機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課件 第二章-3-2

①YG類硬質(zhì)合金（ISO標(biāo)準(zhǔn)K類）根據(jù)碳化物含量，鈷含量，硬質(zhì)合金分類：這類合金是由WC和Co組成。我國生產(chǎn)的常用牌號YG3、YG6、YG8等，數(shù)字代表Co含量。這類合金的硬度為89-91.5HRA，抗彎強(qiáng)度為1.1-1.5GPa。韌性較好，耐磨性較差。主要用于加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料。1）常用硬質(zhì)合金的分類及其性能1YG類硬質(zhì)合金ISO牌號K01K05K10K20中國牌號YG3XYG6XYG6YG8Co(%)3668硬度HRA91.59189.589強(qiáng)度GPa1.11.41.451.5適用范圍精加工精加工半精加工粗加工2這類合金中的硬質(zhì)相除WC外，還有5%-30%的TiC。常用牌號YT5、YT15、YT30等，數(shù)字代表TiC含量。與YG類硬質(zhì)合金比較，YT類合金的硬度提高了，但抗彎強(qiáng)度、特別是沖擊韌度卻顯著降低。主要用于加工鋼類材料。隨著合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗彎強(qiáng)度則降低。YT類硬質(zhì)合金的突出優(yōu)點(diǎn)是耐熱性好。TiC含量越高，耐熱性越好。②YT類硬質(zhì)合金（ISO標(biāo)準(zhǔn)P類）3YT類硬質(zhì)合金ISO牌號P30P20P10P01中國牌號YT5YT14YT15YT30TiC(%)5141530Co(%)10864硬度HRA89.590.59192.5強(qiáng)度GPa1.401.21.150.9適用范圍粗加工半精加工半精加工精加工4在YT類增添碳化鉭（TaC）、碳化鈮（NbC），可提高其抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和沖擊韌度，提高合金的高溫硬度和高溫強(qiáng)度，提高抗氧化能力和耐磨性。常用牌號YW1、YW2等。既可用于加工鑄鐵及有色金屬，也可用于加工鋼，因此常稱為通用硬質(zhì)合金。這類合金如適當(dāng)增加含鈷量，強(qiáng)度可很高，能承受機(jī)械振動和熱沖擊，可用于斷續(xù)切削。許多用于銑削的專用硬質(zhì)合金都含有TaC、NbC，近年來這類合金發(fā)展的新型號很多。主要用于切削難加工材料。③YW類硬質(zhì)合金（ISO標(biāo)準(zhǔn)M類）5YW類硬質(zhì)合金ISO牌號M10M20中國牌號YW1YW2Co(%)68硬度HRA91.590.5強(qiáng)度GPa1.21.35適用范圍精加工半精加工6該類硬質(zhì)合金以TiC為主要成分的TiC-Ni-Mo合金，其硬度很高（90-94HRA）。這類合金有很高的耐磨性和抗月牙洼磨損的能力，有較高的耐熱性和抗氧化能力，化學(xué)穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)較小，抗粘結(jié)能力強(qiáng)，因此刀具耐用度比WC基硬質(zhì)合金提高幾倍?？箯潖?qiáng)度和韌性還趕不上WC基硬質(zhì)合金，主要用于鋼和鑄鐵的半精加工和精加工。由于抗塑性變形能力和抗崩刃性能差，故不適于重切削及斷續(xù)切削。④TiC（N）基硬質(zhì)合金（金屬陶瓷）以上三種硬質(zhì)合金的主要成分都是WC，故可稱為WC基硬質(zhì)合金。72）硬質(zhì)合金的選用YG類硬質(zhì)合金主要用于加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料。加工這類材料時，切屑呈崩碎塊粒，對刀具沖擊很大，切削力和切削熱度集中在刀尖附近。YG類硬質(zhì)合金有較高的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，可減少切削時的崩刃。YG類合金的導(dǎo)熱性也較好，有利于從刀尖傳出切削熱，降低刀尖溫度。YG類硬質(zhì)合金的磨削性較好，可以磨出較銳的切削刃，因此適于加工有色金屬和纖維層壓材料。8YT類硬質(zhì)合金適于加工鋼料。加工鋼料時，金屬塑形變形很大，摩擦很劇烈，切削溫度很高。YT類合金具有較高的硬度和耐磨性，特別是由很高的耐熱性，抗粘結(jié)擴(kuò)散能力和抗氧化能力也很高。在加工鋼料時刀具磨損較小，刀具耐用度較高。9在低速到中速范圍內(nèi)切削時，YG類硬質(zhì)合金刀具耐用度比YT類合金高。然而，由于YG類合金的耐熱性較YT類合金差，切鑄鐵時如果切削速度太高，則反不如YT類合金。在低速切削鋼料時，由于切削過程不太平穩(wěn)，YT類合金的韌性較差，容易產(chǎn)生崩刃，這時反不如YG類合金。在低速切削時，YG類優(yōu)于YT類。10硬質(zhì)合金中Co含量增多（WC、TiC含量減少）時，其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度增高（硬度及耐熱性降低），適用于粗加工；含Co量減少（WC、TiC含量增加）時，其硬度、耐磨性及耐熱性增加（強(qiáng)度韌性降低），適用于精加工。鈷含量高的硬質(zhì)合金高適合粗加工，反之適合精加工。11這類硬質(zhì)合金中的鈦元素和加工材料中的鈦元素之間的親和力會產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象。這時切削溫度高、摩擦系數(shù)也不小，因而會加劇刀具磨損。如用YG類合金刀具加工，則切削溫度較低，刀具磨損較小，已加工表面粗糙度較小。加工含鈦的不銹鋼和鈦合金時，不宜采用YT類硬質(zhì)合金。12由于切削力很大，切屑與前刀面接觸長度很短，切削力集中在刀尖附近，易造成崩刃，因而這時不宜采用強(qiáng)度較低、脆性較大的YT類合金，而宜采用韌性較好的YG類合金。同時，這類材料導(dǎo)熱性差，熱量集中在刀尖處，YG類合金的導(dǎo)熱性較好，有利于熱量的傳出和降低切削溫度。加工淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼、奧氏體鋼和高溫合金時，宜采用韌性較好的YG類合金。YW類硬質(zhì)合金則主要用于加工耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料。132.3.4陶瓷常用的陶瓷刀具材料有兩種：氧化鋁（Al2O3）基陶瓷和氮化硅（Si3N4）基陶瓷。Al2O3基陶瓷具有下列特點(diǎn)：有很高的硬度和耐磨性。硬度達(dá)到91-95HRA，高于硬質(zhì)合金，有很高的刀具耐用度有很高的耐熱性，在1200℃以上仍能進(jìn)行切削。切削速度可比硬質(zhì)合金提高2-5倍。有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷與金屬的親和力小，抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力較好。有較低的摩擦系數(shù)，切屑與刀具不易產(chǎn)生粘結(jié)，已加工表面粗糙度小。14Al2O3基陶瓷的最大缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度很低，沖擊韌性很差。冷壓純Al2O3陶瓷的抗彎強(qiáng)度僅0.5GPa左右。近來，由于制造方法的改進(jìn)，在細(xì)晶粒及在Al2O3中加入TiC和其他金屬等方法，使陶瓷的強(qiáng)度提高到0.8-1.0GPa，但仍顯不足。因此，Al2O3基陶瓷刀具主要用于高速精車、半精車，精銑等。15Si3N4基陶瓷刀具材料具有高的強(qiáng)度和韌性，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)1GPa，有的牌號達(dá)1.5Gpa，因而使這種刀具能承受較大的沖擊負(fù)荷。Si3N4基陶瓷有較高的熱穩(wěn)定性，在1300-1400℃的溫度下能進(jìn)行切削。Si3N4基陶瓷耐熱沖擊性能也大大優(yōu)于Al2O3基陶瓷，故切削使可使用切削液。這種陶瓷在加工鑄鐵和鎳基合金時均取得良好效果，其代表牌號是塞隆（Sialon，Si3N4-Al2O3–Y2O3）陶瓷刀具可用于加工鋼，也可用于加工鑄鐵。對于高硬度材料、大件及高精度零件加工特別有效。不僅用于車削，還可用于銑削加工。16金剛石是目前已知的最硬物質(zhì)，具有極高的硬度和耐磨性。因此，它可以用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷、高硅鋁合金等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬質(zhì)合金可提高幾倍到幾百倍。金剛石刀具有三種：單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具及聚晶金剛石復(fù)合片。人造單晶金剛石是通過合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而來。聚晶金剛石是由單晶金剛石微粉和粘結(jié)劑經(jīng)燒結(jié)制成，其顯微硬度5000-7000HV。聚晶金剛石復(fù)合片是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層約0.5mm厚的金剛石材料而成。2.3.5金剛石17金剛石的切削刃非常鋒利，刃部粗糙度很小，摩擦系數(shù)又低，切削時不易產(chǎn)生積屑瘤，因此加工表面質(zhì)量很高。加工有色金屬時，加工精度可達(dá)IT5以上。金剛石用作刀具時多用于在高速下對有色金屬及非金屬材料進(jìn)行車削及鏜孔，也可用于磨具及磨料。金剛石刀具不適于切削鋼鐵材料，因?yàn)楦邷叵妈F原子容易與碳原子作用而使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。金剛石的熱穩(wěn)定性較低，切削溫度超過700-800℃時，就會逐漸失去其硬度。18金剛石焊接刀具19立方氮化硼是70年代才發(fā)展起來的一種新型刀具材料，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。立方氮化硼有很到的硬度和耐磨性。立方氮化硼有比金剛石高得多的熱穩(wěn)定性（達(dá)1400℃）。立方氮化硼化學(xué)惰性很大，與鐵族金屬直至1200℃-1300℃時也不易起化學(xué)作用。立方氮化硼刀具有兩種：整體聚晶立方氮化硼刀具及聚晶立方氮化硼復(fù)合片。立方氮化硼刀具可以用于淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金等的半精加工和精加工，加工精度可達(dá)IT5。2.3.6立方氮化硼20CBN機(jī)夾刀片21涂層刀具是在韌性較好的刀具基體上涂覆一層或多層耐磨性更高的材料，以獲得遠(yuǎn)高于基體的表面性能和優(yōu)良的切削性能。硬度（耐磨性）——韌性（強(qiáng)度），涂層刀具是對刀具材料硬度與韌性的合理權(quán)衡。涂層一般采用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）和物理氣相沉積法（PVD法）。高速鋼基體上涂層一般采用PVD。常用涂層材料：TiC、TiN、TiCN、陶瓷、立方氮化硼、金剛石以及復(fù)合涂層等。2.3.7涂層刀具22涂層可采用單涂層，也可采用雙涂層或多涂層。涂層刀具有比基體高得多的硬度；涂層刀具有高的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而耐磨性和抗月牙洼磨損能力強(qiáng)。涂層具有低的摩擦系數(shù)，可降低切削時的切削力及切削溫度，可大大提高刀具耐用度。涂層硬質(zhì)合金刀片的耐用度至少可提高1-3倍；涂層高速鋼刀具的耐用度則可提高2-10倍以上；加工材料的硬度越高，則涂層刀具的效果越好。近年來隨著機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具的廣泛使用，涂層硬質(zhì)合金也得到了越來越多的應(yīng)用，在可轉(zhuǎn)位到片中使用率達(dá)到90%以上。23涂層刀具24

各種刀具材料性能材料種類碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷立方氮化硼人造金剛石硬度81-83HRA81-83HRA82-87HRA90-93HRA92-95HRA3000-5000HV5000-7000HV耐熱性(℃)200-250300-400600-650800-11001200-13001000-1300700-800抗彎強(qiáng)度(GPa)2.22.42.5-40.9-2.450.45-0.80.30.21-0.4925百余年來，刀具材料由碳素鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層刀具材料、陶瓷、超硬刀具材料的發(fā)展，使得車削加工的切削速度提高了100多倍，而且主要新刀具材料出現(xiàn)的周期也越來越短。理想刀具材料應(yīng)具備：金剛石的硬度、立方氮化硼或陶瓷的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和抗沖擊性能。目前還不可能找到具有這樣理想性能的刀具材料，主要刀具材料仍然是硬質(zhì)合金及高速鋼。在相當(dāng)長的時間內(nèi)，各種刀具材料將仍然是相互補(bǔ)充，相互競爭。2.3.8刀具材料的發(fā)展26不同刀具材料的發(fā)展及切削生產(chǎn)率