常用刀具材料分類特點及應(yīng)用

常用刀具材料分類特點及應(yīng)用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(xué)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。W1.05~1.25≤0.40≤0.400.0300.0300.10~0.300.80~1.20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)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(xué)性能。表3高速鋼的力學(xué)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HRC500℃600℃W18Cr4V63~663~3.40.18~0.325648.5W6Mo5Cr4V263~663.5~40.3~0.455~5647~489W18Cr4V66~683~3.40.17~0.225751W6Mo5Cr4V365~673.20.25—51.7W6Mo5Cr4V2Co866~683.00.3—54W2Mo9Cr4VCo867~692.7~3.80.23~0.3~60~55W6Mo5Cr4V2Al67~692.9~3.90.23~0.36055W10Mo4Cr4V3Al67~693.1~3.50.2~0.2859.554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HB≤300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HRC68～70），主要用于制造切削難加工金屬（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89~93HRA；在540℃時為82~87HRA,與高速鋼常溫時硬度(83~86HRA)相同；760℃時硬度達77~85HRA。并具有化學(xué)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100~300m/min。遠遠超過高速鋼,壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍。[5]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-TaC(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(dǎo)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(dǎo)熱性較好。YT類(國際上統(tǒng)稱為P類)，由于加人TiC,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、有色金屬及合金非金屬材料中等切削速度下半精加工。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。YT1411.2-12.0127090.5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(xué)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(xué)氣相沉積(PACVD)、中溫化學(xué)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(xué)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)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(xué)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(dǎo)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(xué)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。[7]2.6.1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0.012μm，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。[2]2.6.2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(xué)惰性很大，與鐵族金屬不易起化學(xué)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)合金有較高的抗彎強度和沖擊韌性，同時，YG類硬質(zhì)合金的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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很低可能產(chǎn)生沖擊負荷，這時候用YG類的硬質(zhì)合金更好，因此，這里可以選擇YG6A的硬質(zhì)合金刀具切削。4）高速精車調(diào)質(zhì)鋼長軸：由于加工時工件硬度高，產(chǎn)生熱量高，且精車要求表面粗糙度低，因此可以選擇Al2O3基陶瓷刀具進行切削，它的硬度和耐磨性高，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性高，同時加工的表面質(zhì)量好。5）高速精密鏜削鋁合金缸套：有色金屬的精密加