金屬切削刀具材料課件

第二章刀具材料刀具材料發(fā)展概況刀具材料的基本性能刀具材料的分類(lèi)及性能金屬切削加工的歷史與發(fā)展刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀掌握了解一金屬切削加工的歷史與發(fā)展

金屬切削加工的歷史也是工件材料和刀具材料的發(fā)展歷史什么是切削？強(qiáng)烈沖擊高溫高熱撞擊斷裂摩擦【1‐1】什么是切削？刀具硬度必須達(dá)到工件材質(zhì)的3倍以上【1‐1】工件與切削刀具的歷史土、木器石料銅、金礦石青銅青銅鐵木料、石料工件切削工具【1‐1】青銅鐵工件切削工具球墨鑄鐵鐵鋁不銹鋼碳鋼合金鋼銅高速鋼（1898年）硬質(zhì)合金（1923年）金屬陶瓷（1960年）涂層硬質(zhì)合金（1969年）超高壓燒結(jié)體（1972年）陶瓷（1947年）可提高加工效率的工具材料工件與切削刀具的歷史【1‐1】刀具材料的歷史1975金剛石燒結(jié)體1980年陶瓷Si3N4類(lèi)、AI2O3-TiC類(lèi)最近，又出現(xiàn)了硬質(zhì)合金基體的表面生成金剛石結(jié)晶的技術(shù)。刀具技術(shù)的進(jìn)步，體現(xiàn)在刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具幾何形狀和刀具系統(tǒng)四個(gè)方面。在金屬切削加工中，刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量，刀具消耗和加工成本。二刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀

二刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀

碳素工具鋼、合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金金屬陶瓷陶瓷CBN金剛石粉末冶金高速鋼涂層刀具二刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀

在現(xiàn)代切削加工中，刀具材料以硬質(zhì)合金和高速鋼用得最多，幾乎各占一半。在二者基礎(chǔ)上均研制出許多新品種，其性能不斷提高，在機(jī)械加工中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，隨著數(shù)控加工技術(shù)的迅猛發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的普遍使用，超硬刀具的應(yīng)用也日漸普及起來(lái)。同時(shí)引入了許多先進(jìn)的切削加工概念，如高速切削、硬態(tài)加工、高穩(wěn)定性加工、以車(chē)代磨、干式切削等。超硬刀具已成為現(xiàn)代切削加工中不可缺少的重要手段。二刀具材料的發(fā)展及現(xiàn)狀

刀具切削部分是在高溫、高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下工作的。因此，刀具材料應(yīng)具備以下基本性能。硬度高、耐磨性好2足夠的強(qiáng)度和韌性

3耐熱性好三刀具材料應(yīng)具備的基本性能強(qiáng)烈沖擊高溫高熱撞擊斷裂摩擦【1‐1】4導(dǎo)熱性好5．工藝性好6、經(jīng)濟(jì)性好四刀具材料分類(lèi)金屬陶瓷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(chēng)為白鋼或鋒鋼。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)500℃～650℃時(shí)，仍能保持60HRC的高硬度，因此允許切削速度可提高l～2倍(25m/min～30m/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207HBS～255HBS，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(900℃～1100℃)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3～5倍，沖擊韌性是硬質(zhì)合金的6～10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?？傊?，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。

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(lèi)與性能及應(yīng)用

分類(lèi)：普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。1.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/min～60m/min。普通高速鋼又分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼兩類(lèi)。

(1)鎢系高速鋼。這類(lèi)高速鋼的典型牌號(hào)為W18Cr4V(簡(jiǎn)稱(chēng)W18)，含C量為0.7%～0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此類(lèi)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。它是以Mo代替部分W發(fā)展起來(lái)的一種高速鋼，典型牌號(hào)是W6Mo5Cr4V2(簡(jiǎn)稱(chēng)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。2.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(lèi)高速鋼刀具的耐用度為普通高速鋼的1.5～3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(chēng)M42)。這是一種含Co超硬高速鋼，常溫硬度達(dá)67HRC～69HRC，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(chēng)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。3.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，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。

硬質(zhì)合金組成與特點(diǎn)硬質(zhì)合金是將一些難熔的、高硬度的合金碳化物微米數(shù)量級(jí)粉末與金屬黏結(jié)劑按粉末冶金工藝制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的黏結(jié)劑有Co以及Mo、Ni等。硬質(zhì)合金具有高硬度、高熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性均超過(guò)高速鋼，其缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，；由于硬質(zhì)合金的常溫硬度很高，很難采用切削加工方法制造出復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，故可加工性差。硬質(zhì)合金的性能取決于化學(xué)成分、碳化物粉末粗細(xì)及其燒結(jié)工藝。常用硬質(zhì)合金的分類(lèi)、性能及應(yīng)用硬質(zhì)合金按化學(xué)成分可分為四類(lèi)：鎢鈷類(lèi)(YG類(lèi))、鎢鈷鈦類(lèi)(YT類(lèi))、含添加劑的硬質(zhì)合金(YW類(lèi))、TiC基硬質(zhì)合金(YN類(lèi))。其中前面三類(lèi)的主要成分為WC，可統(tǒng)稱(chēng)為WC基硬質(zhì)合金。

(1)鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金。YG3、YG6X和YG8等。YG代表鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金，后面數(shù)字表示Co的含量，細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金有較高的抗彎強(qiáng)度和耐磨性。

應(yīng)用：加工形成短切屑的鑄鐵、有色金屬及非金屬等脆性材料。加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，切屑呈崩碎狀，對(duì)切削刃的沖擊較大，切削力與切削熱都集中在刀尖附近。而YG類(lèi)硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度和韌性及導(dǎo)熱性較高，故可滿(mǎn)足要求。

(2)鎢鈷鈦類(lèi)硬質(zhì)合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示鎢鈷鈦類(lèi)硬質(zhì)合金，數(shù)字表示TiC的含量。與YG類(lèi)硬質(zhì)合金相比，YT類(lèi)硬質(zhì)合金中由于含有硬度較高的TiC，故該類(lèi)硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力較高，但其導(dǎo)熱性能、抗彎強(qiáng)度和韌性、可磨削性和可焊性卻有所降低。

應(yīng)用：加工形成長(zhǎng)屑的鋼材等塑性材料。

注意：當(dāng)加工淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼和奧氏體不銹鋼等難加工材料時(shí)，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如選用YT類(lèi)硬質(zhì)合金易造成崩刃，故選用YG類(lèi)硬質(zhì)合金更為合適。

(3)含添加劑的硬質(zhì)合金。是在YG類(lèi)、YT類(lèi)硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬質(zhì)合金新品種。如：YA6、YW1和YW2等幾種，其中YW類(lèi)又稱(chēng)為通用硬質(zhì)合金。

特點(diǎn)：有更高的硬度、高溫硬度、韌性和耐磨性。

應(yīng)用：用于鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。

(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。涂層刀具種類(lèi)涂層刀具常用涂層材料TIC、TIN、Al2O3性能高硬度、高的抗氧化性和抗粘結(jié)性、低摩擦系數(shù)缺點(diǎn)：鋒利性、韌性、抗剝落、抗崩刃性差

其他刀具材料

陶瓷陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成的。如：純Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷兩種。

優(yōu)點(diǎn)：有很高的硬度和耐磨性；有很好的耐熱性，在1200℃高溫下仍能進(jìn)行切削；有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的摩擦因數(shù)，抗擴(kuò)散和抗黏結(jié)能力強(qiáng)。

缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、韌性差，抗彎強(qiáng)度僅為硬質(zhì)合金的1/3～1/2；導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為硬質(zhì)合金的1/5～1/2。

應(yīng)用：鋼、鑄鐵及塑性大的材料(如紫銅)的半精加工和精加工，對(duì)于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料加工特別有效；但不適于機(jī)械沖擊和熱沖擊大的加工場(chǎng)合。超硬刀具超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位(1)PCD金屬切削刀具PCD刀具：高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)工件：有色金屬及耐磨非金屬材料刀具結(jié)構(gòu)：焊接式PCD刀具和可轉(zhuǎn)位式PCD刀片。

可轉(zhuǎn)位刀片可裝夾在各種數(shù)控機(jī)床的刀桿、刀夾或刀盤(pán)上，用于高可靠性的大批量加工。超硬刀具(2)PCBN金屬切削刀具

PCBN刀具結(jié)構(gòu)：焊接式和可轉(zhuǎn)位式刀片兩類(lèi)。焊接式PCBN刀具是將PCBN刀坯焊接在鋼基體上經(jīng)刃磨而成，主要有車(chē)刀、鏜刀、鉸刀等。被切削工件：耐磨黑色金屬的加工。超硬刀具轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)的PCBN刀片（主要為車(chē)刀片和銑刀片）一般是在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片的一個(gè)角上鑲焊一塊PCBN刀坯，經(jīng)刃磨而成。我國(guó)的新型刀具

添加稀土元素的硬質(zhì)合金是刀具材料新品種之一。我國(guó)稀土元素資源豐富，對(duì)稀土硬質(zhì)合金的研究開(kāi)發(fā)，領(lǐng)先于其他國(guó)家。經(jīng)過(guò)測(cè)試，添加稀土元素后硬質(zhì)合金的組織比較致密；室溫硬度和高溫硬度有所改善；斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度顯著提高，分別提高20%和10%以上。通過(guò)一些試驗(yàn)，稀土硬質(zhì)合金與無(wú)稀土元素的原刀片相比，耐磨性和使用壽命均有不同程