硬质合金刀片的材料分类.性能.选用(摘要)

工欲善其事必先利其器,前言在由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素。刀具切削性能的好坏取决于构成刀具的材料和刀具结构，而刀具材料最具有决定性作用。半个多世纪以来，刀具材料的进步极大地推动着人类社会生产力的发展。从碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷材料到金刚石和立方氮化硼材料以及刀具涂层技术，刀具材料性能的改进使得切削速度不断提高。刀具技术和机床技术的发展相互促进，工件材料与刀具材料交替进展，对推动切削加工技术的发展起着决定性作用。,随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种新型金属材料和非金属材料的应用日益广泛，面对如此品种繁多的工件材料，如何正确选择刀具材料来进行切削加工，以提高生产效率、降低成本和减少资源消耗，这是一个十分重要的问题。不同的刀具材料或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大差别，所谓“万能刀具”是不存在的。“工欲善其事，必先利其器”这一句中国名言已成为国内外的共识。因此，学习金属切削原理，掌握各种刀具材料的不同特性，按具体情况解决好刀具材料与加工对象之间的“合理匹配”问题，优选切削用量，从而提高应用水平。,目前，中国的机械工业呈现出快速增长的势头，但生产效率低下导致投入与产出相比效益不高，或者说得到回報的比例远远低于国外，在国际上的竞争力并不强。要想从“制造大国”走向“制造强国”，制造效率和生产管理水平必需加快提升；要做到这一点首要任务是提升企业和职工的管理、技术素质。从提高机械加工效率方面考量，普遍提高一线技术工人的刀具应用技术水平是至关重要的，也是企业增收节支的有效办法。为了配合企业的技术培训工作，我们以简明的图、表及少量文字叙述编写有关机械加工专项技术培训资料，力求达到易学、实用、速成的效果。编者2007.8.,硬质合金刀片的材料分类.性能.选用,中国刀具技术协会常务理事孙贞惠高级工程师刀具技师主讲,硬质合金刀片的材料分类.性能.选用,一.概述二.硬质合金刀具材料的分类与特性三.硬质合金刀具涂层技术简介四.根据加工件的材料特性选用合适的刀片牌号五.根据刀片的特性合理选择切削用量六.附表,一、概述：切削过程的主要矛盾是刀具的切除与工件的反切除。影响刀具切削能力的外在因素有刀具结构、几何角度、磨损情况以及工件材料、切削用量选用情况等，而刀具材料的性能则是决定切削能力的内在因素；因此，在切削加工实践中，进行编制工艺、选择刀具和优选切削用量，都必须以刀具材料的性能为依据。硬质合金刀具是在较大的切削力和较高的切削温度下切除金属的，并且和切屑与工件表面不断地发生摩擦，因此，作为刀具切削部份的刀片材料，应具备以下几方面的性能：,1较高的硬度和耐磨性；2较高的耐热性；3必要的强度与韧性；4较好的导热性；5较好的抗粘结性；6制造刀具工艺性和经济性相对好。各类刀片牌号的性能差别很大、适用范围也各有不同，没有一种刀片牌号具备所有的最佳性能，而是各有所长、相互补充的。所以，了解刀片牌号的基本特性及其应用范围，在生产实践中掌握其规律性，才能做到运用自如。,机夹硬质合金镗、铣刀具,机夹硬质合金车削刀具,各种硬质合金刀片,(涂层硬质合金刀具.刀片,涂层设备),与,切削刀具材料的特性区域图,碳工钢合工钢,CBN涂层,国产各种刀具材料的主要性能指标,二.硬质合金刀具材料的分类与特性硬质合金是釆用粉末冶金工艺制成的工程材料。它是由高硬度和高熔点金属碳化物（碳化钨（WC）、碳化钛（TiC）、碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC）等）作硬质相，用金属钴（Co）为主或钼（Mo）、镍（Ni）等作为粘结相。经球磨工艺制成的粉末，按各种牌号的配比进行混合，而后压制成合金坯块，再经过高温高压炉里进行燒结而成各种硬质合金制品。由于硬质合金中的高温碳化物含量超过高速钢，具有高硬度、耐磨性好、耐热性好的特性，允许使用切削速度要比高速钢高得多，因此，硬质合金是目前得到最广泛应用的切削刀具材料。,1ISO标准硬质合金的分类及其刀片牌号表示方法：（1）ISO标准硬质合金的分类及其代号；（2）ISO标准硬质合金牌号成份和性能；（3）ISO标准硬质合金按用途分类表。,(1)ISO标准硬质合金的分类及其刀片牌号表示方法,（1）硬质合金的分类及其代号：P类(包括P01P50):适用于加工长切屑的黑色金属(如:切削钢材)，以蓝色作标志；M类(包括M10M40):这类合金为通用型，适用于加工长切屑或短切屑的黑色金属(如:切削不锈钢)及有色金属，以黄色作标志；K类(包括K01K40):适于用加工短切屑的黑色金属(如:切削铸铁)有色金属及非金属材料，以红色作标志；,P.M.K.H.S.N.,H类(包括H01H30):适用于加工硬度为HRC4065的高硬度材料(如:切削淬火钢、合金钢、硬铸铁等)，以褐色为标志；S类(包括S01S30):适用于切削高温合金、耐热合金材料(如:钛合金、镍基高温合金等)，以棕色为标志；N类(包括N10N30):适用于加工有色金属及非金属材料(如:铝合金、纤维强化型塑料等)，以绿色为标志。,注:以上三类标准是近年来ISO新增设的标准,（2）硬质合金ISO标准牌号的成分和性能,（3）硬质合金ISO标准按用途分类表,硬质合金ISO标准按用途分类表（续）,硬质合金ISO标准按用途分类表（续）,各种硬质合金可转位车刀,各种硬质合金可转位铣刀,2国产硬质合金分类、性能及其用途：（1）国产硬质合金牌号分类；（2）国产硬质合金牌号表示方法；（3）国产硬质合金常用牌号性能与选用；（4）国产硬质合金新牌号的性能与选用；（5）国产硬质合金可转位刀片型号(采用ISO国际标准)的表示方法；（6）国内外硬质合金牌号对照表。,（1）国产硬质合金牌号分类:,A钨钛钴类合金：以WCTiCCo为化学成份，称YT类；B钨钴类合金：以WC和Co为主，个别牌号加了微量的TaC或NbC；称YG类；C钨钛钽（铌）钴类合金：除WCCo外，还加了适量的TiC、TaC、Nbc，称YW类；D碳化钛基镍钼类合金：以NiMo为粘结剂的合金，称YN类；E钢结硬质合金。,（2）国产硬质合金牌号表示方法：,Y,G,6,X,国产硬质合金牌号（材质）表示方法举例说明例1：YG8表示含钴量8%，含碳化钨92%的钨钴合金；例2：YG6表示含钴量6%，含碳化钨94%的钨钴合金；例3：YT15表示含碳化钛15%，含钴量6%含碳化钨79%的钨钛钴合金；例4：YT5表示含碳化钛5%，含钴量10%，含碳化钨85%的钨钛钴合金；例5：YW2表示含碳化钨85%，碳化钛4%，含碳化钽4%含钴量7%的通用合金。,(3)国产硬质合金常用牌号的性能与选用:,硬质合金是由高硬度的高温碳化物（又称难熔碳化物）和金属粘结剂用粉末冶金工艺制成的工程材料。用于切削刀具的硬质合金是以碳化钨（WC）和碳化钛（TiC）为主要成分,常用金属添加物有碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）、碳化钒（VC）、碳化铬（Cr3C2）、碳化钼（Mo2C）等，常用的金属粘接相是钴（Co）和镍（Ni）。按晶粒大小区分，硬质合金可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金、亚微细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金。,AYT类硬质合金：(对应于ISO标准的P类)合金牌号YT5YT14YT15YT30硬度89.590.59192.5（HRA）耐磨性差耐磨性好抗弯强公斤/毫米）韧性好韧性差导热系数0.150.080.080.05（卡/厘米秒度）散热快散热慢维持性能的最高温度：600900C工艺性能：含钛量多的硬质合金铜钎焊性差、切削钢抗粘结性好；应用范围：主要制造各种焊接、机夹或整体刀具，适用于碳钢、合金钢的粗、精加工。,BYG类硬质合金:(对应于ISO标准的K类)合金牌号YG8YG6YG6XYG3硬度8989.59191（HRA）耐磨性差耐磨性好抗弯强度150140135110（公斤/毫米）韧性好韧性差导热系数018019019021（卡/厘米秒度）散热慢散热快维持性能的最高温度：600900C工艺性能：铜钎焊性好、切削钢抗粘性能差；应用范围：主要制造各种焊接、机夹或整体刀具，适用于铸铁、有色金属及其合金的粗、精加工；含钴量多的牌号可粗加工不锈钢。,CYW类硬质合金：(对应于ISO标准的M.K类)合金牌号YW1YA6YW2硬度929291（HRA）耐磨性好耐磨性差抗弯强度125135150（公斤/毫米）韧性差韧性好维持性能的最高温度：7001000C工艺性能：耐热性较好，能承受一定的冲击负荷，是添加少量TaC、NbC的通用性较好的合金；应用范围：适用于硬铸铁、有色金属以及耐热钢、高锰钢、不锈钢、合金钢的粗、精加工。,DYN类硬质合金:(对应于ISO标准的P类)合金牌号YN05、YN10、YN20硬度HRA90.593抗弯强度110125（公斤/毫米）维持性能的最高温度：10001300C工艺性能：耐磨性和允许的切削速度高于YT30，抗弯强度比YT30高、加工钢时抗粘结性能好；应用范围：适用于碳素钢、合金钢、不锈钢、淬火钢等材料连续切削时的精加工，可替代YT30。,E钢结硬质合金：钢结硬质合金是以工具钢、碳素钢、合金钢为粘结相，以碳化钛、碳化钨等碳化物为硬质相用粉末冶金方法生产的硬质合金。钢结硬质合金按硬质相的组成可分为碳化钛基和碳化钨基类；按粘结相的最终组织结构可分为马氏体、奥氏体、铁素体基；按机械工性能可分为可加工和不可加工两种钢结硬质合金。钢结硬质合金的密度普遍比前面叙述的几种硬质合金低，但它可以通过热处理（淬火或退火）提高和降低硬度。它还可进行机械加工和焊接，部分还具有可锻造的特性。,钢结硬质合金的物理机械性能合金牌号密度退火硬度淬火硬度抗弯强度（g/cm3）（HRC）（HRA）（N/mm）GT356.40851274GW110.2083未锻17642058已锻23522548R56.30851274GA513.0HRA862450TM526.00HRC57烧结态155165韧化处理185200TM606.20HRC59烧结态158170韧化处理190210,钢结硬质合金的特性与应用范围aGT35：硬度较高、耐磨性好，但不耐高温与腐蚀；用于冷冲、挤压模具及量卡具、耐磨零件等。bGW1：较好的机械性能和耐磨性，用干冷冲压模具及量卡工具、耐磨零件。cR5：较高的硬度和耐磨性，有回火二次硬化现象，抗回火、抗氧化、抗腐蚀；适用于中温热作模具与耐热、耐磨零件。dGA5：具有高强度、高耐磨性，抗冲击韧性和可焊性；适用于大功率矿山、地质采掘工具及模具、耐磨零件。eTM52TM60：具有加工硬化、耐冲击和可电弧焊接的特性，适用于制作抗冲击的矿山凿岩钻具和耐磨零件。,(4)国产硬质合金新牌号的性能与选用：新牌号硬质合金是指近二十年来新研发的晶粒细化的硬质合金产品。普通硬质合金的晶粒度为35m，细晶粒硬质合金的晶粒度为1.5m左右，亚微细晶粒硬质合金的晶粒度为0.51m，而超细晶粒硬质合金的晶粒度在0.5m以下。由于晶粒细化后，不但可以提高合金的常温硬度、耐磨性、抗弯强度和抗崩刃性，而且高温硬度也得到提高。超细晶粒硬质合金比同样成分的普通硬质合金提高2HRA以上，抗弯强度可提高600800MPa。目前，国产细晶粒硬质合金有株洲合金公司的YS2、YM051、YD05，自贡合金公司的ZK10、YG643、YG610，厦门金鹭公司的GU10UF、GU15UF等牌号。（以下列表介绍国产晶粒细化的硬质合金）,整体硬质合金立铣刀,国产常用新牌号硬质合金的性能与选用（表一）,国产常用新牌号硬质合金的性能与选用（续）,国产常用新牌号硬质合金的性能与选用（续）,注：以上表中的新牌号硬质合金为株洲硬质合金有限公司与自贡硬质合金有限公司的产品。,国产常用新牌号硬质合金的性能与选用（续）,注：以上表中的新牌号属超细晶粒或亚微细晶粒的硬质合金，是厦门金鹭特种合金有限公司的产品。,整体硬质合金立铣刀铣削加工,(5)硬质合金可转位刀片型号的表示方法:,我国硬质合金可转位刀片的国家标准采用的是ISO国际标准，即切削刀具用可转位刀片型号表示规则（GB/T20761987）共有10个号位。标准规定，任何一个型号刀片都必须用前7个号位，后3个号位在必要时才使用。但对于车刀刀片，不论有无第8、9两个号位，第10号位都必须用短横线“”与前面号位隔开，并且其字母不得使用第8、9两个号位已使用过的7个字母（F、E、T、S、R、L、N），当第8、9号位为只使用其中一位时，则写在第8号位上,且中间不需空格。第5、6、7号位使用不符合标准规定的尺寸代号时，第4号位要用X表示，并需用略图或详细的说明书加以说明。,ISO标准可转位刀片型号的表示方法,（6）国内外硬质合金牌号对照表：,在全世界有上百个厂商生产切削加工用的硬质合金，其硬质合金的化学成份、性能以及各国厂商的硬质合金牌号命名也不相同，给用户合理选用带来许多麻烦。为此国际标准化组织颁佈了ISO513规定，对切削加工用的硬质合金按应用范围分为三大类（P、M、K类），隨着工程材料技术的发展，被加工材料种类不断的增多，新型刀具材料也不断涌现，因此，近年来ISO组织又增设了三大类标准（H、S、N类）。为了便于大家了解各国厂商生产的硬质合金牌号，掌握按ISO标准分类分组的硬质合金性能和使用范围，我们根据收集到的有关资料，编写以下国内外主要厂商硬质合金牌号对照表，供选用时参照。,国内外硬质合金牌号对照表车削刀片(表一),国内外硬质合金牌号对照表车削刀片(续),国内外硬质合金牌号对照表车削刀片(续),国内外硬质合金牌号对照表车削刀片(续),硬质合金刀具材料对照表铣削刀片(表二),硬质合金刀具材料对照表铣削刀片(续),三.硬质合金刀具涂层技术简介（一）简介（二）涂层刀具的分类与特性（三）涂层材料与基体材料（四）刀具涂层设备简介（五）涂层刀具材料的选用（六）国内外涂层硬质合金刀具材料分类对照表,涂层设备,（一）简介：,在刀具（或刀片）表面上涂覆一层或多层的高硬度难熔金属化合物的薄膜（约512m），这样使刀具既保持原有基体的强度和韧性，又使表面有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦系数和高的耐热性，这就是20世纪70年以来刀具技术的重大突破。人们把这种表面处理技术称为涂层（涂膜）技术，经过涂层的刀具称为“涂层刀具（或涂层刀片）”。随着数控机床的广泛应用，刀具涂层技术也得到了飞速发展，涂层工艺越来越成熟，目前，国外的切削加工已普遍使用涂层刀具，预计今后涂层刀具将是数控加工领域中最重要的刀具品种，涂层刀具所占的比例必将达到80%以上。,（二）涂层刀具的分类与特性:,1.涂层工艺方法分类：根据涂层技术工艺方法不同，主要分为化学气相沉积法和物理气相沉积法（其又分为真空蒸着法、溅射法、离子法等）；此外还有盐浴浸镀法、等离子喷涂、热解沉积涂层以及化学涂覆法等。以下简介目前常用的几种刀具涂层方法：（1）化学气相沉积法(CVD)（2）物理气相沉积法(PVD)（3）等离子体化学气相沉积法(PCVD),（1）化学气相沉积法（CVD）:CVD法是釆用一套完整的专用涂膜设备，它除了反应器外，还包括反应气体输入部分、控制及测量部分、反应激活能源及尾气排放部分等。其工艺条件要求很高，对温度、压力和反应物供给要求严格控制，成本较高。其基本原理是利用金属卤化物的蒸汽、氢气和其他化学成分，在7001200的温度下，进行分解、热合等气、固相反应，或利用化学传输等作用，在加热刀具或刀片的基体表面生成固态沉积层的一种方法。因此CVD又称为化学蒸着法。,涂层硬质合金刀片,（2）物理气相沉积法（PVD）：PVD法其工艺按基本原理可分为反应离子沉积法和反应溅射法等。工件表面通过离子轰击而得到淨化，涂层材料则溶化而且雾化，並在等离子区电离，沉积于被涂层的材料上。PVD法有很多优点，如:沉积温度比CVD法低，约为200600，PVD涂层纯度高，致密性好，涂层与基体结合牢固，涂层性能不受基体材质的影响。但PVD涂层法的工艺要求很严格，设备费用比CVD法还要高23倍，而涂层周期较长，因此涂层成本较高。,（3）等离子体化学气相沉积法(PCVD):PCVD法是在反应气体外部施加电场，产生异常辉光放电，使进入反应室内的气态变为等离子状态，即化学性能上表现为非常活泼的离子、原子团、激发态原子和分子等。这些化学活性很强的粒子，在500的温度下进行化学反应即可生成薄膜；由于薄膜沉积之前对衬底表面的溅射清洗，以及在表面沉积过程中的粒子轰击效应，因此，与CVD法比较具有温度较低、成膜致密性好、镀膜与基体结合牢固，涂层性能优良等特点。,2.涂层刀具分类与特性：（1）涂层硬质合金刀具：在普通的整体硬质合金刀具或硬质合金可转位刀片表面上，釆用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）的工艺方法，涂覆一层或多层高硬度、高耐磨性的难熔金属化合物或超硬材料（如：TiC、TiN、Al2O3以及PCD和PCBN等），表面硬度可达15003500HV（PCD、PCBN涂层可高达40007000HV），耐热性达4001200，在高速切削、干切削时，比未涂层刀具（或刀片）的使用寿命提高13倍，有的高达510倍；此外，涂层硬质合金刀片通用性好，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使用，大大简化了刀具管理和降低了刀具费用，经济效益显着。,（三）刀具涂层材料与基体材料：,1.刀具涂层材料：（1）刀具涂层材料应满足下列要求：A.具有较高的常温和高温硬度；B.有良好的化学稳定性与基体材料粘结牢固；C.应有较强的渗透性，不产生气孔；D.有良好的工艺性和低的成本。,（2）刀具涂层材料：常用的涂层材料有碳化物（TiC）、氮化物（TiN）、氧化物（Al2O3）、硼化物（TiB2）、硫化物（MoS2）、碳氮化物（TiCN）等，近年来国内外还迅速发展了聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（PCBN）涂层。,常用涂层材料的硬涂层与软涂层的性能比较,国外涂层设备:,TiNAl2O3TiCN复合涂膜,GC4005,刀片刃口处理为负倒棱，采用梯度烧结技术，刃口区域富含钴粘结基，从而提高了刃口的抗破损能力。中等厚度的7umMTCVD-TiCN，较厚的大约10um的alfa-Al2O3。TiCN的抗磨料磨损的性能最好，既抵抗后刀面磨损的性能最强。厚Al2O3是超精细化沉积层是最好的热屏障，使刀片在高速干切削时刀片基体不会发生塑性变形。基体含有呈立方晶格的碳化钨从而提高了刀片的热硬性抗冲击能力。,国内外CVD涂层硬质合金牌号对照表车削刀片(表一),国内外CVD涂层硬质合金牌号对照表车削刀片(续),国内外CVD涂层硬质合金牌号对照表车削刀片(续),国内外CVD涂层硬质合金牌号对照表铣削刀片(表二),国内外CVD涂层硬质合金牌号对照表铣削刀片(续),涂层硬质合金可转位切断刀片,涂层硬质合金可转位螺纹刀片,国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表车削刀片(表一),国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表车削刀片(续),国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表车削刀片(续),国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表铣削刀片(表二),国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表铣削刀片(续),国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表铣削刀片(续),国内外PVD涂层硬质合金牌号分类对照表铣削刀片(续),氮化钛涂层(TiN),氮碳化钛涂层(TiCN),氮化铬涂层(CrN),氮铝化钛涂层(TiAlN),碳化钨/碳涂层(WC/C),四.根据加工件的材料特性选