第二章刀具材料

1、第一节第一节 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能第二节第二节 高速钢高速钢第四节第四节 涂层刀具涂层刀具第三节第三节 硬质合金硬质合金第五节第五节 其他刀具材料其他刀具材料第六节第六节 刀具材料的发展刀具材料的发展 表表2-1 2-1 各种刀具材料的物理力学性能各种刀具材料的物理力学性能 （续）（续） （续）（续） 返回本返回本章目录章目录第二节 高 速 钢 高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。在工厂中常称为白钢或锋钢。 高速钢的特点高速钢的特点 与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性很高，在切削温度高达500650时，仍能保持60HRC的高硬度，因此允许

2、切削速度可提高l2倍(25m/min30m/min)。同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。 与硬质合金相比，其最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。其退火硬度为207HBS255HBS，与优质中、高碳钢的退火硬度相近，能够用一般材料刀具顺利切削加工出各种复杂形状；在加热状态下(9001100)能反复锻打制成所需的毛坯；高速钢的抗弯强度是硬质合金的35倍，冲击韧性是硬质合金的610倍；经过仔细研磨，高速钢刀具钝圆半径可小于，其锋利性比硬质合金优良。v 总之，高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多。v 应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具

3、的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。 常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类：普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。一、一、 普通高速钢普通高速钢 特点：工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于40m/min60m/min。普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。 (1) 钨系高速钢。钨系高速钢。这类高速钢的典型牌号为W18Cr4V(简称W18)，含C量为0.7%0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此类高速钢综合性能较好，可制造各种复杂刃型刀具。 2.、 钨钼系高速钢钨钼系高速钢。它是以Mo代替部分W发展

4、起来的一种高速钢，典型牌号是W6Mo5 Cr4V2(简称M2)，含碳量为0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。 与W18Cr4V相比，优点是碳化物含量相应减少，而且颗粒细小分布均匀，因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略有提高，适于制造尺寸较大、承受冲击力较大的刀具(如滚刀、插刀)；又因Mo的存在，使其热塑性非常好，故特别适于轧制或扭制钻头等热成形刀具。其主要缺点是可磨削性略低于W18Cr4V。 二、高性能高速钢二、高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co(钴)、Al(铝)等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的耐用度为普通高速钢的1

5、.53倍。 应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。 (1) 钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)。这是一种含Co超硬高速钢，常温硬度达67HRC69HRC，具有良好的综合性能。Co能提高高温硬度，相应地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。 (2) 铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)。铝高速钢是我国研制的无钴高速钢，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、碳的含量，以提高钢的耐热性和耐磨性，并使其强度和韧性不降低。 三、三、 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢：是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，

6、或压制成钢坯然后经轧制(或锻造)成材的一种刀具材料。 特点：与熔炼高速钢相比，由于碳化物细小，分布均匀，热处理变形小，因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均得到显著改善。 应用：适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。 (4) TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC为主体，Ni与Mo为黏结剂，并加入少量其他碳化物而形成的一种硬质合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，但热导率低和韧性较差。 应用：适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。 三、硬质合金选用见表三、硬质合金选用见表2-5表表2-5 2-5 常

7、用硬质合金牌号的选用常用硬质合金牌号的选用 第四节第四节 涂层刀具涂层刀具 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命35倍以上，提高切削速度20%70%，提高加工精度0.51级，降低刀具消耗费用20%50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标

8、志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。涂层刀具涂层刀具 涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。涂层刀具涂层刀具 涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CV

9、D) 法。前者沉积温度为500，涂层厚度为25µm；后者的沉积温度为9001100，涂层厚度可达510µm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400以下(目前涂覆温度已可降至1

10、80200)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。涂层刀具涂层刀具 涂层方法:用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.020.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高

11、5倍。涂层刀具涂层刀具涂层涂层 颜色颜色 硬度硬度HVHV厚度厚度 摩擦摩擦系数系数最高使用最高使用温度温度说明说明工具例工具例ZrCN复合 兰灰 2500 140.3550 通用性强TiN单层金黄2300 140.4500 应用最为普遍，具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性；适合大多数切削刀具，也适合多数成形模具及抗磨损工件.TiAlN复合紫蓝3200 140.5800 化学稳定性好，具有高热硬性，极好的抗氧化和耐磨性，适合干切削场合。AlTiN复合黑3400 140.5900高速、高硬度加工TiAlCrN亚黑3500 140.61000特殊加工领域TiCN渐层灰黑3000 140.4500 具有较

12、低的内应力，较高的韧性以及良好的润滑性能；适合要求较低的摩擦系数而高硬度的加工环境.CrN渐层银亮20003150.5700 有着显著的强润滑性能和耐高温特性，最适合铜类金属的切削刀具，以及耐磨耐腐零件的涂层.DLC黑100040000.520.05400 优良的耐磨、耐腐蚀性能，摩擦系数极低，与基体结合力强。用于刀具时，通常以TiAlN为基体配合使用，用以加工有色金属、石墨等材料.涂层硬度公次于金刚石涂层刀具涂层刀具 涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。 陶瓷刀具广泛用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。“以车代磨”；其中以氧化