[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】刀具材料-中文翻译

刀具材料 吴志军，徐道春，冯平发，余丁文，张成龙 清华大学精密仪器与机械系， 1000084 中国北京 , , , , 摘要： 随着切削加工技术的发展和日趋完善，对刀具的要求也越来越高，正确选择适合的刀具材料是切削加工成功的关键，从而对刀具材料的研究变得迫切需要。本文通过对刀具的了解，从刀具的种类、性能、加工工件材料进行了分析，得出制作刀具的材料应具备的条件。从刀具材料的选择、热处理、加工、制作成刀具进行详细介绍。 关键词： 刀具 热处理 工件材料 一：刀具种类 为了在切削过程中有适当的功能，切削刀具必须有一定的机械性能，这些性能包括高的硬度，且在切削过程中产生高温时仍能保持其硬度，同时也要有好的韧性、抗蠕变及抗磨损，能承受大的支承压力。事实上，切削刀具的材料不同其机械性能也不同。因此，切削刀具材料应能适应不同的切削条件，如工件材料、切削速度（生产率） 、所使用的冷却剂等等。下面所列的是常用的切削刀具材料 1。 碳素工具钢 碳素工具钢含碳量为 0.11.4%，不含合金元素，通过热处理可提高其硬度。碳素钢在温度 600F（ 300C）以上时由于回火作用而丧失其硬度，因此，碳素工具钢只适合于制造手工工具或软金属材料的低速切削用刀具。 低合金工具钢：低合金工具钢的含碳量与碳素工具钢相似。然而，顾名思义，它含有一定的合金元素，低合金工具钢刀具也须进行热处理，并仅用于低速切削。切削温度也不能超过 600F（ 300C）以避免退火现象。 高速钢：高速钢（ HSS）是含有一定比例合金元素的合金钢，如钨（ 18%） ，铬（ 4%） 、钼、钒和钴。高速钢通过加热（分两个阶段） ，在空气中冷却，然后进行回火。由高速钢制成的刀具在温度高达 1100F（ 600C）时仍能保持其硬度，这类刀具用于切削速度相对较高的场合。除了高生产率切削加工用刀具外，单刃刀具、麻花钻及铣刀也通常由高速钢制造。 铸造硬合金：铸造硬合金既可能是黑色金属，也可能是有色金属，其含碳量约为 3%，它与金属反应形成非常硬的碳化物。这些碳化物即使在温度 1650F（ 900C）时仍保持其硬度。因为这种材料不可进行切削加工，所以，在陶瓷模中铸成刀片，然后通过铜焊或机械方法将其固定在刀杆上。 烧结硬质合金刀片：烧结硬质合金是为克服铸造硬合金的缺陷（即脆性）而发展起来的。当初，其成分约 82%是非常硬的碳化钨颗粒及 18%的作为粘结剂的钴。烧结碳化硬质合金总是由粉末冶金技术（如压制和烧结）模压成型。从强度方面考虑，要将整把刀具由硬质合金来制造是不可能的，而只能制造成硬质合金刀片，然后将刀片用铜焊或机械方法固定在钢制刀杆上，而刀片具有所需的切削角度。 烧结硬质合金也称为“ Widia”，这个词来自德语“ WieDiamant”意为“象金刚石” 。这是因为它具有极高的硬度，可达 HRC90，且在高达 1850F（ 1000C）的温度下仍能保持这一硬度。最近所研制的硬质合金是将碳化钨，碳化钛和碳化钼混合，而用钴或镍合金作为粘结剂。其结果是摩擦系数小，抗磨损性能好。事实上，不论是切削速度高还是进给量大的切削加工，都推荐采用硬质合金刀片刀具，且常用于大批量生产。近来，硬质合金刀比采用氮化物或氧化物涂层以增加其耐磨性及寿命。 陶瓷刀片陶瓷刀片基本上是由很细的氧化铝粉末（ AL2O3） ，通过压制和烧结而成。陶瓷的硬度几乎与硬质合金相同，但在温度高达 2200F（ 1100C）时仍能保持其硬度，且导热系数很小。这种特性使得切削速度是用硬质合金刀片切削时的 2-3 倍。陶瓷刀片也有极好的耐磨性并不致形成月牙洼磨损，且不需用冷却液。但其韧性和抗弯强度小，这影响抗蠕变载荷和振动的敏感性。因此，陶瓷刀片仅用于切削速度极高（达 1800ft/min， 600m/min）时的精密加工。下面是三种常用的陶瓷刀片： （ 1）氧化物刀片，主要由氧化铝组成，其颜色为白色且稍带粉红色或浅黄色。 （ 2）金属陶瓷刀片 它含有氧化铝或某些金属如钛或钼。其颜色呈黑灰色。 （ 3）由氧化物及碳化物制成的刀片，呈黑色。 由于与氧的混合作用，陶瓷刀片不可用于加工铝材。 金刚石 金刚石可固连在钢制刀杆上，可用于精密切削加工，推荐用于加工铝、镁、钛、铜、橡胶及聚合物。当加工金属材料时，可达到镜面。 二：工件材料 切削加工性一词常用于描述工件材料的加工性能，根据其切削过程有几种含义。如果说材料 A 比材料 B 可切削性好，这可能意味着切削材料 A 时刀具磨损率低，或者切削材料 A 可获得更小的表面粗糙度，或者切削加工材料 A 时所需的功率较小。很清楚，在精加工过程中，刀具的磨损及表面粗糙度都是最重要的因素，而对于粗加工而言，刀具磨损和功率消耗是重要因素 2。 应该注意，所指的加工性只能是相对于所指的特定环境而言的。例如，在某一特定条件下，材料 A 可能比材料 B 可获得更小的表面粗糙度，但在其他条件下，若采用不同的刀具材料，其结果可能相反。对于可加工性的其他衡量指标，如刀具磨损率和功率消耗，情况也与此相似。为了进一步说明情况，将刀具磨损率相同的材料归为一类，但按照表面粗糙度或功率消耗来分的话这些材料又属不同的类型。很清楚，可加工性一词除降低了质量方面的要求外，并没有其他什么意义。 虽然可加工性降低了质量方面的要求，人们还是试图获得可加工性的定量的衡量方法 可加工性指数或序号。若结果是有用的，则测得这一指数的方法是很有价值的，特别是对钢铁企业而言，它必须经验所生产材料的加工性，因此希望有一种快速而可靠的检测方法。已经提出了许多获取可加工性数据的有创造性的方法，有些至今仍在使用。虽然这些方法还有质疑，但它们可用了衡量相同材料加工性能的变化情况。虽然经验表明这些结果有一定的指导意义，但要证明这些包含了质量信息且具有实用价值的加工性能的测试结果的正确性是最困难的。 三：钢的热处理 热处理是热处理工作者用以改变金属物理性能的方法。钢热处理，有三种基本方法：即淬火、回火和退火 3。 淬火是将钢加热到临界点以上，然后进行急冷。急冷是指（材料）才一合适的介质如水、盐水、油或其他液体中快速冷却。金属在淬硬后，必须进行回火处理。回火是将淬硬的钢重新加热到低于临界点的温度，从而获得所需的物理性能。 临界点或临界温度是指钢的物理性能发生某些变化的温度。这些临界点极为重要，因为要使钢很好地硬化就必须把钢加热到上临界温度以上。我们知道某一钢种的临界点后，就能较容易得控制炉温。煤气炉、油炉和电炉是金属热处理最普遍采用的炉子。 退火是将钢均匀地加热到通常的淬火温度以上，然后极缓慢地冷却。若工件过硬，无法机加工，或是要重新机加工已经淬硬的零件，这时可进行退火以使钢材软化。退火还可消除机加工时产生的内应力 4。 低碳钢由于含碳量低，因此在经受这种热处理时材质不可能变硬。若欲在低碳钢制成的零件表面获得硬的表面层，就须进行表面硬化处理。氰化是一种表面硬化方法。氰化时，将工作置入氰化钠的溶池中保温 530min， （保温时间取决于工件的尺寸和所需的渗透深度） 。工件经过这一处理后，再将其淬入水或油中，于是形成了一层厚度为 0.010.015 的十分硬的表面层（ 0.2450.381mm） 。这类工艺过程也称为表面淬火。 渗氮也是一种表面硬化法，它是将钢在热的氨气中放置数小时。在这一条件下，由氨气形成的氮渗入到金属的表面，从而性形成了极硬的表面层 5。 另一种表面硬化法是渗碳。将工件装入盛有渗碳剂（含碳很高的材料）的金属箱中，将箱子密封好并放入炉内，在 926C 温度下在炉中保持若干小时。渗碳层的深度取决于工件在炉中的保温时间。将工件在某种液体中淬火后，其表层硬而心部软。 渗碳、渗氮和氰化 1.渗碳 （ 1）定义：渗碳是将碳原子渗入固态的铁基合金（如低碳钢）中，以便获得的表面的一种方法。 渗碳是通过吸收和扩散两个过程来增加钢表面的含碳量。 （ 2）工艺过程：将低碳钢（约 0.20%C 或更少）加热到 870925C 后与气体、固体或液体的含碳物质接触若干小时。用上述方法获得的高碳钢表面在 A1 以上的温度淬火使之硬化。 （ 3）特点：表面层深度约为 1.27mm。 热处理后的硬度为 HRC65。 由渗碳而引起的工件尺寸变化极微小。 在热处理过程中有可能产生变形。 （ 4）典型用途：齿轮的表面硬化。 凸轮轴的表面硬化。 轴承的表面硬化。 （ 5）方法：根据渗碳介质的不同，有三种常用的渗碳法即： 固体渗碳法 用固体渗碳剂。 气体渗碳法 用合适的碳氢化合物气体。 液体渗碳法 用熔融的渗碳盐浴。 2.渗氮 定义：渗氮是将钢加热，并在某一合适温度下保温，使与部分分解的氨或其他合适的介质保持接触，从而将氮原子渗入到某些钢种（如含有 Al 和Cr）的表面。用这种方法获得的硬化表层不需灾进行淬火或其他任何进一步的热处理。 特点：表面深度约为 0.38mm。 硬度极高（维氏硬度为 1100） 。 工件在渗氮过程中尺寸增大 0.0250.050mm。 渗氮层的耐腐蚀性得到改善。 典型用途：阀座导轨齿轮量规导套滚珠轴承座圈航空发动机零件航空发动机气缸航空发动机曲轴、飞机螺旋桨轴曲柄销和轴颈 3.氰化 定义：氰化是将钢加热到合适温度。并使它与熔融的氰化物保持接触，使碳和氮原子同时渗入钢的表面，在形成微薄的表面层后，接着进行淬火硬化。 方法特点：表面层硬度约为 0.25mm。 硬度约为 HRC45。 氰化引起尺寸变化极微小。 热处理过程中可能产生变形。 典型用途：丝杆。 螺帽和螺栓。 小齿轮。 通常用氰化法硬化的金属：含碳约为 0.20%的普通碳素钢或合金钢。 氰化工艺过程：将低碳钢置于熔融的氰化钠盐浴炉中加热到 800870C。根据氰化层所需的深度不同，保温时间可从 30 分钟直到三个小时之久。 四：结论 在近三十年的发展历程中，刀具材料技术已发生很大变化，高速切削对刀具性能不断提出要求，新材料新工艺不断出现，刀具综合性能不断提高，高速切削时应合理使用刀具，以降低生产成本，提高生产率。 五：参考 1 LIU Baoyou, FANG Youtong, WEI Jinxiang, et al. Reliability and check replacement policy of mechanical equipment under predictive maintenanceJ. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(3): 3035. (in Chinese) 2 ZHANG Hong, WANG Jian, WEN Fushuan, et al. Optimal scheduling of condition-based maintenance for electric equipment considering reliability and economyJ. Electric Power Science and Engineering , 2006, 2: 813. (in Chinese) 3 HE Qing. Mathematical model of preventive maintenance periodJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2005, 36(2): 153154. (in Chinese) 4 WANG H, PHAM H. Some maintenance models and availability with imperfe