《刀具材质与镀层》PPT课件.ppt

刀具材質&鍍層 、刀具材質- 近代機製生產能力不斷的大幅提高，尤其在大量生產的工作要求下，從事於大量且高速的切 削工作。為發揮高性能工作母機應有之生產工作效能，則切削刀具尤須密切的配合。為了發 揮刀具之切削能力，故刀具材料需有顯著之進展與改良，目前使用之各種刀具材料均有其特 性以適應各種不同加工的要求。一般刀具材料必須具備的性能為生產製造費用須最低、具有 高溫之抵抗軟化的能力、低的摩擦係數、較高的抵抗磨耗性質，導熱性良好、充分的韌性以 及耐衝擊性等等，一般使用的刀具材料有下列幾種： 高速鋼、燒結式碳化物 Carbides 、瓷金工具Cermet 陶瓷刀具Ceramics、CBN刀具 、鍍層- 由於工程材料不斷持續的發展，在1960年之後，陸續開發出新一代的合金材料。這些新材料 不僅有高強度，而且具有高磨損性甚至有極高的化學性質，在切削時會與切削刀具產生化學 作用造成侵蝕現象。除此之外，在時間及成本降低的要求下，高速切削正逐漸被人們廣泛的 接受。因此以往的刀具材料已不敷人們的需求。在因應如此嚴格的需求下，發展出刀具材料 再加上鍍層保護。具有鍍層保護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的10倍，常見的刀具 鍍層有下列幾種： uncoated 未鍍層、TiN 氮化鈦、TiCN 氮碳化鈦 TiAlN 氮鋁鈦、Al2O3 氧化鋁 刀具材料&鍍層與加工時間 碳鋼 Carbon Steel 高速鋼 HSS 鑄造合金 Cast cobalt-base alloys 超硬合金 Cemented Carbides 新超硬合金 Improved Carbide Grades 鍍層 First coated Grades 雙鍍層 First double-coated Grades 複合鍍層 First triple-coated Grades 加工時間min 年代 100 26 15 6 3 1.5 1 0.7 1900 ,10,20,30,40,50,60,70,80 左邊的圖表顯示出自1900年後至今，由於刀具技 術的發展使得切削時間縮短了100倍。而在1960 年之後，因為鍍層刀具的出現，縮短了4倍的加 工時間。 高速鋼 High-Speed Steel 1900年發展成功之切削刀具材料為切削工具鋼之一種，含有 鎢、鉻、鉬、釩、鈷等合金元素。因含有較多的合金元素故 有相當高的硬度，經熱處理後其硬度可高達HRc 68。做為切 削工具在高速切削時其刀鋒即使被加熱至500600也不會產 生回火軟化，仍能保持其硬度之性質，而且在高溫時硬度降 低極微，是刀具材料所具備的重要性質之一，故能耐高溫及 重切削。一般常用者有鎢W系高速鋼以及鉬Mo系高速鋼： 1、鎢W系高速鋼- 係為鋼基中含有18%鎢、4 %鉻以及 1%釩，為一般之多用途 刀具材料。 2、鉬Mo系高速鋼- 此為W系高速鋼中W之含量降至6 %後，再加入4.57 %鉬的 合金鋼，具有良好之韌性及耐衝擊性。適合於製造強力之切 削、耐磨刀具，如銑刀、螺絲攻等。 燒結式硬質合金 在鋼的麻田散鐵Martensite組織中如果分布著有特殊碳化 物的話，其比單是麻田散鐵組織的鋼更具有磨耗性，但是 麻田散鐵在高溫時會失去其硬度，要改良此缺點的方法為 使碳化物的量增加。可能的話，能做成全部都是碳化物的 工具最好。但是一般碳化物的熔點很高，無法以熔解法來 製造。所以必須利用燒結法(sintering)來固著碳化物，利 用燒結方式產生的工具材料中有： 碳化物超硬合金（Carbides） 瓷金工具（Cermet Tools） 陶瓷工具（Ceramic Tools） 多晶鑽石刀具（ CBN ） 碳化物超硬合金 Sintered Hard Carbides 以碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC 等粉末以適當比例之鈷Co金屬粉末，壓成 適當形狀之壓塊，經過半燒結後以增加其強度，然後修整成正確之形狀之尺寸，然 後以鈷粉為粘結劑再於1500 燒結完成。燒結後硬度大增，約為HRa 9092。碳化 物超硬合金比高速鋼具有更高的高溫硬度，溫度即使於1200 也不會損害其刀刃 之性質，而且抗壓強度大、耐磨耗性佳，其切削效率約為高速鋼之三倍。故此合金 被廣泛使用於鋼的切削用途上，一般碳化物材料之使用上可分為下類幾種： 碳化鎢加鈷粉製造而成，密度大、耐磨耗高、又稱為普通碳化物。但是因為其韌性 低，不宜用於切削性不良之材料，適用於切削鑄鐵、非鐵金屬以及硬化鋼。 碳化鎢加碳化鈦及鈷粉製成，密度較小、耐磨耗，又稱為鈦碳化物，適用於一般材 料、鋼材之切削。 碳化鎢加碳化鈦、碳化鉭及鈷粉製造而成，密度與K級相同。其性質介於P、K級碳 化物之間，具有相當之強度及韌性，又稱為鉭碳化物。適用於切削不銹鋼、合金鋼 、延性鑄鋼等抗拉強度大而難以切削的材料。 K級碳化物 P級碳化物 M級碳化物 ISO分類-碳化物系列 主要類別 P 顏色：藍色 適合重切削量 M 顏色：黃色 適合重切削量及 韌性強而難以切 削的材料 K 顏色：紅色 適合微量切削與 精加工 適用切削材料 鋼 鑄鐵 4系列不銹鋼 鑄鐵 耐熱鋼 錳鋼 鎳合金 3系列不銹鋼 等 級 K01 K03 K10 K20 K30 K40 M01 M10 M20 M30 M40 耐磨耗性 韌性 P01 P10 P20 P30 P40 P50 切削速度增高 耐磨耗性增大 切削速度增高 耐磨耗性增大 切削速度增高 耐磨耗性增大 韌性增大 切削量增大 韌性增大 切削量增大 韌性增大 切削量增大 硬化鋼 鑄鐵 非鐵金屬 瓷金工具 Cermet Tools 碳化矽TiC具有良好的高溫硬度、高溫耐氧化性、耐凹蝕性Crater，所以 開發出TiC與Ni的燒結合金，稱之為瓷金工具。為介於碳化物合金與陶瓷 工具之間的工具材料。 材質: TiC（Titan Carbide）碳化鈦(最常使用) TiCN（Titan Carbonitrit）氮碳化鈦 TiN（Titan Nitrit）氮化鈦 WC（Wolfram Carbide）碳化鎢 金屬結合劑: Ni / Co（Nickel / Cobalt）鎳/鈷 瓷金工具的優點：適合切削高硬度的超硬合金 或是用來作鋼及鑄鐵材料的精加工 陶瓷工具 Ceramic Tools 陶瓷工具可分為兩種基本類型： A型& B型 A型：以氧化鋁(Al 2O3 ) 為主 A1 = 純的氧化鋁 A2 = 添加20 40 的碳化鈦(TiC)和氮化鈦(TiN)來加以混和 A3 = 增加碳化矽晶體的含量 B型：以氮化矽(Si3N4 )為主 以氧化鋁（Al 2O3）為主體，而類似於陶瓷器的材料。通常是在純度為99.5%以上的Al 2O3中加 入微量的MgO、CaO、Na2O、K2O、SiO2等而在1600以上加以燒結製成。與前述瓷金工具 不同的是燒結時不使用結合劑。MgO、SiO2的添加物是為了保持Al 2O3粒子的細微，而且使密 度增加。在高溫時具有極大的硬度及強度，此為其特徵。所以可比WC系超硬合金在更高的速 度進行切削，而且在切削時可以不需要使用切削劑。但是因為陶瓷工具比WC系合金更脆而缺 乏耐衝擊性，所以僅做為最後精加工或半最後加工用的切削工具。 以氮化矽(Si3N4 )為主體，氮化物系陶瓷中之氮化矽(Si3N4 )因其熱衝擊抵抗大，機械強度可維 持到高溫，另外亦有優良的耐氧化性及耐蝕性所以適合高溫機械零件與切削工具等。近年來已 成為最重要的機械零件用新陶瓷。 A型 B型 陶瓷刀具的選用 陶瓷刀具又稱為氧化刀具，硬度極高，可達到HRa 94。陶瓷的耐熱性可達 到1200，有極高之抗壓強度，不過脆性太大所以強度不高，因此切削量 不能太大，故適合最後精加工或半最後加工用之切削工具或是其他高度耐 磨之非金屬。 NTK HC1 NTK C1 NTK HC2 分類性質 鋼 鑄鐵 鑄鋼 鋼 淬火鋼 鑄鐵 鑄鋼 鋼 鑄鐵 鑄鋼 適用切削材料 200500 m/min 200400 m/min 100300 m/min 切削速度 震動較小之作業 尺寸精密之加工 震動較小之作業 不適合粗加工 比C1、HC1更耐 震動之切削，適 合中、細切削 工作條件 韌性增大 耐磨耗性增大 多晶鑽石刀具 CBN 在以氮化物做為切削刀具中，除了氮化矽Si3N4以外，尚有氮化硼BN與氮 化鋁AlN皆為燒結體，其性質皆為硬度極高、抗熱性佳。尤其是以BN 為立方晶結構的立方晶氮化硼CBN具代表性。立方晶結構的氮化硼使它成 為僅次於鑽石（Diamond）之後最硬的材料。用此類材料所作成的切削工 具，其承受溫度可達到2000，但是與陶瓷刀具一樣，因為脆性太大所以 強度不高，因此切削量不能太大，故只適合最後精加工用之切削工具或適 用於超過50HRC的硬化合金鋼與鑄鐵之精加工或是其他高度耐磨之工件材 料。使用CBN做為切削刀具時，其切削速度為5001000m/min，在普通工 具機之速度下是不足以產生足夠之切削速度來配合。 各種工具材料的高溫硬度 溫度 () 硬度(Hb) 02004006008001000 100 200 300 400 500 600 700 800 1500 1600 1700 碳化物超硬合金 碳工具鋼 高速鋼 鑄造合金 鍍層 一般刀具的鍍層厚度在25m，鍍層應有以下的特點以符合需求： a、在溫度不斷的提昇下，仍能保持相當的硬度。 b、穩定的化學性質並且不會與工件的材料發生作用。 c、熱傳導性低。 d、與刀具材質的結合性良好、不會發生剝落或裂開。 e、多孔性低，最好不會產生孔洞。 鍍層的好處可以強化刀具材料的硬度、韌性以及熱傳導性。具有鍍層保 護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的10倍。而無鍍層的刀具，可 以用於一般的切削速度，或於老舊機台使用較低的速度，亦可重新研磨 或修改再使用。 鍍層技術 鍍層的產生為使用汽化沉澱法製作，通常所使用的有兩種方法-化學汽化 沈澱法CVD以及物理汽化沈澱法PVD。汽化沉澱法可有效的控制其成分 組成、厚度以及多孔性。 製程方式 HT-CVD 高溫-化學汽化沈澱法 MT-CVD 中溫-化學汽化沈澱法 Plasma-CVD 電漿-化學汽化沈澱法 PVD 物理汽化沈澱法 製程溫度範圍 950-1000 700-900 400-600 400-600 適用鍍層種類 TiN、TiCN、TiC、Al 2O3 TiN、TiCN、TiC、TiAlN、Al 2O3 TiN、TiCN、TiC、TiAlN、Al 2O3 TiN、TiCN、TiAlN、Al 2O3 鍍層特色 鍍 層 TiN TiC TiCN Al 2O3 TiAlN 顏色 金色 灰色 黑紫色 黑色 表面硬度 HV 0.05 2.300-2.700 2.800-3.000 2.800-3.000 3.700 3.000-3.600 鍍層技術 PVD Plasma-CVD PVD Plasma-CVD & PVD PVD 製程溫度 450 450450500 450 鍍層厚度 2-5 2-5 2-5 4-6 2-5 於切削加工 時所能承受 之最高溫度 黑紫色 600 600 400 850 800