常用刀具材料分類特點和應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上金屬切削原理讀書報告常用刀具材料分類特點及應(yīng)用姓名： 班級： 學號： 2014年5月7日摘要本文在閱讀有關(guān)論文和專著的基礎(chǔ)上對現(xiàn)階段常用的刀具材料進行了總結(jié)和分析，總結(jié)出了碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石、立方碳化硼等刀具材料的特點及應(yīng)用范圍，同時針對幾種常見的切削工序中刀具材料的應(yīng)用做了簡單的分析。專心-專注-專業(yè)目 錄1刀具材料的發(fā)展歷史1刀具材料的發(fā)展在人類的生活、生產(chǎn)中有著很大的重要性。18世紀中葉, 在歐洲出現(xiàn)了工業(yè)革命以后, 切削刀具一直是用碳素工具鋼制造, 其成分與現(xiàn)代的T10、T12相近。1865年，英國羅伯特墨希特發(fā)明了合金工具

2、鋼，其牌號有9CrSi、CrWMn等。隨著對加工效率要求的提高，新的刀具材料在不斷更新。1898年，美國機械工程師泰勒和冶金工程師懷特發(fā)明了高速鋼。進入20世紀，人們不斷尋求新型刀具材料。20世紀20年代中期到30年代初，出現(xiàn)了鎢鈷類和鎢鈦類硬質(zhì)合金。然而硬質(zhì)合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相繼出現(xiàn)。20世紀30年代出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷，后來又有氦化硅陶瓷到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金剛石。總而言之，20世紀中，刀具材料發(fā)展的速度比過去快得多，其種類、類型、數(shù)量和性能均有大幅度的發(fā)展。2 常用刀具材料及特點對于金屬切削刀具來說，切削

3、過程中要承受很大的壓力，同時會與工件、切屑相互接觸的表面產(chǎn)生摩擦力，切削產(chǎn)生的熱量使得刀具溫度上升，產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力。因此刀具材料應(yīng)能滿足這樣幾個要求：高的硬度和耐磨性、足夠的強度和韌性、良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能、良好的工藝性以及經(jīng)濟性。目前在機械加工中常用的刀具材料有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。2不同刀具材料的性能有所不同，因此在應(yīng)根據(jù)具體的切削條件選擇合適的刀具材料。下面將分別介紹每種刀具材料。2.1 碳素工具鋼按照GB/T13304鋼分類第1部分“鋼按化學成分分類”，碳素工具鋼屬于。按照標準第2部分“鋼按主要質(zhì)量等級和主要性能及使用特性分類

4、”，碳素工具鋼屬于特殊質(zhì)量非合金鋼。碳素工具鋼牌號及化學成分見表1表1 碳素工具鋼牌號及化學成分3序號牌號化學成分（質(zhì)量分數(shù)）/%CMnSi1T70.650.740.400.352T80.750.843T8Mn0.800.900.400.604T90.850.940.405T100.951.046T111.051.147T121.151.248T131.251.35注：高級優(yōu)質(zhì)鋼在牌號后面加”A”。碳素工具鋼價廉易得，易于鍛造成形，切削加工性也比較好。碳素工具鋼的主要缺點是淬透性差，需要用水、鹽水或堿水淬火，畸變和開裂傾向性大，耐磨性和熱強度都很低。因此，碳素工具鋼只能用來制造一些小型手工刀具

5、或木工刀具，以及精度要求不高、形狀簡單、尺寸小、負荷輕的小型冷作模具，如用來制造小沖頭、剪刀、冷沖模、冷鐓模等。2.2 合金工具鋼合金工具鋼，是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入鉻、鉬、鎢、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、刃具、耐沖擊工具和冷、熱模具及一些特殊用途的工具。表2列舉的為合金工具鋼中量具刃具用鋼的牌號和化學成分。表2 量具刃具用鋼的牌號和化學成分4序號牌號化學成分 %CSiMnPSCrWMoV其他不大于19SiCr0.850.951.201.600.300.600.0300.0300.951.25Co1.0028MnSi0.750.850.300.

6、600.801.100.0300.0303Cr061.351.450.400.400.0300.0300.500.704Cr20.951.100.400.400.0300.0301.301.6559Cr20.800.950.400.400.0300.0301.301.706W1.051.250.400.400.0300.0300.100.300.801.20合金工具鋼的淬硬性、淬透性、耐磨性和韌性均比碳素工具鋼高，按用途大致可分為刃具、模具和量具用鋼3類。其中碳含量高的鋼多用于制造刃具、量具和冷作模具，這類鋼淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足夠的耐磨性；為了保證高的硬度，滿足形成合金碳化物

7、的需要，鋼中碳質(zhì)量分數(shù)一般在0.80%1.45%。鉻是這類鋼的主要合金元素，質(zhì)量分數(shù)一般在0.50%1.70%，有的鋼還含有鎢，以提高切削金屬的性能。這類工具鋼因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具鋼好，熱處理產(chǎn)生的變形小，具有高的硬度和耐磨性。常用的鋼類有鉻鋼、硅鉻鋼和鉻鎢錳鋼等。9SiCr是應(yīng)用廣泛的刃具鋼，用于制作要求變形小的各種薄刃低速切削刃具，如板牙、絲錐、鉸刀等。2.3 高速鋼高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，又稱高速工具鋼或鋒鋼。高速鋼的工藝性能好，強度和韌性配合好，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。除用熔煉方法生產(chǎn)

8、的高速鋼外，20世紀60年代以后又出現(xiàn)了粉末冶金高速鋼，它的優(yōu)點是避免了熔煉法生產(chǎn)所造成的碳化物偏析而引起機械性能降低和熱處理變形。按照用途不同，高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。表3為常用的幾種高速鋼的力學性能。表3 高速鋼的力學性能2鋼號常溫硬度HRC抗彎強度GPa沖擊韌度MJ/m2高溫硬度 HRC500600W18Cr4V636633.40.180.325648.5W6Mo5Cr4V263663.540.30.4555647489W18Cr4V666833.40.170.225751W6Mo5Cr4V365673.20.2551.7W6Mo5Cr4V2Co866683.00.354

9、W2Mo9Cr4VCo867692.73.80.230.36055W6Mo5Cr4V2Al67692.93.90.230.36055W10Mo4Cr4V3Al67693.13.50.20.2859.554高速鋼具有較高的熱穩(wěn)定性、高的強度、制造工藝簡單，容易磨成鋒利切削刃，能鍛造、性能較硬質(zhì)合金和陶瓷穩(wěn)定，故高速鋼在占現(xiàn)用刀具的一半以上。其中通用型高速鋼主要用于制造切削硬度HB300的金屬材料的切削刀具 （如鉆頭、絲錐、鋸條）和精密刀具（如滾刀、插齒刀、拉刀），常用的鋼號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。特殊用途高速鋼包括鈷高速鋼和超硬型高速鋼（硬度HRC6870），主要用于制造切削難

10、加工金屬（如高溫合金、鈦合金和高強鋼等）的刀具，常用的鋼號有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。2.4 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由高硬度、難熔的金屬碳化物(WC、TiC 等) 微米級粉末采用Co、Mo 、Ni 等作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其高溫碳化物含量超過高速鋼, 允許的切削溫度高達800 1000,常溫硬度達89 93 HRA；在540時為8287HRA, 與高速鋼常溫時硬度( 83 86HRA) 相同；760 時硬度達77 85 HRA。并具有化學穩(wěn)定性好、耐熱性高等優(yōu)點。硬質(zhì)合金刀具切削速度可達100 300 m/ min。遠遠超過高速鋼,壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍。5

11、2.4.1 碳化鎢基硬質(zhì)合金碳化鎢(WC) 基硬質(zhì)合金主要成分為WC, 主要分為鎢鈷(WC-Co) 類硬質(zhì)合金(YG類) 、鎢鈦鈷(WC-TiC-Co) 類硬質(zhì)合金(YT類) 、鎢鈦鉭( 鈮) 鈷(WC-C-T aC(NbC) -Co ) 類硬質(zhì)合金(YW類) 等3 類。YG類(國際上統(tǒng)稱為K類),硬質(zhì)合金制造的刀具具有較好的韌性、耐磨性、導熱性等, 主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。與YT 類合金相比, 有較高的抗彎強度和沖擊韌性, 同時導熱性較好。YT類(國際上統(tǒng)稱為P類)，由于加人T iC, 使材料的硬度和耐磨性有所提高, 但抗彎剛度有所降低。該類硬質(zhì)合金具有高硬度和高耐熱性, 抗

12、粘結(jié)、抗氧化能力較好, 適用于加工鋼材, 切削時刀具磨損小, 耐用度較高。高溫時的硬度和抗壓強度比YG類高, 但YT 類不宜于加工鈦合金、硅、鋁合金。YW類(國際上統(tǒng)稱為M類)，硬質(zhì)合金材料具有很高的高溫硬度、高溫強度和較強的抗氧化能力,兼具YG、YT 類合金的良好性能, 特別適于加工各種高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。近年, ISO 又增設(shè)了3 類硬質(zhì)合金: (1) H 類,用于切削高硬材料；(2) S 類, 用于切削高溫合金、耐熱材料；(3) N 類, 用于切削有色金屬。應(yīng)當注意的是, 立方氮化硼PCBN 用于切削淬硬鋼, 被列入H類。熱壓聚晶金剛石PCD 主要用于切削有色金屬,被列入N

13、 類。故當今硬質(zhì)合金已分為K、P、M、H、S、N6 大類。表5列舉的是常見硬質(zhì)合金材料的性能與用途。表5常見硬質(zhì)合金材料的性能與用途牌號密度（g/cm2）抗彎強度（N/cm2）硬度（HRA）常見用途YG3X14.6-15.2132092適于鑄鐵、有色金屬及合金淬火鋼合金鋼小切削斷面高速精加工。YG6A14.6-15.0137091.5適于硬鑄鐵，有色金屬及其合金的半精加工，亦適于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼的半精加工及精加工。YG6X14.6-15.0142091加工冷硬合金鑄鐵與耐熱合金鋼可獲得良好的效果，也適于普通鑄鐵的精加工。YG614.5-14.9 138089適于用鑄鐵、有色金屬

14、及合金非金屬材料中等切削速度下半精。YG8N14.5-14.8200090適于鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵以及鉻、鎳不銹鋼等合金材料的高速切削。YG814.5-14.9160089.5適于鑄鐵、有色金屬及其合金與非金屬材料加工中，不平整斷面和間斷切削時的粗車、粗刨、粗銑，一般孔和深孔的鉆孔、擴孔。YS2T14.4-14.6220091.5屬超細顆粒合金，適于低速粗車，銑削耐熱合金及鈦合金，作切斷刀及絲錐、鋸片銑刀尤佳。YT512.5-13.2143089.5適于碳素鋼與合金鋼(包括鋼鍛件，沖壓件及鑄件的表皮)加工不平整斷面與間斷切削時的粗車、粗刨、半精刨，非連續(xù)面的粗銑及鉆孔。YT1411.2-1

15、2.0127090.5適于在碳素鋼與合金鋼加工中，不平整斷面和連續(xù)切削時的粗車，間斷切削時的半精車與精車，連續(xù)斷面粗銑，鑄孔的擴鉆與粗擴。YT1511.0-11.7115091適用于碳素鋼與合金鋼加工中，連續(xù)切削時的粗車、半精車及精車，間斷切削時的小斷面精車，連續(xù)面的半精銑與精銑，孔的粗擴與精擴。YW112.6-13.5118091.5適于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工鋼材及普通鋼和鑄鐵的加工。YW212.4-13.5135090.5適于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼及高級合金鋼等特殊難加工鋼材的精加工，半精加工。普通鋼材和鑄鐵的加工。注：表中“抗彎強度”和“硬度”兩項的數(shù)值均為該項的最小值即不小于表

16、中數(shù)值。2.4.2 涂層硬質(zhì)合金5涂層硬質(zhì)合金是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。在刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜( 如TiC , TiN ,Al2O3 等) 的涂層刀具,結(jié)合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點,降低了刀具與工件之間的摩擦因數(shù),提高了刀具的耐磨性而不降低基體的韌性。因此,涂層硬質(zhì)合金具有高硬度和優(yōu)良的耐磨性,延長了刀具的壽命,這是切削刀具發(fā)展的又一次革命。目前硬質(zhì)合金刀具涂層的方法仍以化學氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)為主,這兩種方法比較突出的問題是涂層與基體間的結(jié)合強度低,涂

17、層容易剝落,這樣就使涂層不能做得太厚,而涂層一旦被磨掉,刀具就會迅速磨損。近年來,已有一些新的涂層方法出現(xiàn),如等離子輔助化學氣相沉積( PACVD)、中溫化學氣相沉積(MTCVD)、溶膠2凝膠(Sol2Ge1)法、高速氧2燃氣熱噴涂(HVOF)、真空陰極電弧沉積(VCAD)等方法。在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上, 通過CVD、PVD、HVOF 等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物,可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。自20 世紀70 年代以來,涂層材料已從單一涂層(TiC、TiN)經(jīng)歷了TiC- Al2O3-TiN 多層涂層和TiCN、TiAlN、AlTiN 等多元復(fù)合

18、涂層發(fā)展階段,發(fā)展到了TiN/ NbN、TiN/ CN 等多元復(fù)合薄膜納米涂層材料。近年還出現(xiàn)了金剛石涂層、立方氮化硼(CBN) 涂層、軟涂層(MoS、WS ) 以及硬軟組合涂層,使涂層刀具切削性能大大提高。2.5 陶瓷6陶瓷刀使用精密陶瓷高壓研制而成，故稱陶瓷刀。陶瓷刀具的優(yōu)越性體現(xiàn)在：1）可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料；2）不僅能對高硬度材料進行粗、精加工，也可進行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯粗車等沖擊力很大的加工；3）耐用度比傳統(tǒng)刀具高幾倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數(shù)，保證被加工工件的小錐度和高精度；4）高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高。根據(jù)金屬陶

19、瓷中主要非金屬相的種類，金屬陶瓷刀具材料可分為如下幾種：2.5.1 氧化物基金屬陶瓷Al2O3基金屬陶瓷材料可用作高速切削刀具材料，并且在高溫條件下可以應(yīng)用。如Al2O3-金屬陶瓷刀具、Al2O3-金屬-碳化物(氮化物)陶瓷刀具、Al2O3-金屬-碳氮化物陶瓷刀具。2.5.2 碳化物基金屬陶瓷WC 基金屬陶瓷是迄今能保證材料高力學性能的最好的結(jié)構(gòu)組合和原子間相互作用的典型示例，其硬度和抗彎強度分別達到了89HRA 和1500MPa。在碳化物基金屬陶瓷中，除WC 外，TiC 基金屬陶瓷的研究也相當成熟。TiC 陶瓷的熔點(3430)高于WC(2870)，耐磨性好，密度只有WC 的1/3，線脹系數(shù)

20、和抗氧化性比WC 好，而且都能被Co 潤濕，因此可用來替代目前廣泛使用的WC- Co 基金屬陶瓷而大大降低成本。2.5.3 碳氮化物基金屬陶瓷Ti(C,N)基金屬陶瓷是在WC 基金屬陶瓷和TiC基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種具有高強度、高硬度以及優(yōu)良的高溫、耐磨性能的新型金屬陶瓷。Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能特點：(1)硬度很高；(2)有很高的耐磨性；(3)有較高的抗氧化能力；(4)有較高的耐熱性；(5)化學穩(wěn)定好。2.5.4 硼化物基金屬陶瓷用來粘結(jié)硼化物的金屬主要有Co、Mo、Fe、Ni 以及它們的合金。金屬硼化物具有高的導熱率和高溫穩(wěn)定性，可用于非常耐熱和耐蝕的條件。目前在TiB2 基

21、金屬陶瓷中，研究較多的是TiB2- Fe、TiB- Fe-Mo、TiB2- Fe- Cr- Ni 等金屬陶瓷。2.6 超硬材料隨著各種新型工件材料的應(yīng)用和發(fā)展, 傳統(tǒng)刀具材料, 如高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等常不能滿足難加工材料的加工需求, 天然和人造單晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬刀具材料因具有很高的高溫硬度、耐磨性和熱化學穩(wěn)定性, 為高硬度材料的切削加工提供了最基本的前提條件, 并且在生產(chǎn)中取得了明顯效益。72.6.1 金剛石金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具及金剛石復(fù)合片。金剛石具有極高的硬度和耐磨性，因此它可以用于加工硬

22、質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料。金剛石刀具切削表面質(zhì)量很高，加工有色金屬時，表面粗糙度可達0.012m，加工精度可達IT5以上。金剛石的熱穩(wěn)定性較低，切削溫度超過700-800時就會完全失去其硬度。金剛石目前主要用于磨具及磨料，用作刀具時多用于在高速下對有色金屬及非金屬材料進行精細車削及鏜孔。22.6.2 立方碳化硼立方氮化硼是由軟的六方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的，立方氮化硼刀具有了兩種：整體聚晶立方氮化硼刀具和立方氮化硼復(fù)合刀片。立方氮化硼有很高的硬度及耐磨性，具有比金剛石高得多的熱穩(wěn)定性，因此可用來加工高溫合金立方氮化硼的化學惰性很大，與鐵族金屬不易起

23、化學作用，因此立方氮化硼刀具可用于加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵。3 刀具材料的典型應(yīng)用以上簡單介紹了常用刀具材料的種類、性能、特點及應(yīng)用，接下來以幾個典型應(yīng)用對刀具材料的選用進行分析。3.1 工件材料與刀具材料1）鋼料的粗加工與精加工加工鋼料時，金屬塑性變形很大，摩擦劇烈，切削溫度高。YT類硬質(zhì)合金具有較高的硬度和耐磨性特別是有高的耐熱性，抗粘結(jié)擴散能力和抗氧化能力也很好。故在鋼料的精加工中，多用YT類硬質(zhì)合金；而在粗加工中，由于切削速度不高，切削過程不太平穩(wěn)，故此時最好用韌性較好的YG類硬質(zhì)合金。2）鑄鐵的粗加工與精加工加工鑄鐵這樣的脆性金屬時，切屑呈崩碎塊粒，對刀具沖擊很大。YG類硬質(zhì)合金有較高的

24、抗彎強度和沖擊韌性，同時，YG類硬質(zhì)合金的導熱性也較好，有利于從刀尖傳出熱量，降低溫度，因此鑄鐵的粗加工中使用YG類硬質(zhì)合金較好；而在精加工中，切削速度高切削溫度高，而YG類硬質(zhì)合金的耐熱性較YT類硬質(zhì)合金差，因此此時可選用YT類硬質(zhì)合金。3）其他工件材料的加工加工不銹鋼、奧氏體耐熱鋼、淬硬鋼、高錳鋼、鈦合金時刀具材料的選擇見表6。表6 幾種工件材料加工時刀具材料的選擇工件材料不銹鋼奧氏體耐熱鋼淬硬鋼高錳鋼鈦合金刀具材料YW類硬質(zhì)合金YW類硬質(zhì)合金YG類硬質(zhì)合金/立方氮化硼YW類硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金、立方氮化硼、金剛石等分析刀具熱硬性好，能承受一定的沖擊負荷刀具熱硬性好，能承受一定的沖擊負荷YG合金韌性較好，導熱性好；立方氮化硼硬度高，且不易與鐵族金屬反應(yīng)。刀具熱硬性好，能承受一定的沖擊負荷硬度高，耐磨性和導熱性好3.2 加工條件與刀具材料不同的工件材料與不同的加工工藝對刀具材料的選擇有所不同，因此在刀具材料選擇時應(yīng)綜合考慮各種因素，下面以幾個例子來簡單分析一下刀具材料的選擇。1）45鋼鍛件粗車：碳鋼強度高摩擦劇烈，粗車時可選擇YT14的硬質(zhì)合金刀具切削。2）HT200鑄件精車：普通鑄鐵的粗車和精車均可選用YG類硬質(zhì)合金，這里可用YG6X硬質(zhì)合金刀具切削。3）低速精車合金鋼蝸桿：合金鋼的加工可選用YT類硬質(zhì)合金，但低速加工時若速度