切削刀具材料的選用

刀具材料的選用及新材料主講:鄧志節(jié)本講座共分為三個部分第一部分、介紹金屬材料的基礎(chǔ)知識第二部分、刀具材料的性質(zhì)以及牌號第三部分、切削加工及刀具技術(shù)的展望第一部分、金屬材料的基礎(chǔ)知識前言材料是人類活動的基礎(chǔ)，材料的發(fā)展是人類發(fā)展的標(biāo)志。人類歷史時代劃分：石器時代、銅器時代、鐵器時代。當(dāng)今，材料仍然是科學(xué)與工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，先進(jìn)材料是當(dāng)代文明的主要支柱之一。工程材料的分類：金屬材料、無機材料（最主要的是工程陶瓷）、高分子材料以及復(fù)合材料。近幾十年來，金屬材料”一統(tǒng)天下”部分被其他材料取代金屬材料正朝著高性能化、復(fù)合化、多功能化和智能化方向發(fā)展。一、金屬的性能金屬的使用性能：使用條件下所表現(xiàn)出來的性能。包括物理性能（密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學(xué)性能、力學(xué)性能。金屬的工藝性能：在加工制造過程中表現(xiàn)出來的各種性能。直接影響零件的制造工藝與質(zhì)量。包括：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等。第一節(jié)金屬的力學(xué)性能一、強度二、塑性三、硬度四、沖擊韌性五、疲勞強度一、強度定義：指金屬在靜載荷作用下，抵抗變形或斷裂的能力。是機械零件（工程構(gòu)件）在設(shè)計、加工、使用過程中的主要性能指標(biāo)，特別是選材和設(shè)計的主要依據(jù)。強度的測定－－－－拉伸試驗二、塑性（一）定義金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。（二）衡量指標(biāo)伸長率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。斷面收縮率：試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。三、硬度

（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）維氏硬度（一）布氏硬度

應(yīng)用測量比較軟的材料。測量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。優(yōu)缺點壓痕大，測量準(zhǔn)確，但不能測量成品件。（二）洛氏硬度

1.原理

加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值應(yīng)用范圍

常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗范圍HRA120°金剛石圓錐體600N70~85HRB1.588mm鋼球1000N25~100HRC120°金剛石圓錐體1500N20~67

優(yōu)缺點優(yōu)點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。缺點：壓痕小，測量不準(zhǔn)確，需多次測量。四、沖擊韌性

（一）定義金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。（二）沖擊試樣（三）沖擊試驗原理及方法五、疲勞強度疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計，在機械零件失效中大約80％以上屬于疲勞破壞。疲勞破壞之前沒有明顯的變形，斷裂是突然發(fā)生的。所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故。3、鐵碳合金鐵碳合金的基本組織：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體，碳溶解到α——鐵中的固溶體叫鐵素體，溶解到γ——鐵中的固溶體叫奧氏體。鐵素體與奧氏體都具有良好的塑性。當(dāng)鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時，剩余出來的碳將與鐵形成化合物——碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。(2)鐵碳合金相圖FeFe3C00.77%2.11%4.3%6.69%91215381148727GSECAD1227F+PPP+Fe3CALL＋A鐵碳合金相圖的意義C點是共晶點S點是共析點（共析鋼）G點是純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點A點是純鐵的熔點D點是滲碳體的熔點第四節(jié)鋼的熱處理熱處理的定義：將固態(tài)的金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面熱處理。根本原因：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變加熱的目的：獲得奧氏體1、退火將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后使它慢慢冷卻，稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發(fā)生相變或部分相變的溫度，經(jīng)過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的：是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化以及細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能，減少殘余應(yīng)力；同時可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，又為后續(xù)工序作好準(zhǔn)備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預(yù)先熱處理。退火的方法：完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火2、正火鋼的正火：正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。目的：它能消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對于亞共析鋼正火可細(xì)化晶格，提高綜合力學(xué)性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經(jīng)濟(jì)的。

3、淬火.鋼的淬火：淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度，但要減少其塑性。淬火中常用的淬火劑有：水、油、堿水和鹽類溶液等。4、回火.鋼的回火：將已經(jīng)淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻稱為回火。目的：消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和脆性，以取得預(yù)期的力學(xué)性能?；鼗鸱指邷鼗鼗稹⒅袦鼗鼗鸷偷蜏鼗鼗鹑??；鼗鸲嗯c淬火、正火配合使用。

⑴調(diào)質(zhì)處理：淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調(diào)質(zhì)處理。高溫回火是指在500-650℃之間進(jìn)行回火。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機械性能。⑵時效處理：為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度150-250℃）精加工前，把工件重新加熱到100-150℃，保持5-20小時，這種為穩(wěn)定精密制件質(zhì)量的處理，稱為時效。對在低溫或動載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時效處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。

一、碳素鋼的分類、合金鋼的分類碳素鋼：含碳量大于0.0218%,小于2.11%的碳素合金鋼。1、碳素鋼的分類：1）按含碳量分：低碳鋼（含碳量小于0.25%)、中碳鋼（含碳量0.25%----0.60%)、高碳鋼（含碳量大于0.60%)2）按用途分：結(jié)構(gòu)鋼（含碳量小于0.70%）、工具鋼（含碳量大于0.70%）3）按質(zhì)量（硫、磷含量大?。┓郑浩胀ㄤ摗?yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼。2、合金鋼的分類按用途分：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼按合金含量分：低合金鋼（小于5％）、中合金鋼（5％－－10％）、高合金鋼（大于10％）。第二部分刀具的材料刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機床，還是先進(jìn)的數(shù)控機床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔10年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀(jì)初的高速鋼、硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上，允許切削速度已超過1000m/min，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時間內(nèi)提高了100多倍。因此可以說，刀具材料的發(fā)展歷程實際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。第一節(jié)刀具材料必需具備性能1)高硬度和高耐磨性

2)足夠的強度與沖擊韌性

3)高耐熱性

4)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

1)高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度才能切下金屬，這是刀具材料必備的基本要求，現(xiàn)有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削條件較復(fù)雜，材料的耐磨性還決定于它的化學(xué)成分和金相組織的穩(wěn)定性。2)足夠的強度與沖擊韌性

強度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎與刀桿折斷所應(yīng)具備的性能。一般用抗彎強度來表示。沖擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應(yīng)克服的一個關(guān)鍵。3)高耐熱性

耐熱性又稱紅硬性，是衡量刀具材料性能的主要指標(biāo)。它綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度、抗氧化、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力。4)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

為了便于制造，刀具材料應(yīng)有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當(dāng)然在制造和選用時應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前超硬材料及涂層刀具材料費用都較貴，但其使用壽命很長，在成批大量生產(chǎn)中，分?jǐn)偟矫總€零件中的費用反而有所降低。因此在選用時一定要綜合考慮。第二節(jié)常用刀具材料

1、高速鋼

2、硬質(zhì)合金

3、涂層刀具

4、陶瓷刀具5、金剛石刀具

6、立方氮化硼

1、高速鋼

高速鋼是一種加人了較多的鎢、鉻、釩、相等合金元素的高合金工具鋼，有良好的綜合性能。其強度和韌性是現(xiàn)有刀具材料中最高的。高速鋼的制造工藝簡單，容易刃磨成鋒利的切削刃；鍛造、熱處理變形小，目前在復(fù)雜的刀具，如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。高速鋼可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。普通高速鋼，如W1J8c24v廣泛用于制造各種復(fù)雜刀具。其切削速度一般不太高，切削普通鋼料時為40—60m／min。高性能高速鋼，如W12Cr4V4Mo是在普通高速鋼中再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用度為普通高速鋼的1．5—3倍粉末冶金高速鋼是70年代投入市場的一種高速鋼，其強度與韌性分別提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我國尚處于試驗研究階段，生產(chǎn)和使用尚少。高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷2、硬質(zhì)合金

在各種刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金起著主導(dǎo)作用，此外，其它刀具材料的性能也得到了顯著改善，擴(kuò)大了各自的應(yīng)用領(lǐng)域，形成了各種刀具材料既有獨特優(yōu)勢、使用范圍又相互取代補充的整體格局。正是刀具材料全面、迅速的發(fā)展為當(dāng)今高速、高效的金屬切削加工奠定了基礎(chǔ)。硬質(zhì)合金的性能不斷改進(jìn)，應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，成為切削加工的主要刀具材料，對推動切削效率的提高起到了重要作用。硬質(zhì)合金按GB2075—87(參照采用190標(biāo)準(zhǔn))可分為P、M、K三類，P類硬質(zhì)合金主要用于加工長切屑的黑色金屬，用藍(lán)色作標(biāo)志；M類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標(biāo)志，又稱通用硬質(zhì)合金，K類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，用紅色作標(biāo)志。P、M、K(后面的阿拉伯?dāng)?shù)字表示其性能和加工時承受載荷的情況或加工條件。數(shù)字愈小，硬度愈高，韌性愈差。P類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉆類，主要成分為WC十TiC十Co，代號為YT。K類相當(dāng)于我國原鎢鉆類，主要成分為WC十Co，代號為YG。M類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為WC+TiC+TaC(NbC)十Co，代號為YW。3、涂層刀具涂層刀具是近20年出現(xiàn)的一種新型刀具材料，是刀具發(fā)展中的一項重要突破，是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。

涂層技術(shù)發(fā)展本世紀(jì)70年代初首次在硬質(zhì)合金基體上涂覆一層碳化鈦(TiC)后，把普通硬質(zhì)合金的切削速度從80m／min提高到180m/min1976年又出現(xiàn)了碳化鈦—氧化鋁雙涂層硬質(zhì)合金，把切削速度提高到250m／min。1981年又出現(xiàn)了碳化鈦—氧化鋁—氮化鈷三涂層硬質(zhì)合金，使切削速度提高到300m／min。涂層技術(shù)簡介在高速鋼基體上刀具涂層多為TiN，常用物理氣相沉積法(PVD法)涂覆，一般用于鉆頭、絲錐、銑刀、滾刀等復(fù)雜刀具上，涂層厚度為幾微米，涂層硬度可達(dá)80HRC，相當(dāng)于一般硬質(zhì)合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20％一40％o硬質(zhì)合金的涂層是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，涂覆一層幾微米至十幾微米厚的高耐磨、難熔化的金屬化合物，一般采用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的涂層硬質(zhì)合金的涂層厚度可達(dá)9um，表面硬度可達(dá)2500—4200HV。PVD涂層超微粒硬質(zhì)合金涂層刀具4、陶瓷刀具

陶瓷可能繼高速鋼、硬質(zhì)合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1000MPa)，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)性能良好，摩擦系數(shù)低且價格低廉等優(yōu)點。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1200°C時硬度達(dá)到HRA80。常用的有：氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。陶瓷刀具能在切削加工的以下方面，顯示出其優(yōu)越性：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，例如硬度達(dá)HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，因而可免除退火加工所消耗的電力；并因此也可提高工件的硬度，延長機器設(shè)備的使用壽命；

2、不僅能對高硬度材料進(jìn)行粗、精加工，也可進(jìn)行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯拔荒粗車等沖擊力很大的加工；

3、刀具耐用度比傳統(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、可進(jìn)行高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高3-10倍，達(dá)到節(jié)約工時、電力、機床數(shù)30-70%或更高的效果。5、金剛石刀具眾所周知，金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700度，否則會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應(yīng)，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發(fā)生化學(xué)磨損，所以，金剛石不能用于加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000oC的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時存在，起到了互補的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工，對整個切削加工領(lǐng)金剛石刀具材料聚晶金剛石(PCD)：PCD晶粒呈無許許序排列狀態(tài)．不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)。高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利。它可加丁各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜CVD厚膜抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質(zhì)量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差，人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。厚膜金剛石不同于PCD之處是沒有結(jié)合劑，是純金剛石，所以它的硬度高得多，與天然金剛石不同，它具有各向同性，成本低，因此在許多方面將取代PCD。人工合成單晶金剛石人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差金剛石刀具分類(以車刀為例）6、立方氮化硼

立方氮化硼(CBN)是純?nèi)斯ず铣傻牟牧?。它?0世紀(jì)50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結(jié)性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼結(jié)塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高溫高壓下燒結(jié)而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300、1500度)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定件(遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石)和導(dǎo)熱性，低的摩擦系數(shù)。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。立方氮化硼CBN含量高的復(fù)合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好，其缺點是熱穩(wěn)定性差和化學(xué)惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工。CBN含量高的復(fù)合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好，其缺點是熱穩(wěn)定性差和化學(xué)惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工。第三部分、切削加工及刀具技術(shù)的展望

隨著近幾年競爭愈加激烈，對制造業(yè)提出了更高的要求。在切削加工領(lǐng)域，通過高速、大進(jìn)給加工以提高加工效率，縮短加工時間；使用精密刀具實現(xiàn)高精度、高品質(zhì)加工以提高附加價值；延長刀具壽命以降低刀具使用成本；使用最新技術(shù)的刀具以改變加工工序（由研磨、電火花加工變更為切削加工）等各方面，機加工用戶提出了越來越高的要求，切削刀具發(fā)揮了非常大的作用。

一、現(xiàn)狀刀具材料的發(fā)展與車削加工高速化的關(guān)系

1、切削技術(shù)與刀具工業(yè)進(jìn)入了新的時代,切削技術(shù)與刀具工業(yè)的變化顯現(xiàn)出質(zhì)的飛躍

◆切削刀具由傳統(tǒng)的機械工具實現(xiàn)了向高科技產(chǎn)品的飛躍，刀具的切削性能有顯著的的高。

◆切削技術(shù)由傳統(tǒng)的切削工藝向創(chuàng)新制造工藝的飛躍，大大提高了切削加工的效率。

◆刀具工業(yè)由脫離使用、脫離用戶的低級階段向面向用戶、面向使用的高級階段的飛躍，成為用戶可利用的專業(yè)化的社會資源和合作伙伴2、

切削技術(shù)新舊時代的更替是制造業(yè)發(fā)展和制造技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物

◆重要地位--是制造業(yè)中主要工業(yè)部門和裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵技術(shù)；