常用刀具材料分类、特点、应用及发展

1、读书报告之常用刀具材料分类、特点及应用金属切削原理读书报告常用刀具材料分类、特点及应用 姓 名 学 号 班 级 学 院 二一五年五月摘要机械制造工业是制造业最重要的组成之一，它担负着向国民经济的各个部门提供机械装备的任务。我国现代化建设的发展速度在很大程度上要取决于机械制造工业的发展水平，因此，从这个意义上说，机械制造工业的发展水平是关系全局的。机械制造中的加工方法很多，其中材料去除加工精度较高、表面质量较好，有很强的加工适应性，是目前机械制造中应用最广泛的加工方法。材料去除加工时，刀具在工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削产生的金属塑性变形以及各部的摩擦，使刀具切削刃上产生很高的温度和受

2、到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损。因此刀具材料性能应满足；高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性能和经济性等要求。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层刀具以及其他刀具材料包括陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。其中陶瓷材料和超硬刀具材料对常规刀具材料的竞争越来越激烈，且所占比重快速增长。随着上述刀具材料的发展，使车削加工的切削速度提高了100多倍，而且新刀具材料出现的周期也越来越短。但在较长时间内，各种刀具材料将仍是相互补充，相互竞争。关键词：刀具材料性能，刀具材料分类，刀具材料特点，刀具材料应用目录引言3第一章 绪论31.1金

3、属切削技术的发展概况31.2金属切削材料的研究意义4第二章 刀具材料性能42.1刀具切削环境42.2刀具材料性能要求42.3刀具材料主要性能6第三章 刀具材料分类73.1高速钢73.1.1 普通高速钢83.1.2高性能高速钢93.1.3粉末冶金高速钢93.2硬质合金93.2.1钨钴类硬质合金103.2.2钨钛钴类硬质合金103.2.3钨钛钽（铌）钴类硬质合金113.2.4硬质合金的选用113.3涂层刀具123.4其它刀具材料133.4.1陶瓷材料133.4.2金刚石143.4.3立方氮化硼（简称CBN）15第四章 刀具材料发展15参考文献16引言随着制造业的发展，采用高强度、高耐磨性、高耐热性

4、和高化学稳定性等材料越来越多，它们的加工难度较大，虽然可以使用硬质合金涂层、金刚石、 立方氮化硼和陶瓷等刀具加工，但这些刀具价格昂贵，又不抗冲击，所以一般工厂采用不多。淬火钢的硬度一般在45HRC以上，材料硬度高、塑性变形性差、切削阻力大、切削温度高，加工刀具容易磨损，切削很困难；高硅铝合金具有较高的高温 强度、良好的热稳定性和高的耐磨性，是一种理想的耐磨材料，近年来高硅铝合金在汽车、摩托车、军工及航天等领域得到了广泛的应用 韩慧，杨海东，张崇高金刚石和氮化碳涂层刀具加工高硅铝合金 合肥大学（自然科学版）2007.1（66-67）。因此，探讨这些难加工 材料的切削加工性能，选择合适的刀具材料十

5、分必要。 第一章 绪论1.1金属切削技术的发展概况制造业是人类财富在20世纪空前膨胀的主要贡献者，可以说没有制造业的发展，就没有人类今天的现代物质文明。有资料统计，美国财富的68%来自制造业， 2000年我国财政收入的三分之一来自制造业。我国现代化的发展速度在很大程度上 要取决于机械制造工业的发展水平，从这个意义上说，机械制造业的发展水平是关系全局的 于骏一，邹青机械制造技术基础北京：机械工业出版社，2004。机械制造中的加工方法很多，按照工件在加工过程中质量的变化，可将加工方 法分为材料去除加工、材料成形加工和材料累积加工。材料去除加工是通过在被加 工对象上去除一部分材料后才制成一

6、合格零件的。与其他方法相比，其加工精度相 对较高、表面质量相对较好，并且有很强的适应性，至今仍是机械制造业中应用最广泛的加工方法，而且在未来相当长的时期内仍将占有重要地位。材料去除加工又可分切削加工和特种加工两种加工方法。特种加工主要是利用机械能以外的其他能量（如光、电、化学、声、热能等直接去除材料的加工方法，目前常用的特种加工方法主要有电火花加工、电解加工、 激光加工、超声波加工等。切削加工是利用切削刀具从工件表面切除多余的材料，使工件达到规定的几何 形状、尺寸精度和表面质量的一种机械加工方法。金属切削刀具是切削加工的基本工具，其选择、使用与设计是工艺技术人员的基本技术技能。1.2金属切削材

7、料的研究意义随着工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的机构和形状不断复杂化和多样化，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用都对刀具提出了更高、更新的要求，进一步加强刀具材料的研究和开发，并合理地选择刀具材料，是推动切削技术应用和发展的重要前提。本文中简单介绍了适用于切削加工的各种刀具材料，包括涂层刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、立方氮化硼刀具等，并分析各种刀具材料的合理选用。第二章 刀具材料性能2.1刀具切削环境刀具切削时，由于要克服被加工材料对弹性变形的抗力、对塑性变形的抗力以及切屑刀具已加工平面相

8、互间的摩擦等，要承受很大的切削力。此外，由于切削时消耗的变形功，刀具与切屑、刀具与工件的摩擦功，在切削层产生高温。在高温与应力下，刀具会发生磨损（硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损、化学磨损）与破损（脆性破损：崩刃、碎断、剥落、裂纹破损；塑性破损），而工件会产生加工硬化，进一步阻碍切削。因此，要基于切削环境，来选择刀具材料的性能。2.2刀具材料性能要求（1）高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越

9、均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、纤维组织及摩擦区的温度有关。考虑到材料的品质因素，可用下式表示材料的耐磨性：式中：指材料硬度（GPa）；指材料的断裂韧度（MPa·m1/2）；指材料的弹性模量（GPa）。（2）足够的强度和韧性要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中通常要出现的冲击和振动的条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。（3）高的耐热性耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。图2-1刀具材料的耐热性1-金刚石 2-立方氮化硼 3-碳化

10、硅 4-氧化铝陶瓷 5-YT15硬质合金 6-YG8硬质合金 7-W18Cr4V高速钢 8-T12高碳钢（4）良好的热物理性能和冲击性能刀具材料的热物理性能越好，切削热越容易从切削区散走，有利于降低切削温度。刀具材料的导热性用热导率表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。刀具在断续切削或使用切削液切削时，常常受到很大的热冲击，因而刀具内部会产生裂纹而导致断裂。刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲击系数R表示。式中-导热系数，指抗拉强度，指泊松比，指弹性模量，指热膨胀系数。（5）具有良好的工艺性和经济性既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨

11、性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。2.3刀具材料主要性能表2-1 常用刀具材料的主要性能种类常用牌号硬度HRC（HRA）抗弯强度（GPa）热硬性（°C）工艺性能用途碳素工具钢T8A、T10A、T12A6064（8183）2.452.75200250可冷热加工成形，刃磨性能好用于手动工具，如锉刀、锯条、錾子等合金工具钢9siCr、CiWMn6065（8184）2.452.75250300可冷热加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于低速成形刀具，如丝锥、板牙、铰刀等高速钢W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.434.41550600可冷热

12、加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于机动复杂的中速刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等硬质合金（YG类）K类（YT类）P类（YW类）M类6981（8993）1.082.168001100粉未冶金成形，只能磨削加工不能热处理，多镶片使用，较脆 用于机动简单的高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀刀片陶瓷SG4、AT6（9394）15002100HV0.41.1151200压制烧结成形，只能磨削加工，不需热处理，脆性略大于硬质合金多用于车刀，适宜精加工连续切削立方氮化硼（CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高温高压烧结成形，硬度高于陶瓷，极脆，可用金刚石砂轮磨削，不需

13、热处理用于加工高硬度、高强度材料（特别是铁族材料）人造金刚石10000HV0.421.0700800硬度高于CBN，极脆用于有色金属和非金属高精度、低粗糙度切削第三章 刀具材料分类刀具材料可分为高速钢、硬质合金、涂层刀具、其他刀具材料等四大类。3.1高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的热稳定性、高的强度，制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，性能较稳定，在自动机床上使用较可靠。常用几种高速钢的力学性能见表3-13.1.1 普通高速钢普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：（1）W18Cr4V（简称W18）。属钨系高速钢，具有

14、较好的切削性能，是我国最常用的一种高速钢。 （2）W6Mo5Cr4V2（简称M2）。属钼系高速钢，碳化物分布均匀性、韧性和高温塑性均超过W18Cr4V，但其磨削性能较差。（3）W9Mo3Cr4V（简称W9）。是一种含钨量较多，含钼量较少的钨钼系高速钢。其碳化物不均匀性介于W18和M2之间，但抗弯强度和冲击韧度高于M2。具有较好的硬度和韧性，其热塑性也很好。 普通高速钢常见用途见图3-1。图3-1 普通高速钢常见用途3.1.2高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，用调整其基本化学成分和添加一些其它合金元素（如钒、钴、铅、硅、铌等）的办法，着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的。它主要用来

15、加工不锈钢、耐热钢、高温合金和超高强度钢等难加工材料。这类钢的不同牌号只有在各自规定的切削条件下使用才能达到良好的切削性能。超硬高速钢是指硬度能达到67-70HRC的高速钢，。就其成分可分为含钴的和不含钴的超硬高速钢。（1）W2Mo9Cr4VCo8 这是一种应用最广的含钴超硬高速钢。（2）W6Mo5Cr4V2Al 这是一种含铝的超硬高速钢由于不含钴，保留有较高的强度和韧性。3.1.3粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是采用粉末冶金方法制得致密的钢坯，再经锻、轧等热变形而得到的高速钢型材。用粉末冶金方法制造的高速钢有下列优点：（1）它可有效地解决一般熔炼高速钢在铸锭时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细

16、小均匀的结晶组织；（2）这种钢的磨加工性很好，不会由于增加钒含量而降低磨加工性；（3）可减小淬火时的变形；（4）耐磨性可提高20%-30%；此外，粉冶钢热成形时具有高的合格率。粉冶钢适于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具，也适于制造精密刀具和磨加工量大的复杂刀具，对于高压动载荷下使用的刀具以及小截面、薄刃刀具和成形刀具也可适用。3.2硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）作硬质相，用钴、钼或镍等作粘结相，研制成粉末，按一定比例混合，压制成型，在高温高压下烧结而成。硬质合金的常温硬度很高（8993HRA，相当于7882HRC）。耐熔性好，热硬性可达80

17、01000以上，允许的切削速度比高速钢提高47倍，刀具寿命高58倍，是目前切削加工中用量仅次于高速钢的主要刀具材料。但它的抗弯强度和韧性均较低，性脆，怕冲击和振动，工艺性也不如高速钢。我国目前常用的硬质合金主要有以下三类：3.2.1钨钴类硬质合金由WC和Co组成，代号为YG。常温硬度为8991HRA，耐热性达800900，适用于加工切屑呈崩碎状的脆性材料。常用牌号有YG3X、YG6X、YG6和YG8等，其中数字表示含Co的百分比，其余为含WC的百分比。钴在硬质合金中起粘结作用，含Co愈多的硬质合金韧性愈好，所以YG8适于粗加工和断续切削，可用于加工45钢锻件粗车、65HRC冷硬铸铁和中速车削淬

18、硬钢，YG6适于半精加工，YG3X适于精加工和连续切削，可用于HT200铸件精车。常见应用见图3-2。图3-2 钨钴类硬质合金常见应用3.2.2钨钛钴类硬质合金由WC、TiC和Co组成，代号为YT。此类硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性（9001000）均比YG类合金高，但抗弯强度和冲击韧度降低。主要适于加工切屑呈带状的钢料等韧性材料。常用牌号有YT30、YT15、YT14和YT5等，数字表示含TiC的百分比。故YT30适于对钢料的精加工和连续切削，可用于低速精车合金钢蜗杆和高速精车调质钢长轴，YT15适于半精加工，YT5适于粗加工和断续切削。常见应用见图3-3。图3-3 钨钛钴类硬质合金常见应用

19、3.2.3钨钛钽（铌）钴类硬质合金又称通用合金，由WC、TiC、TaC（NbC）TCo组成，代号为YW。其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大提高。常用牌号有YW1和YW2，这两种硬质合金都具有YG类硬质合金的韧性，比YT类硬质合金的抗刃口剥落能力强。由于YW类硬质合金的综合性能较好，除可加工铸铁、有色金属和钢料外，主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料，可用于高速精密镗削铝合金缸套。常见应用见图3-4。图3-4 钨钛钽（铌）钴类硬质合金常见应用3.2.4硬质合金的选用加工铸铁、有色金属及非金属材料时，切屑成崩碎块粒，对刀具冲击很大，切削热和切削力集中在刀

20、尖附近。由于YG类合金有较高的强度和冲击韧性而且导热性也好，适合加工这类材料。但是如果切削速度太高，反倒不如用耐热性更好的YT类合金。加工钢料时，金属塑性变形很大，摩擦很剧烈，切削温度很高。由于YT类合金具有较高的硬度和耐磨性、高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力，加工钢时磨损小，刀具耐用度高，适钢料合加工。但是，如果切削速度很低，切削过程不太平稳，不如使用韧性更好的YG类合金。加工钛的不锈钢和钛合金时，由于硬质合金中的Ti元素和加工材料中的Ti元素之前的亲和力会产生严重的粘刀现象，不宜采用YT类硬质合金。此时采用YG类硬质合金，切削温度较低、刀具磨损较小、加工表面粗糙度较小。加工淬硬刚、高

21、强度钢、奥氏体钢和高温合金时，由于切削力很大，切削与前刀面接触长度很短，切削力集中在切削刃附近，易造成崩刃，不宜采用强度较低、脆性较大的YT类合金，而宜采用韧性、导热性较好的YG类合金。粗加工时，适于采用含钴量多的硬质合金，因为其抗弯强度和冲击韧度较高。精加工时，适于采用含钴量较少的硬质合金，因为其硬度、耐磨性及耐热性较高。YW类合金主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。3.3涂层刀具涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法，沉积温度1000左右；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉

22、积温度500左右。常用涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等，TiC的硬度比TiN高，抗磨损性能好。对于要产生剧烈磨损的刀具，TiC涂层较好。TiN与金属亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化性能比TiC好，在容易产生粘结的条件下，TiN涂层较好。在高速切削产生大热量的场合，宜采用Al2O3涂层为好，因为Al2O3在高温下有良好的热稳定性能。图3-5 涂层刀具性能的提高 陈日曜金属切削原理第2版北京：机械工业出版社，2002涂层刀具有比基体高得多的硬度，有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。涂层具有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，大大提高刀具耐用度。涂层

23、硬质合金的通用性广，一种涂层刀片可替代几种未涂层刀片使用。3.4其它刀具材料3.4.1陶瓷材料陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂。也是采用粉末冶金工艺方法经制粉，压制烧结而成。Al2O3基陶瓷具有下列特点：(1）有很高的硬度和耐磨性，使用良好时有很高的刀具耐用度；(2）有很高的耐热性；(3）有很高的化学稳定性；(4）有较低的摩擦系数，切削与刀具不易产生粘结，加工表面粗糙度较小。(5）抗弯强度很低，冲击韧度很差Si3N4基陶瓷具有下列特点:(1)较高的强度和韧性；(2)有较高的热稳定性；（3）较高的导热系数；（4）较低的热膨胀系数及小的弹性模量。主要用于对钢料、铸铁、高硬材料（如淬火钢等）连续切削的半精加工或精加工。常见应用见图3