第二章刀具 材料

第二章 刀具 材料 第二章刀具材料第一节刀具材料应具备的性能教学目的了解刀具材料应具备的性能教学要点六种要求，一个条件，刀具材料的分类教学方法讲解、举例教具教学过程刀具的工作条件六个要求刀具材料的分类版书第二章刀具材料第一节刀具材料应具备的性能刀具的工作条件高压、高温、强烈摩擦、振动、冲击、热冲击 一、刀具材料应具备的性能 1、高硬度和耐磨性硬度62HRC耐磨性与硬度、化学成分、强度、显微组织、摩擦区温度有关 2、足够的强度和韧性 3、高耐热性高温下保持耐磨性、硬度、化学成分、强度、韧性的能力一般以高温硬度表示 4、良好的热物理性能和耐热冲击性能导热系数热膨胀系数 5、良好的工艺性 6、经济性 二、刀具材料的分类工具钢碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷超硬材料人造金刚石立方氮化硼作业第二节工具钢教学目的了解碳素工具钢、合金工具钢、高速钢教学要点性能、机理、特点、应用教学方法讲解、举例教具教学过程碳素工具钢合金工具钢高速钢合金元素的作用版书第二节工具钢 一、碳素工具钢含碳量0.651.35的优质高碳钢T7A T8A T10A T12A工艺性好可热处理耐磨性好淬火硬度可达HRC5864价格低耐热性差250300硬度下降（马氏体分解）碳化物分布不均匀淬火变形大淬透性差v510m/min锉刀、丝锥、锯条、板牙等低速手动工具 二、合金工具钢高碳钢中加入合金元素（Si、Cr、W、Mn、V）总量不超过359SiCr CrWMnCrMn CrW59Mn2V提高韧性、耐磨性、耐热性耐热性325400v1015m/min丝锥、板牙、铰刀、搓丝板等低速机用工具 三、高速钢（白钢、锋钢、风钢）含有较多合金元素（W、Cr、Mo、V等）的高合金工具钢HRC6367500650强度高工艺性好高性能HSS高耐热性HSS高碳HSS9W6Mo5Cr4V2（提高耐热、耐磨）高钒HSS W6Mo5Cr4V3钴HSS W2Mo9Cr4VCo8超硬HSS铝HSS W6Mo5Cr4V2Al粉末冶金HSS（可加大含碳量、细小均匀结晶组织、磨加工性好、物理力学性能高度各向同性、减小淬火变形、碳化物不易剥落） 四、合金元素的作用W、Fe、Cr、V与C形成化合物提高耐磨性W溶于基体，增加高温硬度Mo作用同W（1Mo2W）并可细化碳化物，提高韧性Co、Al、Si、Nb（铌）提高高温硬度V提高耐磨性（不宜超过3）作业第三节硬质合金教学目的了解硬质合金的性能、分类和选用教学要点硬质合金的性能、机理、分类、选用教学方法讲解、图示教具教学过程硬质合金的组成及特点分类性能特点选用版书第三节硬质合金 一、组成及特点 1、组成高硬度、高熔点的重金属碳化物（WC、TiC、TaC钽、NbC铌）粉末和金属结合剂（Co、Ni）粉末冶金而成 2、特点高硬度HRA8991强度韧性低高耐热性8001000热稳定性好v是HSS的410倍 二、影响硬质合金性能的因素金属碳化物的种类、性能、数量、粒度、结合剂数量 1、种类和性能硬度TiCWCTaC熔点TaCTiCWC强度WCTiCTaC导热WCTiCTaC 2、数量、粒度、结合剂数量碳化物硬度强度结合剂硬度强度粒度结合剂层厚度硬度强度 3、碳化物分布均匀防止热应力和机械冲击产生裂纹TaC碳化物颗粒细化分布均匀 三、种类及牌号 1、WC基类（常用）1）钨钴类WCCo YG数字为Co含量YG3YG6YG8硬度强服2）钨钛钴类WCTiCCo YT数字为TiC含量YT5YT15YT30硬度强度3）钨钴钽（铌）类WCTaC（NbC）Co YGAYG6A4）钨钛钴钽（铌）类WCTiCTaC（NbC）Co YW通用硬质合金YW1YW 22、TiC基类TiCNiMo YN钢件精加工YN10YN 053、钢结硬质合金TiC或WC3040HSS7060粉末冶金性能介于HSS与Y之间可锻造、热处理、切削加工、制作复杂刀具 四、性能特点 1、硬度、强度Co硬度强度韧性Co相同硬度YTYG强度韧性YGYT硬度细晶粒粗晶粒强度细晶粒粗晶粒含TaC（NbC）硬度强度 2、导热系数YGYT（因WCTiC）YG Co导热系数YT TiC导热系数 3、线膨胀系数YTYG TiC线膨胀系数 4、抗粘结性YTYG 五、硬质合金的选用（P26表24）作业第四节涂层刀具教学目的了解涂层的种类、作用和机理教学要点涂层的分类、作用、机理教学方法讲解教具教学过程涂层材料性能版书第四节涂层刀具 一、材料TiC（灰）TiN（金）Al2O3（白）化学气相沉积真空溅射512m单涂层双涂层三涂层 二、性能TiC硬度高、耐磨性好、线膨胀系数与基体相近粘结牢固TiN硬度稍低、结合稍差、摩擦系数小、抗粘结磨损Al2O3高温稳定刀具不能重磨、焊接。 作业第五节其它材料教学目的了解陶瓷和超硬材料教学要点陶瓷材料特点教学方法讲解教具教学过程陶瓷超硬材料版书第五节其它材料 一、陶瓷特点高硬度，高耐磨性高化学稳定性低摩擦系数高耐热性抗热冲击性差，强度韧性低分类 1、高纯氧化铝陶瓷Al2O3微量添加剂冷压烧结HRA91 922、复合氧化铝陶瓷Al2O3TiCNi（Mo）热压HRA9394200时HRA80惰性大用于精加工半精加工 3、复合氮化硅陶瓷Si3N4TiCCo热压硬度与复合氧化铝陶瓷相近加工冷硬铸铁、淬硬钢 二、人造金刚石高硬度HV10000（Y HV13001800）热稳定性低，700800碳化不能加工铁族元素 三、立方氮化硼（表面粗糙度可代替磨削）硬度高HV8000高热稳定性13001500惰性大化学惰性作业相关资料相关介绍硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。 它是金属材料的重要性能指标之一。 一般硬度越高，耐磨性越好。 常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度(HB)以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。 2.洛氏硬度(HR)当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。 它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1. 59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。 根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示HRA是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 3维氏硬度(HV)以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)相关资料高性能高速钢在20世纪后期，逐步出现了许多高性能高速钢。 高性能高速钢是在普通高速钢基础上，通过调整基本化学成分并添加其他合金元素，使其常温和高温机械性能得到显著提高。 附表中列出了国内外有代表性的高性能高速钢的化学成分和机械性能，现分述其特点于下1高碳高速钢在W18Cr4V基础上。 增加0.2%含碳量，形成95W18Cr4V。 根据化学平衡碳理论，可在淬火加热时增加高速钢奥氏体中的含碳量，加强回火时的弥散硬化作用，从而提高了常温和高温硬度。 与W18Cr4V相比，95W18Cr4V的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相当。 这个钢种的切削性能虽不及高钴、高钒高速钢，但价格便宜，切削刃可以磨得很锋利，故有应用价值。 同样，还有100W6Mo5Cr4V2(CM2)高碳高速钢。 2高钴高速钢在高速钢中加钴，可以促进回火时从马氏体中析出钨、钼碳化物，提高弥散硬化效果，并提高热稳定性，故能提高常温、高温硬度及耐磨性。 增加含钴量还可改善钢的导热性，降低刀具、工件间的摩擦系数。 M42是美国这方面的代表性钢种，其综合性能甚为优越。 瑞典的HSP-15也是这一类的钢种，但其含钒量为3%，刃磨加工性不如M42。 钴含量高、价格昂贵，不适合中国国情。 我国研制成功的低钴含硅高速钢Co5Si，性能优越，价格低于M42和HSP-15，但Co5Si含钒量亦达3%，刃磨加工性亦较差，故不宜用其制造刃形复杂的刀具。 3高钒高速钢高钒高速钢(如B 201、B 211、B212)的钒含量为3%5%，同时加大碳含量，形成VC与V4C3，使高速钢得到高的硬度和耐磨性。 高钒高速钢的耐热性也好，但高钒高速钢的刃磨加工性差，导热性也不好，冲击韧性较低，故不宜用于复杂刀具。 在高钒高速钢中也可加入适当的钴，成为高钒含钴高速钢。 我国研制的高钒含氮高速钢V3N，价格便宜，切削性能也好，唯刃磨较难。 后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)，切削性能很好，刃磨性能亦佳，但价格高于V3N。 4含铝高速钢我国研制出无钴、价廉的含铝高性能高速钢501。 其中铝含量约为1%。 铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起“钉扎”作用，故钢的常温、高温硬度和耐磨性均得以提高，强度和韧性也都比较高，切削性能与M42相当。 501的钒含量为2%，刃磨性能稍逊于M42。 5F6也是含铝1%的高性能高速钢，B 201、B 211、B212中也含铝。 含铝高速钢是中国的一个独创。 501在国内得到广泛应用，在国外也得到应用；其他含铝高速钢的应用不如501广泛。 相关资料粉末冶金高速钢普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制造的，它们经过冶炼、铸锭和锻轧等工艺制成刀具，熔炼高速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析。 硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大(可达几十个微米)，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利影响。 粉末冶金高速钢的制造过程是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体(氩气或氮气)喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(粉末)。 上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末。 再将所得的粉末在高温(约1100)、高压(约100MPa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。 粉末冶金高速钢的优点粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均为1级，碳化物晶粒尺寸在23m以下。 因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出2050。 它适用于制造承受冲击载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。 在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高11.5HRC，高温硬度(550600)提高尤为显著，故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高。 由于碳化物细小均匀，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含钒5时其可磨削性能相当于含钒2的熔炼高速钢，故粉冶高速钢中允许适当提高钒含量，且便于制造刃型复杂的刀具。 粉冶高速钢的热处理变形亦较小。 相关资料硬质合金硬质合金应该是发明在1919年前后。 首先被发明的是钨钴类硬质合金。 据说在当时，德国的威迪亚(Widia)和瓦尔特(Walter)两家公司为争夺硬质合金的专利斗争了不少时间。 应该说，两个公司的科学家几乎是同时地，互相独立地各自完成了自己的发明，都具备获得该技术专利的必要条件，但遗憾的是专利只能归于一家。 最后这一专利归于威地亚，而瓦尔特则在其它方面获得一些补偿。 钨钴类硬质合金(用于加工铸铁和有色金属)钨钴钛类硬质合金(用于加工钢件)迄今为止，钨钴类硬质合金依然是硬质合金中最重要的分支之一，主要用于加工铸铁件和铝合金、铜合金等非铁材料。 在这类硬质合金中，碳化钨作为硬质相，而钴作为粘结相，各自发挥着自己的作用。 一般说来，在颗粒大小等其实条件相等的条件下，碳化钨的含量百分比越高，硬质合金所表现出的硬度就越高，这意味着它的耐磨性更高。 但同时也意味着它的钴的含量百分比较低，表现为韧性较低，耐冲击性较低。 就目前的技术来说，颗粒细化、涂层、梯度合金(主要指富钴层)等一些技术可以在维持原有韧性的同时适当提高一些耐磨性，但就同样采用了这些技术的产品来说，基本规律并没有变化。 1938年，肯纳金属的创始人菲利普迈克肯纳发明了现代硬质合金的另一个重要分支钨钴钛类硬质合金。 钨钴钛类硬质合金是在钨钴类硬质合金的基础上适当增加一些钛化物。 钛化物的硬度比碳化钨更高，耐磨性也更好。 这些特性使它在切削钢材等长切屑材料时的表现更为优越。 类似与高速钢中碳化钨机理对硬质合金发明的奠基性贡献，同样地，我也认为钛化物的机理对于金属陶瓷(学名应为钛基硬质合金)的发明具有奠基性贡献。 而今天，我们把钨钴类硬质合金和钨钴钛类硬质合金合称为钨基硬质合金(俗称“钨钢”)，它在目前是现代金属切削刀具的不可动摇的主力。 相比高速钢(也称“风钢”或“锋钢”)，被称为“钨钢”的硬质合金的锋利性要稍差一些，也就是说它很难达到高速钢可以达到的锋利程度，因此高速钢又有了“锋钢”的美名。 其实比起碳素工具钢、合金工具钢而言，高速钢并不锋利，只是由于碳素工具钢、合金工具钢红硬性太差，已经退出了机械工具的领域而只应用于手工工具的领域，人们不把它们与高速钢比较而已。 相关介涂层高速钢刀具1概述在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。 般，绍涂层材料用TiN、TiC等，但多采用TiN。 涂层后，刀具表面呈金黄色。 涂层厚度为510?m。 涂层高速钢刀具约在1980年出现在国际市场。 发展极为迅速，20年来，它已在高速钢刀具中占有一定比重。 在美国、日本、德国，近一半的齿轮加工刀具及立铣刀、钻头等采用涂层，提高了切削效率，获得了显著的经济效益。 我国对涂层高速钢刀具的研究从80年代开始。 近十年中，刀具制造行业已从美国、日本引进了近10套PVD涂层设备，已出售各种涂层高速钢刀具产品。 在各地区和各部门，拥有数量众多的国内制造的涂层设备，所用的物理气相沉积方法不同，有电弧发生等离子体气相沉积法、等离子枪发射电子束离子镀法、中空阴极枪发射电子束离子镀法、e形枪发射电子束离子镀法等，各有特色和优缺点，涂层产品量亦有差异，电弧发生等离子体气相沉积法用得最多。 2涂层高速钢刀具的优点TiN的硬度为HV18002000，密度为5.44g/cm2，热导率为29.31W/(m)，线膨胀系数为(9.319.39)10-6/。 而高速钢质基体的硬度仅为HV800850。 故涂层后的高速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。 实用情况表明，与未涂层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低510，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；工件已加工表面粗糙度减小；刀具使用寿命显著提高。 3切削实验数据用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢车刀与涂层后的刀具进行切削实验对比，主要对比它们的刀具磨损与使用寿命。 图1涂层与未涂层高速钢车刀的磨损曲线工件材料60Si2Mn(调质，HRC40)。 车刀几何角度go=16，ao=8，kr=45，le=-4，be=0.5mm。 切削用量ap=0.5mm，f=0.2lmm/r，=25m/min干切削。 图2涂层与未涂层高速钢车刀的磨损曲线工件材料60Si2Mn(调质，HRC40)车刀几何角度go=10，ao=8，kr=45，le=0，be=0.5mm。 切削用量ap=O.5mm，f=0.21mm/r，=25m/min，干切削。 图3涂层与未涂层高速钢车刀的T-v曲线工件材料38CrNi3MoVA(调质，HRC3640)。 车刀几何角度go=8，ao=8，kr=75，le=-4，be=0.8mm。 切削用量ap=1mm，f=0.2mm/r，VB=0.5mm，干切削。 图3中，T-公式的Taylor方程如下v=58/T0.37(W18Cr4V)v=57/T0.21(W18Cr4V+TiN)式中v切削速度，m/min；T刀具使用寿命，min。 由图1至图3可见，涂层高速钢刀具的使用寿命是未涂层刀具的23倍，甚至更多。 4使用经验涂层高速钢刀具可用于车刀、铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀和插齿刀，刀具使用寿命有不同程度的提高。 涂层高速钢车刀用得较少，其使用寿命的提高也不是最显著的。 涂层高速钢麻花钻、立铣刀、丝锥等刀具应用最广，使用寿命提高显著，这些刀具经过重磨，涂层仍起作用。 例如，涂层高速钢钻头在涂层后第一次使用时，与未涂层钻头比，使用寿命可提高3倍以上；重磨时已将后刀面的涂层磨掉，但前刀面上尚保留涂层，寿命尚可提高2倍以上；第二次重磨后刀面后，其寿命仍有一定幅度的提高。 对于刃磨前刀面的刀具(如涂层齿轮滚刀、插齿刀)，在刃磨后，仍有延长刀具使用寿命的效果。 涂层高速钢刀具在国内的应用尚不够广泛。 但是，可以肯定地说，它对难加工材料的切削以及在先进制造设备上(如数控机床、加工中心)，将发挥重要作用。 超硬材料CBN(立方氮化硼)作为磨料应用已有40余年的历史了，在磨削加工方面已有相当成熟的应用技术，PCBN(聚晶立方氮化硼也称立方氮化硼烧结体)作为刀具材料应用于切削加工始于70年代，经过20多年的应用，在切削加工的各个方面都表现了优良的切削性能和一些不同于其它材料刀具的特殊规律，我国PCBN刀具的应用相对发达国家还比较少，缺少这方面的技术资料，本文综合国内外有关资料及作者应用PCBN刀具的试验结果介绍如下。 1PCBN刀具材料的性能PCBN按其制造工艺分有由CBN经高温高压直接结合成烧结块的，也有加金属或陶瓷等粘结剂在经高温高压烧结成的；按成品复合方式分，有单独CBN烧结块，也有CBN硬质合金复合烧结的PCBN复合片。 本文将以PCBN复合片刀具的切削性能为主进行介绍。 1.具有较高的硬度和耐磨性CBN晶体结构与金刚石相似，化学键类型相同、晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。 CBN微粉的显微硬度为HV80009000，其烧结体PCBN的硬度一般为HV30005000。 2.具有很高的热稳定性CBN的耐热性可达14001500，PCBN在800时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。 3.具有优良的化学稳定性CBN的化学惰性特别大，在12001300时也不与铁系材料发生化学反应，与碳在2000时才发生反应；在中性、还原性的气体中，对酸碱都是稳定的。 其对各种材料的粘结扩散作用比硬质合金小得多。 4.具有较好的导热性在各类刀具材料中CBN的导热性仅次于金刚石，大大高于硬质合金，而且随着温度的升高，PCBN导热系数是增加的。 5.具有较低的摩擦系数与不同材料间的摩擦系数CBN为0.10. 3、硬质合金为0.40.6，随着切削速度的提高，摩擦系数是减小的。 2PCBN刀具的切削特性PCBN刀具材料由于具有上述的特殊性能，因此在不同切削情况下，表现出了不同于其它材料刀具特殊的规律。 ?切削高硬度淬硬钢刀具寿命高PCBN刀具切削淬硬钢时，随着被加工材料硬度的增高，刀具寿命并非单调下降，而是在HRC40时刀具寿命最低(如图1所示)，图1VB=0.2mm；ap=05mm；f=0.1mm/r，工件材料35CrMo。 当工件材料硬度高于此硬度后，刀具寿命反而增加。 这主要是由于PCBN材料高温下硬度损失小，而工件材料硬度较高时，由于切削热作用将切削区域金属软化，而使切削加工更易于进行。 PCBN这一特性非常适于加工高硬度材料，以车削代磨削可获得以往只有用磨削加工才能得到的加工表面质量。 ?切削正火钢刀具寿命低切削正火材料时，PCBN刀具的寿命要低于硬质合金刀具(如图2所示)，切削用量f=0.1mm/r；ap=0.5mm。 并且刀具寿命比切削淬火钢时寿命还要低。 由此可以看出PCBN刀具不适于加工正火材料。 图1刀具寿命与被加工材料硬度的关系图2切削正火钢时切削速度与刀具寿命的关系?切削灰口铸铁刀具寿命曲线弯曲切削灰口铸铁PCBN刀具寿命与切削速度的关系不符合泰勒公式，其后刀面磨损VB及前刀面月牙洼磨损深度KT都呈现出了相同的规律(如图3所示),图3切削用量f=0.1mm/r，ap=0.5mm。 ?切削耐磨黄铜时刀具寿命高于金刚石刀具切削有色金属时，通常烧结金刚石(PCD)是最佳刀具材料，但切削耐磨黄铜时，PCBN刀具寿命高于烧结金刚石和硬质合金刀具(如图4所示),图4切削用量v=200m/min；f=0.2mm/r，ap=1.0mm。 图3切削灰口铸铁时刀具寿命与切削速度关系图4切削黄铜时的刀具磨损曲线?高速下PCBN刀具寿命高图5切削用量f=0.05mm/r，ap=0.05mm；工件材料HPM31HRC57；球头立铣刀R5顺铣。 图5所示为不同速度下PCBN刀具切削淬硬钢时刀具后刀面磨损与切削距离的关系，由图5可以看出当切削速度超过一定限度后，切削速度越高，刀具的磨损速度反而降低，即高速下PCBN刀具的寿命高于低速，因此PCBN刀具适合高硬度材料的高速切削加工。 图5不同速度下PCBN刀具的寿命图6干切与湿切情况下PCBN刀具寿命与切削速度的关系?干切条件下PCBN刀具寿命高?图6工件材料为铸铁，是PCBN刀具在干、湿两种切削条件下刀具寿命的对比。 由图6可以看出在干切情况下，PCBN刀具寿命反倒高于使用切削液的情况，其主要原因是由于干切时切削温度高，PCBN高温硬度高，因此硬度损失少，而工件材料在高温下硬度损失大，硬度降低后更