金属切削原理与刀具：02 第二章 刀具材料

1、有关刀具材料的一组“名言”工欲善其事，必先利其器好钢用在刀刃上刀具材料的每一次进步几乎都给机械加工业带来一次革命再先进的机床没有刀具尤如一堆废铁 机床、刀具和工件组成的切削加工系统中，刀具是最活跃的因素 机床与刀具材料交替进展，成为切削技术不断向前发展的历史规律金属切削的发展史，从某种意义上说，可归结为刀具材料的发展史 刀具材料的合理选择是切削加工工艺一项重要内容，它在很大程度上决定了切削加工生产率的高低、刀具消耗和加工成本的大小、加工精度和表面质量的优劣等。刀具材料的发展同时也受到工件材料发展的促进和影响。 目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金。 刀具材料通常是指刀具切削部分的材料。刀具

2、的切削部分不但要求具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材料。可转位刀片可转位刀片形状车 刀钻 头钻头（TiN涂层）钻头（TiAlN涂层）旋转刀具与HSK刀柄旋转刀具与刀柄铣刀铣刀本章主要内容：第一节 概述第二节 高速钢第三节 硬质合金第四节 涂层刀具第五节 陶瓷第六节 立方氮化硼第七节 金刚石第八节 刀具材料的发展趋势一、切削刀具的种类二、切削刀具的发展历史三、切削刀具应具备的性能四、刀具材料的类型第一节 概述第一节 概述切削刀具的种类按刀具材料的成分可分为：金刚石刀具（Diamond）立方氮化硼刀具 （Cubic Born Nitride ，CBN)陶瓷刀具 （Ceramic Tools）

3、硬质合金刀具（Cemented Carbide Tools）高速钢刀具 （High Speed Steel）碳素和合金工具钢 （Alloy Steel）第一节 概述切削刀具的种类 各种刀具切削部分的形状刨刀、铣刀、钻头等其他刀具可视为车刀的演变或组合按加工方式可分为：车刀 （Turning Tools）铣刀（Milling Tools）成型刀具（Formed Tools）孔加工刀具（Drilling Tools）齿轮刀具（Gear Cutting Tools）其它刀具（Other Tools）第一节 概述切削刀具的种类按刀具结构可分为： 整体刀具 可转位刀具a）焊接式车刀b）整体式车刀c）机夹

4、式车刀焊接刀具其他刀具第一节 概述切削刀具的发展历史直径2丈（6.7米）,加工天文仪器上的铜环刀具或磨石古时代，曾用石材和铜合金作为刀具材料。第一节 概述18世纪后期，碳素工具钢刀具，耐热温度为200，切削速度6-10m/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面， 需要大约1个月时间。1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具，耐热温度达到300左右，切削速度20m/min。 1898年美国人研制成功高速钢刀具，耐热温度达到500左右，切削速度30-40m/min。 高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命，新型高速机床随之出现。切削刀具的发展历史第一节 概述切削刀具的发展历史1925年德国人

5、首先发明了硬质合金刀具，耐热温度达到600-800左右，切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现，引起了金属切削加工的又一次革命。20世纪30年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，50年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到1100-1400，切削速度500-1000m/min。20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN，CBN硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-1500。自20世纪70年代初美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。氧化铝，俗称刚玉刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050

6、02001005020101800 1850 1900 1950 2000 年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼 （PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）第一节 概述切削刀具的发展历史实例：加工直径为100 mm，长度500 mm的碳钢棒。 1890年，用碳素工具钢刀具，需要100 min。 1910年，用高速钢刀具，需要26 min。 现在，用硬质合金刀具，需要1.5 min。 现在，用陶瓷或PCBN刀具，小于1.0 min。刀具在切削过程中，和工件直接接触的切削部分要承受极大的

7、切削力，尤其是切削刃及紧邻的前、后刀面，长期处在切削高温环境中工作。并且切削中的各种不均匀、不稳定因素，还将对刀具切削部分造成不同程度的冲击和振动。如：切削钢材时，切屑对前刀面的挤压应力高达2GPa3GPa；高速切削钢材时切屑与前刀面接触区的温度常保持在800900，中心区甚至超过1000。为了适应如此繁重的切削负荷和恶劣的工作条件，刀具材料应具备以下几方面性能：第一节 概述切削刀具应具备的性能第一节 概述切削刀具应具备的性能1高的硬度和耐磨性刀具材料的硬度一般大于60 HRC（一般应大于工件材料的硬度）。刀具材料的耐磨性指抵抗磨损的能力，刀具的硬度越高、耐磨性一般越高。除硬度外，耐磨性还与材

8、料的化学成分、强度、韧性及显微组织等有关。2足够的强度和韧性切削过程中，刀具的切削部分承受很大的切削负荷，尤其在断续切削过程中更要承受循环的热及机械冲击，刀具的常见损坏形式为破损如崩刃、断裂等。刀具材料必须具备足够的强度和韧性。第一节 概述切削刀具应具备的性能第一节 概述切削刀具应具备的性能3高的热稳定性也称高的耐热性，是衡量刀具材料切削性能的重要标志，它指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。除了高的热稳定性，刀具材料还应具备良好的高温抗氧化能力、抗扩散性能。第一节 概述切削刀具应具备的性能4良好的热物理特性及抗热冲击性能良好的导热性，大的热容量有利于切削热的传出、降低切削温度

9、；断续切削时，刀具受到循环的热冲击，容易产生热裂纹而断裂，所以刀具材料应具备优良的抗热冲击性能；热膨胀系数越小，则热变形越小，有利于降低热应力。温度变化剧烈对刀具的影响为热冲击，可能导致刀具内部产生裂纹以致断裂（断续切削或使用切削液可能造成热冲击）。刀具材料抵抗热冲击的能力可以用耐热冲击系数R表示。 导热系数； b 抗拉强度； 泊松比； E 弹性模量； 热膨胀系数。 导热系数越大，热量越容易被传导出去，从而降低刀具表面的温度梯度；热膨胀系数小，可以减少热变形；弹性模量小，可以降低因热膨胀而产生的交变应力的幅度。耐热冲击性能好的刀具材料，在切削加工的过程中可以使用切削液。第一节 概述切削刀具应具

10、备的性能第一节 概述切削刀具应具备的性能5良好的工艺性指良好的锻造性能、机加工性能和热处理性能，便于刀具的制造。6经济性刀具材料的发展一定要将生产的实际需要与本国的自然资源的相结合，因地制宜。第一节 概述上述性能之间可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其强度和韧性较低)。没有一种刀具材料能具备所有性能的最佳指标，而是各有所长。所以在选择刀具材料时应合理选用。天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性耐磨性刀具材料的耐磨性与断裂韧性第一节 概述刀具材料的类型刀具材料可分为工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质

11、合金、陶瓷和超硬材料(包括金刚石、立方氮化硼等)五大类 。刀体材料：刀体一般均用普通碳钢或合金钢制作 。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜选用合金工具钢或整体高速钢制作，如螺纹刀具、成形铣刀、拉刀等。机夹、可转位硬质合金刀具，镶硬质合金钻头，可转位铣刀等的刀体可用合金工具钢制作 。对于一些尺寸较小、刚度较差的精密孔加工刀具，如小直径镗刀、铰刀，为保证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质合金制作，以提高刀具寿命和加工精度 。第一节 概述刀体材料第一节 概述刀具材料的类型工具钢 碳素工具钢碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.651.35%）。常用牌号有 T7A、T8AT13A等；主要性

12、能：淬火后硬度较高，可达HRC 6165；红硬性为 200250，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度vc10m/min，只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。第一节 概述刀具材料的类型工具钢合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。主要牌号有 9SiCr、CrWMn；主要性能：淬火后的硬度可达HRC 6165，红硬性为300400，允许切削速度vc=1015 m/min, 制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。一、高

13、速钢的特点及应用二、粉末冶金高速钢三、涂层高速钢四、高速钢面临的问题和策略第二节 高速钢第二节 高速钢高速钢的特点及应用高速钢是一种加入了较多的钨W、钼Mo、铬Cr、钒V等合金元素的高合金工具钢。特点：1）热稳定性较好，耐热温度600 C。 2）强度高，抗弯强度为硬质合金的 23倍； 3）韧性高，比硬质合金高几十倍； 4）常温硬度HRC 63以上，且有较好的耐热性； 5）可加工性好，热处理变形较小。第二节 高速钢高速钢的特点及应用与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性更高，在切削温度高达500650时，仍能保持60HRC的高硬度，因此允许切削速度可提高l2倍(25m/min30m/min

14、)。同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。 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。 应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。钨系高速钢：（优点）因含钒量少，刃磨工艺性好。淬火时过热倾向小，热处理控制较容易。（缺点）碳化物分布不均匀，不宜做大截面的刀具；热塑性较差；钨价高。 钨钼系高速钢：（优点）加入3-5质量分数的钼，可改善刃磨工艺性。（缺点）淬火温度范围窄，脱碳过热敏感性大。用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等。

15、钨钼系高速钢：高温热塑性好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切削性能。高钒高速钢：加入3-5质量分数的钒，碳化钒的硬度较高，耐磨性提高，但刃磨难度加大。用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具。钴高速钢：加入钴，使得高温硬度和抗氧化能力得到提高，因此能适用于较高的切削速度。用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵。铝高速钢：铝能提高W、Mo等元素在钢中的溶解度，并可阻止晶粒长大，使得高温硬度、热塑性与韧性得到提高。耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具。第二节 高速钢粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢：是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到的细小的高速钢粉末，然后压制或热

16、压成形，再经烧结而成的高速钢。优点：1)由于可获得细小均匀的结晶组织(碳化物晶粒25m)，从而完全避免了碳化物的偏析，提高了钢的硬度与强度； 2)由于物理力学性能各向同性，可减少热处理变形与应力，因此可用于制造精密刀具；3)由于钢中的碳化物细小均匀，使磨削加工性得到显著改善，含钒量多者，改善程度就更显著。4)粉末冶金高速钢提高了材料的利用率。缺点：成本高。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（如精密螺纹车刀、拉刀、切齿刀具等）。 第二节 高速钢粉末冶金高速钢第二节 高速钢涂层高速钢高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉积(PVD)方法，在适当的高真空度与温

17、度环境下进行气化的钛离子与氮反应，在阳极刀具表面上生成TiN。特点：硬度可高达2200 HV，有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数较低。切削力、切削温度约下降25，切削速度、进给量、刀具寿命显著提高。典型涂层：TiC、TiCN、TiAlN、A1TiN、TiAlCN、DLC（diamend-like coating金刚石类涂层）、CBC（carbon-based coating硬质合金基类涂层）。第二节 高速钢HSS面临的问题和策略由于HSS刀具中W、Co等主要元素的资源紧缺，在世界范围内已日益枯竭，其含量只够4060年使用，HSS刀具在所占刀具材料中的比重逐渐下降，正以每年1%2%的速度缩减。预计

18、今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。HSS刀具的发展方向包括：发展各种少W的通用型高速钢，扩大使用各种无Co、少Co的高性能高速钢，推广使用粉末冶金高速钢（PM HSS）和涂层高速钢。 一、硬质合金的制造二、硬质合金的种类、成分及性能三、新型硬质合金四、硬质合金刀具第三节 硬质合金第三节 硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（称硬质相，如WC、TiC、TaC（钽）、NbC（铌）等）粉末和金属粘结剂（称粘结相，如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是

19、与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。混料、球磨（使均匀） 压制成型第三节 硬质合金硬质合金的制造不同模具压制的制品 烧结炉第三节 硬质合金硬质合金的制造第三节 硬质合金按晶粒大小区分可分为：普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金。按主要化学成分可分为：碳化钨基硬质合金和碳(氮)化钛基硬质合金。碳化钨基硬质合金包括钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)和添加稀有碳化物类(YW)三类，主要成分为碳化钨、碳化钛等，常用的金属粘结相是Co。碳(氮)化钛基硬质合金是以TiC为主要成分的硬质合金，常用的金属粘结相是Mo和Ni。硬质合金的种类、成分及性能第三节 硬质合金TiC基

20、刀具TiN基刀具TiCN基刀具钨钴钛类钨钴类添加稀有碳化物类硬质合金刀具碳(氮)化钛基硬质合金刀具碳化钨基硬质合金刀具硬质合金的种类、成分及性能第三节 硬质合金硬质合金刀具其硬度达HRA8993，远高于高速钢， 硬质合金的硬度值随碳化物的性质、数量、粒度和金属粘结相的含量而变化，一般随粘结金属相含量的增多而降低。常用牌号硬质合金的抗弯强度在0.901.50 GPa范围内，远高于陶瓷。金属粘结相含量越高，则抗弯强度也就越高。由于TiC的导热系数低于WC，所以YT合金导热系数比YG合金低，并随着TiC的含量增加而下降 。硬质合金的热膨胀系数比高速钢小得多。硬质合金的种类、成分及性能按国际标准化组织

21、（ISO）可分三类：K类（钨钴类WC+Co），加工短切屑（脆性）黑色金属、有色金属和非金属材料，相当我国YG类；P类（钨钛钴类WC+TiC+Co），加工长切屑（塑性）黑色金属，相当我国YT类;M类（添加稀有金属碳化物类WC+TiC+TaC(NbC)+Co），加工长切屑和短切屑黑色金属和有色金属，相当我国YW类。第三节 硬质合金硬质合金的种类、成分及性能第三节 硬质合金硬质合金的种类、成分及性能(1) YG类（WCCo）硬质合金K类由硬质相WC和粘结相Co组成。常用牌号：YG3、YG6、YG8及YG3X、YG6X。其含Co量为3、6和8。Co含量增加强度、硬度。WC晶粒分中颗粒（YG3、YG6、

22、YG8）、细颗粒（YG3X、YG6X）和超细颗粒。YG类适于加工短切屑黑色金属、有色金属以及非金属材料，低速时也可加工钛合金等耐热钢。第三节 硬质合金硬质合金的种类、成分及性能 (2) YT类（WCTiC十Co）硬质合金P类硬质相除WC外还有TiC。常用牌号：YT30、YT15、YT14及 YT5，其TiC含量为 30、15、14和 5。TiC与WC相比，硬度、耐热性好，但韧性与导热系数较差。因此YT类硬质合金随着TiC含量增加，Co含量的减少，其硬度、耐热性及耐磨性增加，而强度、冲击韧性及导热性降低。YT类适于加工长切屑黑色金属。含TiC越多，耐热性好，强度低，用于精加平；含TiC少的用于粗

23、加工。第三节 硬质合金硬质合金的种类、成分及性能 (3) YW类（WC +TiCTaC（NbCCo）硬质合金M类在YT类中加人TaC（ NbC）硬质相。抗弯强度、冲击韧性和疲劳强度增加，提高了高温性能和抗氧化能力。既可加工长切屑也能加工短切屑黑色金属和有色金属，有通用合金之称。以上三类统称WC基硬质合金。(4)TiC基硬质合金组成：TiC为主要成分（有些加入碳化物、氮化物）， TiC-Ni-Mo合金。常用牌号：YN05、YN10等。特点：很高的硬度和耐磨性；化学稳定性好；可以用来加工钢和铸铁。弯曲强度和韧性不如WC基硬质合金。 第三节 硬质合金硬质合金的种类、成分及性能常用硬质合金牌号及应用范

24、围牌 号应 用 范 围YG3硬度 抗弯耐磨 强度性、 韧性切削 进给速度 量铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工，无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、高温合金粗加工，可用于断续切削YT30硬度 抗弯耐磨 强度切削 韧性速度 进给碳素钢、合金钢的精加工YT15碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工，断续切精加工YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削YW1同 上高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工YW2高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工

25、YN05同 上碳钢、合金钢的高速精车，系统刚性好的细长轴精车YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工第三节 硬质合金新型硬质合金1细晶粒、超细晶粒硬质合金 普通硬质合金中WC粒度为几个微米，细晶粒合金平均粒度在1.5m左右。超细晶粒合金粒度在0.21m之间，其中绝大多数在0.5m以下。 超细晶粒合金成本较高，多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。 2涂层硬质合金涂层硬质合金刀具将韧性材料和耐磨材料通过涂层有机的结合在一起，从而改变了硬质合金刀片的综合机械性能。 我国目前正在积极发展

26、此类刀具，已有CN15、1N25、CN35、CN16、CN26 等涂层硬质合金刀片在生产中应用。 3钢结硬质合金 （高速钢基硬质合金）是由WC、TiC作硬质相，高速钢作粘结相，通过粉末冶金工艺制成。其性能介于高速钢和硬质合金之间，能够锻造、切削加工、热处理和焊接，常温硬度7075HRC，耐磨性比高速钢提高67倍。 可用来制造钻头、铣刀、拉刀、滚刀等复杂刀具，加工不锈钢、耐热钢和有色金属。 高速钢基硬质合金导热性差，容易过热，高温性能比硬质合金差，切削时要求充分冷却，不适于高速切削。 细晶粒合金中由于硬质相和粘结相高度分散，增加了粘结面积，提高了粘结强度。因此，其硬度与强度都比同样成分的合金高，

27、硬度约提高1.52HRA，抗弯强度约提高0.60.8Gpa,而且高温硬度也能提高一些，可减少中低速切削时产生的崩刃现象。a) 细晶粒 b) 粗晶粒YG10硬质合金（1500倍）第三节 硬质合金超细晶粒硬质合金国内外常用的几种超细晶粒硬质合金的性能 牌号国家成分晶粒尺寸(m)抗弯强度(MPa)硬度(HRA)YD05中国WC+TiC+Co+TaC+Cr3C 0.5120094-94.5YS2中国WCCo+Cr3C2 0.5220091.5YM051中国WC+TiC+TaC+Co0.40.5165092.5YG643中国WC+TiC+Co+TaC+Cr3C 1150092.5K602美国WC+Co+

28、TiC+TaC 1150093RIP瑞典WC+Co+TaC 0.5195092F日本WC+Co+TaC 1200093日本黛杰公司超细晶粒硬质合金的物理机械性能 牌号密度g/cm3弹性模量(GPa)断裂韧性(MPa.m1/2)抗弯强度(MPa)硬度(HRA)热胀系数10-6/FB1014.05609.5220093.55.5FB1514.055011.0260092.05.5FZ1514.458011.5280091.85.4FB2013.651012.0280091.55.6第三节 硬质合金硬质合金刀具美国SGS是世界上最著名的硬质合金旋转刀具(头盔铣削视频)硬质合金第三节 硬质合金硬质合金

29、刀具硬质合金刀头第三节 硬质合金硬质合金刀具硬质合金可转位刀具整体硬质合金刀具第三节 硬质合金硬质合金刀具硬质合金焊接成形刀具硬质合金螺纹车刀片第三节 硬质合金硬质合金刀具硬质合金刮削刀硬质合金齿轮加工刀具滚刀、插齿刀、剃齿刀一、涂层刀具的类型二、涂层刀具的性能特点三、常用的涂层材料四、涂层刀具的应用五、国内外常用的涂层刀具牌号第四节 涂层刀具第四节 涂层刀具单涂层 多涂层(带中间过渡层)厚度: (0.550m) 厚度: (0.510m)多涂层(纳米结构) 梯度涂层厚度: (100nm)超硬涂层 硬和软复合涂层(CVDDP/BN) (MoS2, WC/C, 石墨等)涂层刀具的类型第四节 涂层刀

30、具1500倍a) 单涂层 b) 多涂层涂层硬质合金微观结构TiN coated drillsTiAlN coated drillsZrN coated tools第四节 涂层刀具涂层刀具的性能特点涂层可分为两大类：一类是“硬”涂层，如：TiC、TiN、A12O3涂层。硬涂层的主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是“软”涂层，如MoS2、WS2等。这种涂层也称为自润滑涂层，其表面摩擦系数低，可以减小摩擦。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。与未涂层刀具相比，涂层刀具的切削速度可提高2倍以上，刀具寿命可提高2

31、-5倍。第四节 涂层刀具涂层刀具的性能特点涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法(CVD)，沉积温度在1000左右。对于精密、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具一般采用物理气相沉积法(PVD) ，沉积温度在500左右。刀具寿命与涂层厚度有关。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差，涂层不能有效的保护基体。涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本相对较高。主要用于刚性高的数控机床 。第四节 涂层刀具常用的涂层材料碳化物：TiC、SiC、ZrC、WC、NbC、VC、B4C等氮化物：TiN、VN、TaN、ZrN、BN、A1N等。氧化物：A12O3、SiO2、Cr2O

32、3、TiO2等。硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、WB2等。硫化物：MoS2、WS2、TaS2等 。自20世纪70年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占41。西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26，增加到1985年的50-60。新型数控机床所用切削刀具中有80左右使用涂层刀具。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为80。瑞典和德国车削用涂层刀片已占70以上。前苏联1981-1985年期间，刀具产量增加16，硬质合金刀具增加了29，而涂层刀具则增加了5倍。第四节 涂层刀具涂层刀具的应用第四节 涂

33、层刀具涂层刀具的应用涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本 。不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。低速切削时，TiC涂层占有优势；高速切削时，TiN较合适；Al2O3涂层的热化学稳定性比TiN更高，适合于在更高的切削速度下工作。涂层刀具将是今后数控加工领域中的最重要刀具品种，预计涂层刀具所占的比例可能达到80%以上。第四节 涂层刀具国内外常用涂层刀具牌号制造厂家ISO国际标准代号P10P20P30M10M20K10K15K20株洲硬质合金厂CN15YB01YB02YB03CN25YB01Y

34、B02YB03CN35YB01YB02YB03YB03YB03CA15CN16YB03YB435CA15CN16YB03YB435CA25CN26YB03YB435自贡硬质合金厂ZC01ZC02YN510ZC01ZC02ZC03ZC03ZC04ZC07ZC02ZC04ZC05ZC02ZC04ZC05ZC01ZC02ZC03ZC01ZC02ZC03ZC01ZC02ZC03美国肯纳金属KC740KC850KC910KC250美国万耐特VN5V90VN5V90V99V99VN5VN5V99VN2V91VN2V91瑞典山特维克GC415GC425GC015GC415GC425GC435GC415GC4

35、25GC435GC415GC415GC425GC3015GC415GC315GC3015GC415GC3015GC415GC315日本东芝钨业T822T802T823T822T802T823T813T813T553T370T822T802T823T260T823T803T813T260T821T802T823T813T811T802T823T813T802T823T813T530第四节 涂层刀具涂层刀片牌号基体刀片牌号涂层材料CN15YW1TiC/Ti(CN)/TiNCN25YW2TiC/Ti(CN)/TiNCN35YT5TiC/Ti(CN)/TiNCN16YG6TiC/Ti(CN)/TiNC

36、N26YG8TiC/Ti(CN)/TiNCA15YG6TiC/Al2O3CA25YG8TiC/Al2O3株洲硬质合金厂的CN系列涂层刀片 一、陶瓷刀具的性能特点二、陶瓷刀具的主要成分三、陶瓷刀具的制备工艺四、陶瓷刀具的增韧补强五、几种新型陶瓷刀具第五节 陶瓷第五节 陶瓷粘结相Mo, Ni, Co氧化物Al2O3, ZrO2碳化物TiC, SiC氮化物Si3N4, BN, TiN硼化物TiB2，ZrB2第五节 陶瓷陶瓷刀具的性能特点硬度高、耐磨性：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到HRA93-95。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高3-10倍。

37、陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现“以车代磨”，陶瓷刀具适合于高速切削和硬切削 。耐温性、耐热性：陶瓷刀具在1200以上的高温下仍能进行切削，具有很好的高温力学性能，在1200时的硬度仍达到HRA80。随温度的升高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。第五节 陶瓷陶瓷刀具的性能特点Al2O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液 。化学稳定性：陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘结磨损 摩擦系数：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度，加工表面质量好 原料丰富

38、：硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅、碳化物等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽，用之不竭的，对发展陶瓷刀具材料十分有利。第五节 陶瓷陶瓷刀具的性能特点第五节 陶瓷陶瓷刀具的主要成分氧化物：A12O3、ZrO2、SiO2、MgO、Y2O3、TiO2等碳化物：TiC、SiC、WC、NbC、TaC、B4C等氮化物：TiN、Si3N4、BN、A1N、TaN、ZrN等硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、WB2等第五节 陶瓷陶瓷刀具的制备工艺原料处理混料球磨干燥过筛烧结成型加工检验热压烧结炉热压烧结炉热压法 第五节 陶瓷陶瓷刀具的制备工艺 石墨上压头

39、保温层 热压炉发热体 陶瓷料 石墨模具 石墨下压头陶瓷刀片第五节 陶瓷陶瓷刀具的制备工艺第五节 陶瓷陶瓷刀具的增韧补强缺点：强度和韧性低，抗机械和热冲击能力差解决办法：原材料高纯化，粉末微细化(目前可达到纳米级)采用增韧补强(如：颗粒增韧、晶须增韧、相变增韧等)新型烧结工艺(如热等静压等)复合化，梯度化第五节 陶瓷梯度功能陶瓷刀具梯度功能陶瓷刀具的设计模型第五节 陶瓷陶瓷硬质合金复合刀片hHCeramicCemented CarbideCeramichHhCemented CarbideCeramic将陶瓷和硬质合金的优良性能结合起来，表层陶瓷的厚度比普通涂层硬质合金的涂层大，表层硬、中间韧。

40、第五节 陶瓷晶须增韧陶瓷刀具SiC晶须增韧机理：拔出、桥接和裂纹偏转增韧。第五节 陶瓷晶须增韧陶瓷刀具增韧机理：拔出、桥接和裂纹偏转增韧。第五节 陶瓷原位反应自润滑陶瓷刀具利用刀具在切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜。第五节 陶瓷含固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具将固体润滑剂引入陶瓷刀具材料中，使刀具在切削加工时在刀具表面形成连续的固态润滑层。chipCeramic toolsolid lubricantsworkpiece第五节 陶瓷“软”涂层自润滑陶瓷刀具通过涂层法将固体润滑剂涂覆于刀具表面。Rake faceRake face400 mFlank face F

41、lank face200 m micro hole 在刀具前、后刀面加工出微孔，在其中添加固体润滑剂。第五节 陶瓷微池自润滑陶瓷刀具陶瓷刀具的力学性能材料组分主要烧结工艺主要力学性能烧结温度()烧结压力(MPa)保温时间(min)抗弯强度(MPa)维氏硬度(GPa)断裂韧度(MPam1/2)Al2O3/TiC1650-18003510-20105021.18.9Al2O3/TiCN1650301081019.56.6Al2O3/WC/TiC1700301084222.196.82Al2O3/(W, Ti)C1700301093023.57.55A1203/ZrO2(Y203)155015082

42、57.8A1203/Si3N41600306015.594.21Si3N4/TiC17503060102513.758.5Si3N4/SiC1750301208707.1Si3N4/Si3N4w/TiN16503040979189.6Si3N4/TiC1750306092016.87.2Si2N2O/Si3N41700306092514.57.5-Sialon/SiC1800246074718.43.79Si3N4/Al2O3/TiC/Y2O31680203014.19.3WC/ZrO2160032-353099619.89.2一、PCBN的性能特点二、CBN的制备工艺三、PCBN刀具的应用第

43、六节 立方氮化硼高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度。CBN微粉的显微硬度为HV 80009000，其PCBN烧结体的硬度达到HV 30005000。PCBN特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，实现“以车代磨” 。具有很高的热稳定性：CBN的耐热性可达14001500，比金刚石的耐热性(700-800)几乎高一倍，因此PCBN刀具可用比硬质合金刀具高35倍的速度高速切削淬硬钢。第六节 立方氮化硼PCBN的性能特点第六节 立方氮化硼PCBN的性能特点优良的化学稳定性：CBN的化学惰性大，与铁系材料到1200-1300时也不起化学作用。CBN具

44、有很高的抗氧化能力，在1000时也不会产生氧化现象。因此，PCBN刀具广泛应用于高速或超高速的切削 。具有较好的导热性：在各类刀具材料中PCBN的导热性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金, 是硬质合金的20倍。具有较低的摩擦系数：CBN与不同材料间的摩擦系数约比硬质合金小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高 。第六节 立方氮化硼CBN的制备工艺PCBN是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料。 (a) CBN单晶的制备(b) PCBN聚晶的制备HBN粉+触媒剂CBN单晶粉高温高压CBN单晶粉+结合剂PCBN聚晶片高温高压PCBN刀具

45、非常适合于干式切削、硬态和高速切削加工工艺，特别适合数控设备及自动化生产线的使用。PCBN刀具适合加工的工件材料有： (1) 硬度在HRC45以上的淬硬钢和耐磨铸铁(如：淬硬钢HRC45-65、轴承钢HRC60-62、高速钢HRC62、工具钢HRC57-60、冷硬铸铁等)；(2) HRC35以上的耐热合金(高温合金、热喷涂材料、硬质合金等)；(3) HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。第六节 立方氮化硼PCBN刀具的应用第六节 立方氮化硼PCBN刀具的应用被加工材料的硬度越高越能体现PCBN刀具的优越性。 PCBN刀具进行硬态切削时，可以车、镗、铣等替代磨削加工工艺，是实现“以车

46、代磨”的最佳刀具。据报道日本PCBN刀具的应用有55%是替代原来的磨削。PCBN还是实现高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工灰铸铁高速干切削领域。第六节 立方氮化硼PCBN刀具的应用目前，PCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等；在汽车制造业、自动化生产线等方面PCBN刀具的使用量已达到了相当的比例据。如：加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等；第六节 立方氮化硼PCBN刀具的应用PCBN刀具应用领域分布公司型号特点英国 De BeersAMBORITEDBA80AMB90高含量、粗粒度、陶瓷相、整体式80%CBN、中等粒度90%CBN、AlN/AlB2相美国 GEBZ

47、N6000BZN7000SBZN810090%CBN、0.3m、金属相82%CBN、陶瓷相、整体式65%CBN、0.3m、TiN相日本住友电工BN600BN100BN300高含量85%CBN1.3m、陶瓷相日本三菱MB710MB730MB810陶瓷相高含量、陶瓷相粗粒度日本黛杰工业 DijetJBN500JBN300JBN33085-95%CBN、2-3m、金属相55-65%CBN、4-5m、TiN相45-55%CBN、3-4m、TiN相日本京瓷会社 KyooeraKBN30SKBN30B重、中切削用中、轻切削用瑞典 SECO ToolsCBN30CBN20CBN1090%CBN、粗粒度、整体

48、式80%CBN、中等粒度50%CBN、细粒度国外主要PCBN刀具的型号及特点 立方氮化硼与金刚石的物理机械性能比较 组成元素硬度GPa密度g/cm3热稳定温度（）热膨胀系数10-6/K晶格体常数（）与铁族化学惰性立方氮化硼BN80-903.481400-15003.53.615大金刚石C1003.52700-8000.93.567小第六节 立方氮化硼立方氮化硼与金刚石的物理性能比较一、金刚石刀具的类型二、金刚石刀具的性能特点三、人造金刚石刀具的制备工艺四、聚晶刚石PCD刀具五、CVD金刚石刀具及其种类六、金刚石刀具的性能比较七、金刚石刀具的应用第七节 金刚石金刚石刀具单晶金刚石刀具天然单晶金刚

49、石刀具人造单晶金刚石刀具多晶金刚石刀具PCD刀具CVD金刚石刀具CVD金刚石薄膜涂层刀具金刚石厚度膜焊接刀具第七节 金刚石金刚石刀具的类型第七节 金刚石金刚石刀具的性能特点极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度达HV10000，是自然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-80倍。各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向。具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具

50、都低，约为硬质合金刀具的一半。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。 第七节 金刚石金刚石刀具的性能特点具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍。由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。 热胀系数低：金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。第七节 金刚石金刚石刀具的性能特点第七节 金刚石人造金刚石的制备工艺(a) 人造单晶金刚石的制备(b) 聚晶金刚石的制备石墨+

51、触媒剂金刚石单晶粉高温高压金刚石单晶粉+结合剂PCD聚晶高温高压第七节 金刚石聚晶金刚石（PCD）刀具PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。第七节 金刚石聚晶金刚石（PCD）刀具PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7 mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度

52、接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低 。CVD金刚石刀具是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金等)上合成金刚石膜制作的刀具。20世纪70年代末至80年代初， CVD金刚石在日本首先出现，目前，CVD金刚石膜产品直径已超过110mm，厚达毫米级，并日趋成熟。CVD金刚石刀具不仅直接冲击无涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为PCD刀具强有力的竞争对手，目前已经商品化。第七节 金刚石CVD金刚石刀具及其种类第七节 金刚石CVD金刚石刀具及其种类CVD金刚石刀具可制成两种形式：一种是在基体上沉积厚度小于50 m的薄层膜，即：CVD金刚石薄膜涂层刀具。另一种是沉积厚度达到1 m

53、m的无衬底的金刚石厚膜，即：CVD金刚石厚膜焊接刀具，如果需要它可以钎焊在基体上。 聚晶金刚石复合刀片（硬质合金基体）第七节 金刚石第七节 金刚石金刚石刀具的性能比较特性聚晶金刚石刀具(PCD)金刚石膜刀具单晶金刚石刀具材质结构含粘结剂纯金刚石纯金刚石耐磨性随金刚石颗粒大小而变高于PCD210倍高于PCD和金刚石膜韧性优良差化学稳定性较低高高可加工性优差差可焊性优差差刃口质量良优优适用性粗加工、精加工精加工超精密加工第七节 金刚石金刚石刀具的应用金刚石刀具主要用于加工有色金属及其合金。其中80以上的PCD刀具用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件，如：铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱等。由于这些零件材料含硅量较高(12%以上)，且为大批量生产，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCD刀具的寿命远高于硬质合金刀具，是硬