《金属切削原理与刀具》第二章 刀具材料.ppt

第二章刀具材料、2.1刀具材料应具备的性能和种类、2.2工具钢、2.3高速钢、2.4硬质合金、2.5其他刀具材料、2.1刀具材料应具备的性能和种类、2.1.1刀具材料应具备的性能刀具在切削过程中直接与工件接触的切削部分具有较大的切削力，特别是切削刃及其前后刀此外，切削中的各种不均匀、不稳定的元素会在刀具切削部分产生不同程度的冲击和震动。例如：切削钢时，芯片挤压应力对前视图的影响最大为2f pa到3fpa。高速切削铁和前刀面接触区域的温度经常保持在800 900，中心区域有时超过1000 。为了适应这些繁重的切削载荷和恶劣的工作条件，刀具材料必须在以下方面发挥性能：2.1刀具材料必须具有的属性和类型，1 .充分的硬度和耐磨性是刀具材料必须具有的基本特性。刀具硬度必须高于工件材料的硬度，室温硬度通常大于60HRC。耐磨性是材料抵抗磨损的能力，与材料硬度、强度和组织结构有关。材料硬度越高，耐磨性越好。组织中硬质点(如碳化物和氮化物)的硬度越高，颗粒越小，数量越多，分布均匀，耐磨性越高。2.刀具在充分的强度和韧性切削时承受切削力、冲击和振动，刀具材料必须具有足够的强度和韧性，以避免崩溃和破损。材料的强度和韧性通常用弯曲强度和冲击值表示。2.1刀具材料应具备的性能和类型，3 .高耐热性和导热性耐热性：在高温下，工具材料能够保持足够的硬度、耐磨性、强度和韧性、抗氧化性、粘合性和耐扩散性(也称为热稳定性)。热硬：材料在高温下保持高硬度的功能称为热硬(高温硬度，红色硬)，是保持刀具材料切削性能的必备条件。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越高，允许的切削速度越高。刀具材料的传热系数较大，有助于将切削区域的热量导出出去，并降低切削温度。2.1刀具材料应具有的性能和类型，4 .为了便于良好的工艺和经济性刀具加工制造，刀具材料必须具有良好的工艺性能，如热轧、锻造、焊接、热处理和加工。注意：这些属性可能相互矛盾，例如强度和韧性低的高刀具材料。没有任何工具材料对所有性能的最佳测量，具有不同的优点。因此，选择刀具材料时要合理选择。各种刀具材料的主要物理和机械性质见表2-1。2.1.2刀具材料的分类刀具材料可分为五类：工具钢(包括碳工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质合金、陶瓷和硬质合金材料(包括金刚石、立方氮化硼等)。2.1刀具材料应具备的性能和种类，2.2工具钢，2.2.1碳素工具钢碳工具钢是碳量为0.65%到1.3%的高质量碳钢，一般钢弧为T7A、T8A、T10A、T12A等。特性：良好的工艺性能，通过适当的热处理硬度为60HRC64HRC，耐磨性高，价格便宜。但是，热轻量在200 300时开始降低硬度，因此允许的切削速度更低(5m/min 10m/min)。应用：用于制造手用工具、低速和小型进给率的机器工具。2.2工具钢，2.2.2合金工具钢的特点：合金工具钢是通过添加适合于碳工具钢的合金元素铬(Cr)、硅(Si)、钨(w)、锰(Mn)、钒(v)等而制造的(合金元素的总含量为3)提高刀具材料的韧性、耐磨性和耐热性。其耐热性可达325 400，因此切割速度(10m/min 15m/min)优于碳工具钢。应用：用于制造长、宽或锋利的刀刃复杂的刀具，如铰刀、丝锥和范尼。2.2高速钢，即富含2.2工具钢、w、Cr、Mo(钼)、v等合金元素的高合金工具钢。在工厂里，通常被称为白钢或电线钢。，2.3.1高速钢与碳工具钢、合金工具钢相比具有较高的热硬化性，切削温度高达500 650时可保持60HRC的高硬度，使切削速度提高1 2倍(25m/min 30m/min)。高铁耐磨性高，强度和韧性也高。2.3高速钢的最大优点是加工性好，优良的综合机械性能。退火硬度为207HBS255HBS，类似于高质量中碳钢的退火硬度，可以使用普通材料工具平滑加工各种复杂形状。在加热状态下(900 1100)，可以反复锻造所需的毛坯。高速钢的弯曲强度是硬质合金的3 5倍，冲击韧性是硬质合金的6 10倍。经过仔细打磨后，高速钢刀具可能小于钝圆半径，其锋利性优于硬质合金。结论高速钢的切削性能远远优于工具钢，可加工性远优于硬质合金。应用：高速钢仍然是世界各国复杂、精密、成型刀具的基本材料，是使用最广泛的刀具材料之一。2.3高速钢，2.3.2常用高速钢材料的分类和性能及应用分类：普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。1 .普通高速钢的特点：工艺性能好，硬度高，强度高，耐磨性和韧性好。可用于制造各种刃形的复杂刀具。切削一般钢材料时的切削速度通常不会高于40m/min到60m/min。普通高速钢分为钨高速钢和钨钼高速钢两类。(1)钨高速钢。这种高速钢的代表性等级为W18Cr4V (W18)，c的数量为0.7%到0.8%，W18%，Cr4%，V1%。这种高铁综合性能好，可以制造各种复杂的刀片工具。2.3高速钢，(2)钨钼高速钢。用Mo开发的一种高速钢，代替部分w，代表性等级为W6Mo5Cr4V2 (M2)，碳含量为0.8%到0.9%，W6%，Mo5%，Cr4%，V2%。与W18Cr4V相比，碳化物含量相应减少，颗粒分布细微，因此弯曲强度、塑性、韧性和耐磨性稍有提高，适用于制造大小大、冲击大的刀具(例如滚刀、镶件)。由于具有Mo，热塑性塑料非常好，因此特别适用于热成型工具，例如滚动或扭转位。主要缺点是研磨的可能性比W18Cr4V略低。2.3高速钢，2 .高性能高速钢高性能高速钢在典型高速钢成分中添加了一些合金元素，如c、v、Co(钴)、Al(铝)等，进一步提高了耐热性和耐磨性。这种高速钢刀具的耐久性是普通高速钢的1.5到3倍。应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金和高强度钢等难以加工的材料。(1)钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)。Co超轻高速钢，在室温下轻巧67 HRC到69 HRC，提供卓越的综合性能。Co可以提高高温硬度，相应提高切削速度，因为v含量不高，磨损可能性良好。2.3高速钢，(2)铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)。铝高速钢是我国开发的无钴高铁，以W6Mo5Cr4V2为标准，提高了铝、碳的含量，提高了钢的耐热性和耐磨性，防止了其强度和韧性下降。3 .粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢：熔化高速钢液体用高压惰性气体喷成小粉末，粉末在高温高压下加工或压制(或锻造)成坯的工具材料。特点：与冶炼高速钢相比，碳化物小，分布均匀，热处理变形小，粉末冶金高速钢的耐磨性和磨削可能性有很大提高。应用：适用于制造难以加工的材料的刀具，尤其适用于制造各种精密刀具和复杂形状的刀具。2.3高速钢，2.4硬质合金，4.1硬质合金的组成和特性硬质合金是用粉末冶金工艺制作的工具材料，该工艺包括部分耐火、高硬度合金碳化物微米级粉末和金属粘结剂。常用的合金碳化物包括WC、TiC、TaC、NbC等，常用的粘结剂包括Co和Mo、Ni等。硬质合金具有良好的高硬度、高熔点和化学稳定性。因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性超过了高速钢，其弯曲强度低，冲击韧性低。在室温下硬质合金的硬度很高，使用加工法制作复杂的几何结构很困难，所以加工性很差。硬质合金的特性取决于化学成分、碳化物粉末厚度和烧结工艺。2.4硬质合金，2.4.2常用硬质合金的分类、特性和应用碳化物可按化学成分分为四类。钨钴(YG)、钨钴钛(YT类)、含添加剂的硬质合金(YW类)、TiC基硬质合金(YN类)。其中前三类的主要成分是WC，可以统称为基于WC的硬质合金。(1)钨钴硬质合金。YG3、YG6X、YG8等。YG表示钨钴硬质合金，后面的数字表示Co的含量，细颗粒的硬质合金具有较高的弯曲强度和耐磨性。应用：加工脆化材料，如单片铸铁、有色金属和非金属。加工铸铁等脆性材料时，芯片破裂，对切削刃的冲击很大，切削力和切削热量集中在尖端附近。YG硬质合金弯曲强度及韧性和热导率高，满足要求。2.4硬质合金，(2)钨钴钛硬质合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示钨、钴、钛硬质合金，数字表示TiC的含量。YT类型的硬质合金含有高硬度的TiC，因此硬度、耐磨性和抗氧化能力更高，但导热性、弯曲强度和韧性、研磨性和可焊性更低。应用：加工形成长屑的钢铁和其他塑料材料。注：加工硬化钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难以加工的材料时，如果切削力大，切削力大，YT型硬质合金选择可能崩溃，则选择YG型硬质合金比较合适。2.4硬质合金，(3)含添加剂的硬质合金。是通过添加适合YG，YT级硬质合金的添加剂(合金碳化物TaC，NbC)形成的新型硬质合金品种。YW类别也称为一般硬质合金(YA6、YW1和YW2)。特点：具有更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。应用：用于钢和难加工材料的半精加工和精加工。(4)TiC基硬质合金。基于TiC的硬质合金是一种硬质合金，以TiC为主体，使用Ni和Mo作为粘结剂，并添加少量其他碳化物而形成。示例：YN10和YN05。与基于WC的硬质合金相比，其耐磨性、耐热性和抗氧化能力更好，但导热系数低，韧性低。适用：适用于工具钢的半精加工和精加工及硬化钢加工。2.4硬质合金，2.5其他刀具材料，2.5.1陶瓷材料由高温烧结氧化铝的主要成分制成。纯Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷。优点：硬度和耐磨性高。具有良好的耐热性，在1200 的高温下也能切削。良好的化学稳定性和低摩擦系数，不扩散和附着力。缺点：强度低，韧性低，弯曲强度只有硬质合金的1/3到1/2。导热系数低，只有硬质合金的1/5到1/2。应用：钢、铸铁和塑料大的材料(如铜)的半精加工和精加工对冷铸铁、硬化钢等硬度材料的加工尤其有效。不适合机械冲击或热冲击大的加工环境。2.5其他刀具材料、2.5.2金刚石有三种天然单晶金刚石工具、合成多晶金刚石工具和金刚石复合工具。金刚石复合刀片在硬质合金基板上烧结厚度约为0.5毫米的钻石，形成金刚石和硬质合金的复合刀片。特性：用于硬质合金、陶瓷和高al-si合金加工等硬度、高耐磨性，刀具耐久性是硬质合金的几倍或几百倍。钻石有很锋利的切削刃，可以切割很薄的锯末，加工的冷端现象很少；钻石粘合力强，不会产生碎屑肿瘤，非常适合精密加工。但是，如果耐热性下降，切削温度不能超过700 800。强度低，易碎，对振动非常敏感，应微量切削。铁的亲和力强，不适合加工黑色金属材料。应用：用于磨料和磨料，用作高速有色金属和非金属材料微切削的工具。2.5其他工具材料，2.5.3立方氮化硼立方氮化硼(CBN)，是在高温高压下，6字氮化硼通过添加催化剂而变形的，是20世纪70年代出现的新材料，硬度达到8000 HV至9000 HV，具有继钻石后更好的耐热性，即使在1300 以上的情况下切割应用：立方氮化硼是一种新型硬质磨料和工具材料，用于加工钢等黑色金属，尤其是高温合金、淬火钢和冷铸铁等难加工材料，范围很广。2.5其他刀具材料，2.5.4涂层刀片涂层刀片在韧性和强度高的硬质合金或高速钢的基座上使用化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PVD)、真空溅射等，以获得极薄层(5-12)的极细微耐磨性、阻燃性和氧化硬化性(请参阅具有适应多种材料加工的高综合切削性能。2.5其他刀具材料、摘要、本章的主要内容是刀具材料必须具备的效能、常用刀具材料的种类，以及常用刀具的等级、属性、效能和应用。工具材料必须具备的特性包括充分的硬度和耐磨性、充分的强度和韧性、高耐热性、良好的可加工性、良好的传热性和经济性。工具钢包括碳工具钢和合金工具钢。碳工具钢主要用于手工工具，低速和小型输送速度的工具。合金工具钢比碳工具钢具有更高的淬透性、韧性、耐磨性和耐热性。主要用于制作细长刀具或单面、刀刃复杂的刀具。高速钢根据切削性能可分为普通高速钢、高性能高速钢、粉末冶金高速钢。高铁比碳工具钢、合金工具钢具有更高的硬度、耐磨性、强度和韧性。高速钢最大的优点是加工性好，综合机械特性优秀。高铁仍然主要用于制造复杂形状的工具。高性能高速钢和粉末冶金高速钢适用于加工难加工材料的各种精密工具和形状复合工具。硬质合金刀具材料有四种：YG类别、YT类别、YW类别和YN类别。具有高硬度、高耐磨性、高耐热性、低弯曲强度、可加工性差异等特点。YG级硬质合金主要用于加工形成肖特基的铸铁、有色金属和非金属等脆性材料，以及硬化钢、高强度钢、奥氏体不锈钢等难以加工的材料。YT类硬度合金主要用于加工形成锯屑的钢等塑料材料。YW类的主要用途是钢材料和难加工材料的半精加工和精加工。陶瓷材料具有良好的硬度、耐