第二章 刀具材料,第一节 刀具材料应具备的性能,第二节 高速钢,第四节 涂层刀具,第三节 硬质合金,第五节 其他刀具材料,第六节 刀具材料的发展,第一节 刀具材料应具备的性能,足够的硬度 和耐磨性,刀具硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度一般须在HRC60以上。 耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，它与材料硬度、强度和组织结构有关。,2.足够的强度 与韧性,切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。材料的强度和韧性通常用抗弯强度和冲击韧性表示。,3.较高的耐热性和传热性,耐热性：指刀具材料在高温下保持足够的硬度、耐磨性、强度和韧性、抗氧化性、抗黏结性和抗扩散性的能力(亦称为热稳定性)。 热硬性：材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性(亦称高温硬度、红硬性),4.较好的工艺性和经济性,为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能，如热轧、锻造、焊接、热处理和机械加工等性能。,注意：上述几项性能之间可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其强度和韧性较低)。没有一种刀具材料能具备所有性能的最佳指标，而是各有所长。所以在选择刀具材料时应合理选用。,表2-1 各种刀具材料的物理力学性能,（续）,（续）,返回本章目录,第二节 高 速 钢,高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。在工厂中常称为白钢或锋钢。,高速钢的特点 与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性很高，在切削温度高达500650时，仍能保持60HRC的高硬度，因此允许切削速度可提高l2倍(25m/min30m/min)。同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。,与硬质合金相比，其最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。其退火硬度为207HBS255HBS，与优质中、高碳钢的退火硬度相近，能够用一般材料刀具顺利切削加工出各种复杂形状；在加热状态下(9001100)能反复锻打制成所需的毛坯；高速钢的抗弯强度是硬质合金的35倍，冲击韧性是硬质合金的610倍；经过仔细研磨，高速钢刀具钝圆半径可小于，其锋利性比硬质合金优良。,总之，高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多。 应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。,常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类：普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。,一、 普通高速钢 特点：工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于40m/min60m/min。 普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。 (1) 钨系高速钢。这类高速钢的典型牌号为W18Cr4V(简称W18)，含C量为0.7%0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此类高速钢综合性能较好，可制造各种复杂刃型刀具。,2.、 钨钼系高速钢。它是以Mo代替部分W发展起来的一种高速钢，典型牌号是W6Mo5 Cr4V2(简称M2)，含碳量为0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。 与W18Cr4V相比，优点是碳化物含量相应减少，而且颗粒细小分布均匀，因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略有提高，适于制造尺寸较大、承受冲击力较大的刀具(如滚刀、插刀)；又因Mo的存在，使其热塑性非常好，故特别适于轧制或扭制钻头等热成形刀具。其主要缺点是可磨削性略低于W18Cr4V。,二、高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co(钴)、Al(铝)等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的耐用度为普通高速钢的1.53倍。 应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。 (1) 钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)。这是一种含Co超硬高速钢，常温硬度达67HRC69HRC，具有良好的综合性能。Co能提高高温硬度，相应地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。,(2) 铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)。铝高速钢是我国研制的无钴高速钢，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、碳的含量，以提高钢的耐热性和耐磨性，并使其强度和韧性不降低。,三、 粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢：是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，或压制成钢坯然后经轧制(或锻造)成材的一种刀具材料。 特点：与熔炼高速钢相比，由于碳化物细小，分布均匀，热处理变形小，因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均得到显著改善。 应用：适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。,第三节 硬质合金,一. 硬质合金的组成与特点 硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金属黏结剂按粉末冶金工艺制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni等。 硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点，在8001000仍能完成切削加工。缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，可加工性差。,二、 常用硬质合金的分类、性能及应用,(1) 钨钴类硬质合金：YG3、YG6X和YG8等。YG代表钨钴类硬质合金，后面数字表示Co的百分含量，X表示细粒，YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导热性较高。适用于加工铸铁、有色金属合金等脆性材料。,(2) 钨钴钛类硬质合金：YT5、YT15、YT30等。YT代表钨钴类硬质合金，后面数字表示TiC的百分含量，YT类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高，但导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和可焊性却有所降低。适用于加工钢材等塑性材料。,注意：当加工淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料时，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如选用YT类硬质合金易造成崩刃，故选用YG类硬质合金更为合适。,(3) 钨钛钽铌类硬质合金：是在YG类、YT类硬质合金的基础上加入适量的合金碳化物TaC、NbC等所形成的硬质合金新品种。如：YW1和YW2。它有更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。即可用于加工铸铁，也可用于加工钢材，常用于半精加工和精加工。,(4) TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC为主体，Ni与Mo为黏结剂，并加入少量其他碳化物而形成的一种硬质合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，但热导率低和韧性较差。 应用：适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。,三、硬质合金选用见表2-5,表2-5 常用硬质合金牌号的选用,第四节 涂层刀具,涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命35倍以上，提高切削速度20%70%，提高加工精度0.51级，降低刀具消耗费用20%50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。,涂层刀具,涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。,涂层刀具,涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500，涂层厚度为25m，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400以下(目前涂覆温度已可降至180200)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。,涂层刀具,涂层方法:用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.020.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。,涂层刀具,涂层刀具,涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。,第五节 其他刀具材料,一、陶瓷 陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成。 优点：有很高的硬度、耐磨性、耐热性，在1200高温下仍能进行切削；很好的化学稳定性、较低的摩擦因数。 缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/31/2；导热系数低，仅为硬质合金的1/51/2。 应用：钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。,陶瓷刀具广泛用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。“以车代磨”；其中以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）应用最多。在上述基体中，相应添加TiC、SiC、TiB2等作粘结剂烧结即成为陶瓷刀具坯料。,陶瓷刀具的特性,陶瓷刀具的特性,（1）硬度高、耐磨性能好,（2）耐高温、耐热性好,（3）化学稳定性好,（4）摩擦系数低,（5）原料丰富,陶瓷刀具的制备,原材料处理,配比进行配料,细化球磨,干燥,过筛,烧结成型,磨削加工，电火花线切割,陶瓷刀具产品,陶瓷刀具的种类,1.氧化铝碳化物系陶瓷 2.氮化硅基陶瓷刀具,二、 金刚石 有两种：天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具。 特点：具有极高的硬度及耐磨性、刃口极锋利、可切下极薄的切屑、摩擦系数在所有刀具材料中是最小的、抗黏结能力强、但其耐热性略差，切削温度不得超过700800、强度低、脆性大、与铁的亲合力很强。 应用：用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削，不适合加工钢铁。,三、立方氮化硼 立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的，硬度高达8000HV9000HV，耐热性好，在高于1300时仍可切削，化学惰性大，与铁系材料在12001300高温下也不易起化学作用。 应用：用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢和冷硬