数控刀具材质及应用.ppt

数控刀具材质与应用 王以任2011 12 2 1 目录 简介刀具材料分类内容硬质合金刀片表面涂层PVD涂层刀片CVD涂层刀片金属陶瓷刀片非金属陶瓷刀片超硬材料刀片 2 简介 刀具材料的发展简史人类发展的历史也是人类使用工具的历史 在远古时代所谓的切削是指 去除加工 以石头为工具 随后发展了青铜和铁制工具 现代的切削工具材料经历了从碳素工具钢到高速钢 硬质合金 涂层硬质合金 陶瓷刀具和超硬刀具材料的一百多年的发展历史 3 刀具材料分类 4 刀具材料分类 5 1 硬质合金刀片 6 硬质合金 硬质合金是指由一种或多种难熔金属的碳化物 如碳化钨 碳化钛等 作为硬质相 用金属粘结剂作为粘结相 经粉末冶金技术制造的材料 作为切削刀具用的硬质合金 常用的碳化物有碳化钨 WC 碳化钛 TiC 碳化钽 TaC 碳化铌 NbC 等 常用的粘结剂有钴 Co 镍 Ni 铁 Fe 硬质合金的强度主要取决于钴的含量 由于硬质合金具有高强度 高硬度 耐磨损 耐腐蚀 耐高温和膨胀系数小等优点 因此在工业部门中得到了越来越广泛的应用 已成为最优良的工具材料之一 7 分类与性能 硬质合金的种类很多 其分类主要有二种 1 按使用条件 即被切削材料分类 2 按成分分类 根据被切削材料种类的分类 国际标准化组织 ISO 根据ISO513 1975 E 规定 切削用硬质合金按用途分为P K M三类 P类主要用于加工钢件 包括铸钢 K类主要用于加工铸铁 有色金属和非金属材料 M类用于加工钢 包括奥氏体钢 锰钢等 及铸铁 有色金属等 8 分类与性能 根据成分分类 我国常用硬质合金按其化学成分及用途可分为三类 1 钨钴类 WC Co 硬质合金 这类硬质合金的硬质相是WC 粘结相是Co 其代号为YG 相当于ISO标准的K类 2 钨钛钴类 WC TiC Co 硬质合金 这类硬质合金的硬质相除WC外 还加有TiC 粘结相也是Co 其代号为YT 相当于ISO标准的P类 3 钨钛钽 铌 钴类 WC TiC TaC NbC Co 硬质合金 这类硬质合金是在YT合金成分中添加有TaC NbC 而成 其代号为YW 相当于ISO标准的M类 9 分类与性能 10 应用 硬质合金的应用主要有三大领域 即切削刀具 矿用刀片和异型材料 各类硬质合金因其成分和性能的不同 有着不同的应用领域 11 WC Co硬质合金WC Co YG 类硬质合金主要用于加工铸铁 有色金属和非金属材料 YG类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性 与YT类比较 这可减小切削时的崩刃 YG类合金的导热性较好 有利于切削热从刀尖散走 降低刀尖温度 避免刀尖过热软化 加工有色金属及其合金时 由于在熔化温度下有色金属及其合金不会与WC产生熔解或熔解速度非常慢 即使在熔化温度下也不产生化学相互作用 因此 YG类合金能成功地加工有色金属及其合金 12 WC TiC Co硬质合金WC TiC Co YT 类硬质合金适于加工塑性材料如钢材 YT类合金具有较高的硬度 特别是有较高的耐热性 在高温时的硬度和抗压强度比YG类合金高 抗氧化性能好 另外 在加工钢材时 YT类合金有很高的耐磨性 YT类硬质合金的导热性较差 切削时传入刀具的热量较少 大部分的热量集中在切屑中 切屑受强热后会发生软化 因而有利于切屑过程的顺利进行 13 WC TaC NbC Co硬质合金在WC TiC Co硬质合金中加入适当的TaC 可提高其抗弯强度 显著增加刀刃强度 疲劳强度和冲击韧性 提高耐热性 高温硬度 高温强度和抗氧化能力 提高其耐磨性 增加抗月牙洼磨损和抗后刀面磨损能力 这类合金兼有WC TiC Co及WC TaC Co合金的大部分最佳性能 它既可用于加工钢料 主要用途 又可用于加工铸铁和有色金属 故常被称为通用合金 代号YW 这类合金通常用于加工各种高合金钢 耐热合金和各种合金铸铁 特硬铸铁等难加工材料 14 2 表面涂层 15 涂层 表面工程技术的重要分枝 用以改变材料表面特性的技术 可以追朔到远古 三千多年前中国的大漆 二千多年前秦始皇墓中的青铜剑表面改性层 秦始皇墓二号坑出土的19把青铜剑光亮如新 锋利如初 经分析 表面有一层厚约为l0um的含铬的氧化层 就是明证 油漆 电镀 涂层这些古典防护技术 随着科学技术的进步都在逐步的发展之中 而当电子束 离子束 激光束这些近代技术于60 70年代进入表面技术领域 并发挥其特有的功能 则使表面技术发生了飞跃的进步 既推动了许多工业部门的飞速发展 又形成了自己的体系 80年代初出现了表面工程的新概念 当时的英国热处理学会 l984年更名为热处理与表面工程学会 出版了第一本国际性的表面工程杂志 有关表面改性 薄膜 涂层 表面工程的学术会议 像雨后春笋 蓬勃发展 国际上出现了表面工程研究热潮 表面工程技术成为80年代世界上10项关键技术之一 进入90年代 其发展势头渐进 各国竞相把表面工程列入研究发展规划 16 涂层定义 涂层可定义为用物理的 化学的 或者其他方法 在金属或非金属基体表面形成的具有一定厚度 不同于基体材料且具有一定的强化 防护或特殊功能的覆盖层 上述涂层定义涉及下列应搞清楚的问题 1 涂层应有 一定厚度 这个厚度是多少 2 涂层是 不同于基体材料 的一个覆盖层 应是一种什么材料 3 涂层是怎样形成的 即涂层形成机制如何 4 涂层是如何 附着 在基体上 即涂层与基体的结合机制如何 5 涂层要有的 一定功能 是什么功能 6 涂层与表面改性是什么关系 17 涂层生长 18 涂层的结构 从晶体学角度观察 涂层结构可以分为无定形结构 多晶结构和单晶结构 无定形结构原子排列近程有序 最小结构单元无规则排列在一起 多晶结构薄膜由无规则取向的微晶粒组成 一般工艺条件下形成薄膜为多晶结构 单晶结构薄膜通常采用外延技术或在较高温度下在单晶衬底上形成 由于膜生长初期和生长过程中受衬底表面状态 衬底温度及工艺参数影响 使晶体结构包括晶粒取向 晶粒尺寸很不相同 甚至可形成亚结构及超结构 尤其是 衬底温度以及镀膜后回火温度对结晶状态 晶粒尺寸影响最为显著 温度高 膜厚 晶粒尺寸大 无定型结构膜可以转变为结晶形 晶粒尺寸小 晶粒堆积密度高 结晶缺陷密度高 一般表现出硬度高 薄膜与衬底表面间的附着力好 化学性能稳定 19 表面涂层 涂层隔热耐磨原理 左 无涂层刀片右 涂层刀片QS2 QS1 QW2 QW1 热量传入切屑部分多 对于非涂层合金 由于硬质合金有良好的导热性 更多的热能从接触区流入对温度敏感的合金中 刀片的温度高 硬度下降 耐磨性差 较少的热残留于切屑中减小了它的变形能力 并使切屑较厚 温度低 硬度高 更难加工 涂层后 流入基体的热流受阻 更多的热残留于切屑中 温度高 硬度下降 切屑更易变形易于切除 流入合金中的热量少 刀片的温度低 硬度高 耐磨性好 因此寿命长 20 表面涂层 涂层的作用 1 由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性 故与末涂层硬质合金相比 涂层硬质合金允许采用较高的切削速度 从而提高了加工效率 或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度 2 由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小 故与未涂层刀片相比 涂层刀片的切削力有一定降低 3 涂层刀片加工时 已加工表面质量较好 4 由于综合性能好 涂层刀片有较好的通用性 一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围 21 表面涂层 材料 40CrMoMn HB 354 Vc 100m min Vf 955mm min 涂层效果举例 工具磨损对比 生产成本对比 22 物理涂层 物理涂层技术PVD是利用某种物理过程 如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象 实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程 PVD涂层的沉积温度大约在300 500 PVD已经成功应用在整体旋转刀具和精密可转位刀片 23 物理涂层 PVD常用涂层物质 24 物理涂层 25 物理涂层 26 物理涂层 27 物理涂层 物理涂层应用 主要适用于整体刀具 铣削和钻头 铣削 螺纹加工 孔加工 切断 切槽加工 不锈钢和耐热合金的车削加工 28 物理涂层 29 30 常用PVD涂层方法 a 溅射镀膜b 电弧镀膜 31 32 33 34 物理涂层刀片 PVD常用物质 35 物理涂层刀片 耐磨性 韧性 加工状况良好 连续切削 高速切削 装夹稳固 加工状况一般 各方向进给的成形车削 锻造或铸造毛坯件 工件装夹稳固 加工状况恶劣 断续车削 低速切削 重负荷 工件表面有硬皮 不稳固的装夹 36 3 化学涂层刀片 37 CVD发展简史 38 化学涂层刀片 CVD涂层技术利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物 单质气体 在衬底表面上令其进行化学反应生成固体薄膜 称为化学气相沉积 CVD 薄膜 CVD的基本组成包括初始气源 加热反应室和废气处理排放系统 初始气体包括情性气体 如氩气和氖气 还原气体 如氢气 以及各种反应气体 如甲烷 二氧化碳 水蒸气 氨 氯气 某些初始气体来源于在高温具有高蒸气压的液体 如四氯化钛 这些液体被加热到合适的温度 再用载体 如氢气 把蒸气带入反应室 通常CVD的反应温度范围为大约900 2000 它取决于沉积物的特性 所谓中温CVD MTCVD 的典型反应温度大约500 到800 它通常是通过金属有机化合物在较低温度的分解来实现的 通过气相反应的能量激活 也可以把反应温度降低 这类技术包括等离子体辅助CVD PACVD 或等离子体强化CVD PECVD 以及激光CVD LCVD 这些名称已经表明 气相中的化学反应由于等离子体的产生成者由于激光的照射而得以激活 39 化学涂层刀片 化学涂层炉 40 化学涂层刀片 CVD常用涂层物质碳化钛是一种高硬度耐磨化合物 有着良好的抗摩擦磨损性能 氮化钛硬度稍低 但却有较高的化学稳定性 并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数 从涂层工艺性考虑 两者均为理想的涂层材料 但无论碳化钛或氮化钛 单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求 碳氮化钛 TiCN 在单一的TiC晶格中 氮原子 N 占据原来碳原子 C 在点阵中的位置而形成的复合化合物 TiCxNy中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式 即TiC0 5N0 5和TiC0 3N0 7 由于TiCN具有TiC和TiN的综合性能 其硬度 特别是高温硬度 高于TiC和TiN 因此是一种较理想的刀具涂层材料 氧化铝 Al2O3 在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上 没有任何材料能与之相比 但由于氧化铝与基体材料的物理 化学性能相差太大 单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具 41 化学涂层刀片 42 涂层组织结构 43 涂层组织结构 MT TiCN抛光后的形貌 左为表面 右为断面 无论是OM低倍下 还是SEM和TEM高倍下均末发现MT TiCN中存在孔隙 表明它是完全致密的 图中的裂纹为涂层后冷却时形成的热裂纹 与致密性无关 44 涂层组织结构 45 涂层组织和结构 Al2O3的晶粒形貌 46 涂层产品表面形貌 47 CVD涂层与PVD涂层比较 由于PVD工艺温度低 不会降低硬质合金刀片自身的强度 刀片刃部可磨得十分锋利 从而可降低机床的功率消耗 尽管PVD有CVD难以比拟的优点 也可进行除a Al2O3以外的多种硬质涂层 但实践表明 一般车削 部分铣削 刀片CVD涂层性能仍优于PVD涂层 这里除CVD可进行a Al2O3涂层外 涂层与基体的结合强度比PVD涂层高也是其性能优于PVD涂层的一个重要因素 涂层硬质合金刀片的划痕试验表明 PVD涂层的临界载荷一般为30 40N 而CVD涂层的临界载荷可大于90N CVD涂层的厚度可达7 20 m 而PVD涂层厚度必须控制在3 5 m 否则涂层易产生剥落现象 48 CVD涂层与PVD涂层比较 一般说来 高速钢等钢制工具 锋利的硬质合金精切刀片和硬质合金整体多刃刀具 如立铣刀 麻花钻等 采用PVD工艺涂层比较理想 其余大部分硬质合金刀片均可采用CVD工艺涂层 CVD涂层技术也在不断发展 目前 除采用中温CVD 降低涂层温度 以减小硬质合金强度的降低幅度外 还可采用计算机精确控制单层涂层厚度 以满足精切硬质合金刀片的涂层要求 今后 CVD和PVD两种工艺技术在刀具涂层中仍将并存和相互补充 并因其自身的优点而在刀具涂层比例中占有各自的份额 CVD PVD两种技术也可相互结合 取长补短 如目前已开发成功的PCVD涂层技术在进行金刚石涂层中已取得了较好效果 49 多层涂层 多层涂层及相关技术的出现 使涂层既可提高与基体材料的结合强度 同时又能具有多种材料的综合性能 到目前为止 硬质合金刀片的CVD涂层大致可分为四大系列 TiN TiC TiN TiN TiCN TiN TiN TiCN Al2O3和TiN TiCN Al2O3 TiN 前两类适用于普通半精及精切加工 后两类适用于高速及重负荷切削 50 多层涂层的优点 a 某些涂层材料对基体有良好的粘着性 它们常用来作基体和实用硬涂层之间的界面层 例如通常CVDTiC A12O3 TiN涂层中的TiC层 b 可提高整体涂层的力学性能 如硬度和韧性 由于某些钛基涂层具有较大的残余应力 纳米层组织 甚至超点阵组织 常被用来提高韧性 因此多涂层在保证粘着性好的情况下 可得到较大的涂层厚度 各层之间的大量界面 也可阻止裂纹的发展 c 多层设计也可实现不同涂层材料的功能组合 使用具有不同功能中间层的多层涂层 能够由中间层提供高温稳定性 由外层提供高硬度 加上软外层或固体润滑层的作用 从而使摩擦因数减小 51 涂层基体设计 基体采用独特的刃口 骨架 设计 实现了韧性与抗塑性变形的完美统一刃口经特别处理后 刃口两边为较厚的脱 层韧性区 而中间扇形部分则含有高温性能良好的固溶体 形成骨架支撑 这样既保证刀片有足够的韧性又能有好的抗塑性变形能力 52 涂层基体设计 53 4 金属陶瓷 54 金属陶瓷定义 定义 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料 从金属陶瓷英文单词Cermets来 是由Ceramic 陶瓷 和Metal 金属 结合构成的 金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度 高硬度 耐磨损 耐高温 抗氧化和化学稳定性等特性 又具有较好的金属韧性和可塑性 55 金属陶瓷分类与特性 金属陶瓷硬质相的主要成分是TiC Ti CN 这种硬质相与硬质合金相WC相比 高温性能和抗氧化性能更优越 并难与被切削材料发生反应 特点 密度小硬度高 耐磨性好高温性能稳定抗氧化性能好 56 金属陶瓷分类与特性 Ti CN 基金属陶瓷是在TiC基金属陶瓷的基础上引入TiN而改进的一种新型工具材料 它具有密度低 硬度和红硬性高于硬质合金 化学稳定性和抗氧化性能好 对钢的摩擦系数小 热膨胀系数高于硬质合金等特点 在加工中表现出优良的耐磨性 较高的韧性和良好的抗塑性变形能力 57 金属陶瓷 58 金属陶瓷的应用 金属陶瓷是一种适用于精加工的刀具材料 可保证较好的尺寸精度与表面粗糙度 金属陶瓷主要应用于钢材料等长切屑材料的加工 目前已用来加工铸铁与不锈钢等材料 为获得最佳的生产率与安全性 进给率应尽可能加大 切削深度应尽可能最小 选择适当刀片形状 刀尖半径与糟形 材质与几何形状的优化组合 59 5 非金属陶瓷 60 非金属陶瓷分类 通常用于切削材料的非金属陶瓷主要有三类 SIALON陶瓷 Si Al O N 氧化铝基陶瓷氮化硅基陶瓷 61 非金属陶瓷应用 Sialon陶瓷 可归于氮化硅基陶瓷 一般的制造方法为 SiO2 Al2O3 Si3N4 Y2O3 粉末混合 冷压 烧结后制得 少量Y2O3作为烧结助剂 烧结过程中 SiO2 Al2O3 Y2O3反应形成液相 然后氮化硅与液相反应形成Sialon Sialon陶瓷的显微结构为晶态氮化物玻璃相 其密度为3 3g cm3 硬度为HV1700 Sialon陶瓷的热膨胀系数较低 用于切削刀片能有效缓解热应力 具有很好的抗热冲击性能 Sialon陶瓷的高温硬度较好 但其韧性低于同硬度的硬质合金 Sialon陶瓷适于加工耐热合金 铸铁和淬火模具钢 62 非金属陶瓷应用 氧化铝基陶瓷 具有优良的高温加工性能 在800 左右 氧化铝基陶瓷的加工性能明显优于硬质合金 但在800 以下 氧化铝基陶瓷的韧性要低于硬质合金 氧化铝基陶瓷主要用于加工灰口铸铁 特别是在汽车工业上 氧化铝基陶瓷常用于加工刹车盘 刹车故 飞轮等灰口铸铁零件 63 非金属陶瓷应用 常见氧化铝基陶瓷 1 Al2O3 2 5 ZrO2 白色 ZrO2可提高陶瓷的断裂韧性 这种氧化铝陶瓷 密度为4g cm3左右 其热导率低 耐热冲击性能好 适于铸铁和铸钢的干式切削 2 Al2O3 30 40 TiC 或TiN 黑色或深棕色 TiC的加入使其室温硬度比白色氧化铝增加HV200左右 但韧性有所降低 这类氧化铝适于硬态钢的精加工 3 Al2O3 ZrO2 SiC晶须 25 以上 晶须的结构一般为直径0 5微米 长度10 50微米 晶须可增强陶瓷的结构和韧性 这种晶须增强陶瓷的硬度也较高 可达HV2000 适于在高速下精加工或半精加工镍基超合金 64 非金属陶瓷应用 氮化硅陶瓷 通过热压方法制造 其硬度约HV1800 密度为3 2g cm3左右 晶粒尺寸约2 3微米 氮化硅陶瓷具有很好的耐磨性 刃口强度和抗热冲击性能 适于铸铁的车削和铣削 但不适于加工钢材 65 精密陶瓷刀片性能特点 高硬度和高耐磨性 硬度Hv高达21G 良好的高温性能 在1000 1200 的高温下仍能正常工作 良好的抗粘接性能 化学稳定性好 摩擦系数低 比硬质合金低20 30 故加工表面粗糙度较小 加工钢件时Ra0 8 0 4 加工铸铁时Ra1 6 0 8 66 非金属陶瓷 67 陶瓷刀片加工特点 干式加工高速加工以车代磨 68 6 超硬材料刀片 69 超硬材料 PCD 金刚石 硬质合金复合片 PolycrystallineDiamondComposite PCD 是将金刚石聚晶复合到硬质合金上的一种超硬材料 它集金刚石的高硬度与硬质合金的高强度于一体 同时具有易焊接及聚晶金刚石的特点 人造金刚石聚晶及复合片一出现就显示出强大的生命力 这是由它的下列特点所决定的 70 超硬材料 PCD 性能 金刚石晶粒呈无序排列状态 因而其性能 特别是硬度及解理面各向同性 具有较高的强度 特别是抗冲击强度及耐磨性 可以制成特定的形状 可以设计或预测产品的性能 赋予产品必要的特点 从而适应它的特殊用途 71 超硬材料 PCD PCD刀具材料性能指标 PCD的硬度可达8000HV 为硬质合金的80 120倍 PCD的导热系数为700W mK 为硬质合金的1 5 9倍 甚至高于PCBN和铜 因此PCD刀具热量传递迅速 PCD的摩擦系数一般仅为0 1 0 3 硬质合金的摩擦系数为0 4 1 因此PCD刀具可显著减小切削力 PCD的热膨胀系数仅为0 9 10 6 1 18 10 6 仅相当于硬质合金的1 5 因此PCD刀具热变形小 加工精度高 PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和