)量, 刀具壽命及切削效率因此刀具材料應(yīng)具備以下 性能:高的硬度和耐磨性

6、足夠的強(qiáng)度和韌性高的耐熱性良好的工藝性與經(jīng)濟(jì)性好的導(dǎo)熱性和小的膨脹系數(shù)。因此面對(duì)刀具所應(yīng)具備的性能, 刀具材料選擇時(shí)很難找到各方面的性能都是最佳 的, 因?yàn)楦鞣N材料性能之間有的是相互制約的, 面對(duì)如此情況只能根據(jù)工藝的需 要保證主要需求性能。當(dāng)前使用的刀具材料主要分為四大類:工具鋼 (包括碳素工具鋼、 合金工具鋼、高速鋼 、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬質(zhì)刀具材料,一般的機(jī)加工使用最多的是 高速鋼與硬質(zhì)合鋼。1、工具鋼用來制造刀具的工具鋼主要有三種即碳素工具鋼, 合金工具鋼和高速鋼。 工 具鋼的主要特點(diǎn)是耐熱性差但抗彎強(qiáng)度高, 價(jià)格便宜焊接與刃磨性能好故廣泛用 于中低速切削的成形刀具,不宜高速切削。碳素

7、工具鋼碳素工具鋼按化學(xué)成分分類, 碳素工具鋼負(fù)屬于非合金鋼, 按主要質(zhì)量等級(jí) 和主要性能及使用特性分類, 碳素工具鋼屬于特殊質(zhì)量非合金鋼, 碳素工具鋼常 用于制作刀具、 模具和量具的碳素鋼, 其加工性良好價(jià)格低廉, 使用范圍廣泛所 以它在工具鋼中用量較大。 由于碳素工具鋼生產(chǎn)成本極低, 原材料來源方便易于 冷熱加工,在熱處理后可獲得相當(dāng)高的硬度,由于碳素工具鋼在切削溫度高于 250300時(shí),馬氏體要分解,使得硬度降低,碳化物分布不均勻,淬火后變形 較大,易產(chǎn)生裂紋,淬透性差,淬硬層薄所以只適于用于切削速度很低的刀具, 如銼刀、手用鋸條等。合金工具鋼合金工具鋼是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加熱鉻、 鎢、

8、釩等合金元素, 以提高淬透 性,韌性,耐磨性和耐熱性的一類鋼種,它主要用于制造量具、刀具、耐沖擊工 具和冷熱模具及一些特殊用途的工具。由于合金工具鋼熱硬性達(dá) 325400, 允許切削速度為 1015m/min,所以其目前主要用于低速工具如絲錐、板牙等。 高速鋼常用于制造各種復(fù)雜刀具,如鉆頭、絲錐.拉刀、成型刀具、齒輪刀具等。 它可以加工從有色金屬到高溫合金的各種材料。常用的種類有:普通高速鋼、 高性能高速鋼,粉末冶金高速鋼。高速鋼是含有 W 、 Mo 、 Cr 、 V 等元素較多,具 有高硬度, 高耐磨性的工具鋼, 又稱高速工具鋼為白鋼或鋒鋼。 高速鋼的綜合性 能較好, 應(yīng)用范圍最廣的一種刀具

9、材料, 因此主要用來制造復(fù)雜的薄刃和耐沖擊 的金屬切削刀具也可制造高溫軸承和冷擠壓模具等, 高速鋼經(jīng)過熱處理后硬度達(dá) 6266HRC ,抗彎強(qiáng)度約為 3.3GPa ,耐熱性為 600左右,此外還具有熱處理變 形小, 能鍛造, 易磨出較鋒利的刃口等優(yōu)點(diǎn), 他常用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的成形刀具,孔加工刀具,如銑刀,拉刀。切齒刀具等。2、硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金足當(dāng)今最豐要的刀具材料之一。它是【f1難熔金屬碳化物(w C.Tic,TaC,NbC和金屬枯結(jié)齊q(Ni、Co、Mo經(jīng)粉末冶 金方法制成的。 但脆性大, 抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性小強(qiáng)。 抗彎強(qiáng)度只有高速鋼的 l/3一l/2, 沖擊韌性只有高速鋼的1/4l/35

10、. 允許切削溫度高達(dá) 8001000。 硬質(zhì)合金力學(xué)性能主要由組成硬質(zhì)合金碳化物的種類、 數(shù) 量、顆粒的粗細(xì)和粘結(jié)劑的種類、含量、分布情況決定。一般來說碳化物的含量 越多,刀具的耐磨性、耐熱性越好,但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性降低t反之,粘結(jié)劑 的含量越高,則刀具的抗彎強(qiáng)度,沖擊韌性越好,而耐磨性和耐熱性降低。細(xì)晶 粒的硬質(zhì)合金的硬度高于粗晶粒的硬質(zhì)合金, 而強(qiáng)度和韌性低下粗晶粒。 常用的 種類有:鎢鈷類硬質(zhì)合金YG,鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金YT、鎢鈦鉭(鈮類硬質(zhì)合 金Yw。分別相當(dāng)于lSO標(biāo)準(zhǔn)的K、P、M類。硬質(zhì)合金有難熔金屬的硬質(zhì)化合物和粘結(jié)金屬通過粉末冶金工業(yè)制成的一 種合金材料,硬質(zhì)合金具有耐熱性好,

11、切削效率高,強(qiáng)度和韌性較好的,耐磨, 耐腐蝕等性能。常用的硬質(zhì)合金中含有大量的 WC , TiC ,因此硬度,耐熱性均高 于工具鋼, 硬質(zhì)合金是當(dāng)今主要的刀具材料之一, 硬質(zhì)合金廣泛用作刀具材料如 車刀、銑刀、鉆頭、鏜刀等。硬質(zhì)合金刀具比高速鋼切削速度高 47倍,刀具壽命高 580倍但硬質(zhì)合 金脆性大, 不能進(jìn)行切削加工, 難以制成形狀復(fù)雜的整體刀具, 因而常制成不同 形狀的刀片,采用焊接,粘接,機(jī)械夾持等方法安裝在刀體或模具上使用,因此 大多數(shù)車刀,端銑刀和部分立銑刀等均已采用硬質(zhì)合金制造。3、陶瓷隨著新技術(shù)革命的發(fā)展要求不斷提高切削加工生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本, 特別 是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展, 要求

12、開發(fā)比硬質(zhì)合金刀具切速更高、 更耐磨的新型刀具。 近 幾年來, 隨著對(duì)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域研究的不斷深入, 使氮化硅陶瓷的性能有了很 大提高,從而使氧化硅陶瓷刀具在我國(guó)迅速發(fā)展起來。陶瓷刀具是以氧化鋁或以氮化硅為基體再加入少量金屬, 在高溫下燒結(jié)而成 的一種刀具材料。陶瓷刀具具有高硬度、耐磨性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、摩擦系數(shù)低、 強(qiáng)度與韌性低和熱導(dǎo)率低等特點(diǎn), 由此陶瓷刀具一般適用于在高速下精細(xì) 加工硬材料。4、超硬質(zhì)刀具超硬質(zhì)刀具是現(xiàn)代工程材料的加工在硬度方面提出的更高的要求而應(yīng)運(yùn)而 生的, 超硬材料的化學(xué)成分及其形成硬度的規(guī)律或其他刀具材料不同。 現(xiàn)代刀具 材料高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷的主要硬質(zhì)成

13、分是碳化物、氧化物、氮化物這些化 合物的硬度高達(dá) 3000HV ,加上粘結(jié)物質(zhì)其總體硬度在 2000HV 以下,對(duì)于現(xiàn)代工 程材料的加工在某些情況下, 上述刀具材料的硬度已無法滿足需求, 于是就產(chǎn)生 了超硬質(zhì)刀具材料。超硬質(zhì)刀具材料有很多種如金剛石、 立方氮化硼等, 它具有優(yōu)異的機(jī)械性能, 物理性能和其他性能, 其中有些性能適合于刀具, 具有很高的硬度, 良好的導(dǎo)熱 性,較高的楊氏模量,熱膨脹很小,較小的密度和較低的斷裂韌性。其中立方氮化硼具有較高硬度, 高熱和穩(wěn)定性, 對(duì)鐵族元素呈惰性故最適合 制作切削各種淬硬質(zhì)鋼 (碳素工具鋼、 合金工具鋼、 高速鋼等 各種鐵基、 鎳基、 鈷基和其他熱噴涂(焊零件。金剛石具有較高的硬度及其他優(yōu)異性, 他制作的刀具應(yīng)用范圍更廣泛, 可以 加工各種難加工的材料, 非難加工材料, 但天然金剛石價(jià)格昂貴, 主要用于有色 金屬及非金屬的精密加工。 超硬質(zhì)材料由于性能優(yōu)越, 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大, 已經(jīng) 從金屬加工發(fā)展到光學(xué)玻璃加工, 石材加工,