机械制造技术基础 第二章 第二节 刀具材料课件

1、第二节 刀具材料一、刀具材料应具备的性能二、 常用刀具材料 1、高速钢 2、硬质合金 3、陶瓷刀具 4、超硬材料刀具 5、涂层刀具三、刀具材料选择一、刀具材料应具备的性能1、高硬度及耐磨性 硬度是刀具材料应具备的基本特性。 一般刀硬度1.5工硬度，切削金属所用刀具常温HRC 60 耐磨性：抗磨损能力，它是刀具材料机械性能、组织结构和化学性能的综合反映。通常，刀具 材料硬度越高，耐磨性越好。组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越 小，分布越均匀，则耐 磨性越高。2、足够强度及韧性 刀具在切削加工中要承受很大的压力，且作用在很小的刀尖附近，同时切削过程中 通常要出现 冲击和振动，为使刀具不发生崩

2、刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。 3、高耐热性 耐热性：指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要指标。4、良好耐热冲击能力 耐热冲击性：刀具材料抵抗热冲击的能力。刀具在断续切削或使用切削液切削时，常受到很大 的热冲击（温度变化剧烈），刀具内部会产生裂纹而导致断裂。 刀具材料的耐热冲击性与材料的一些物理性能有关。如：材料导热系数大，降低刀具表面的温 度梯度；热膨胀系数小，可减小热变形；弹性模量小，可降低因热变形而产生的交变应力幅度；这些 均有利于提高材料的耐热冲击性。 5、良好工艺性 为便于刀具制造，要求刀具材料应具有良好的工艺性能

3、。如：锻造性能、热处理性能、高温塑 形 变性能力、磨削加工性能、焊接性能等等。6、经济性二、常用刀具材料 目前常用（机用）刀具材料：（碳素、合金工具钢 ) 1 、高速钢 2、硬质合金 3、涂层刀具 4、陶瓷 5、金刚石 6、立方氮化硼。 硬度：由高到低顺序56421 强度韧性：由高到低顺序12456 耐热性：由高到低顺序64251 制造工艺性：由好到坏顺序124561、高速钢 加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。 特点： 强度、韧性、制造工艺性是目前常用刀具材料中最高、最好的； 常温硬度 HRC6070，600硬度也可达HRC50. 用来制作加工硬度不高（250-280HB以

4、下）大部分结构钢、铸铁等标准通用刀具 （麻花钻头、丝 锥、铰刀等），复杂成型刀具（各种齿轮加工工 具、拉刀等）。 高速钢种类： 通用型高速钢 常用牌号：W18Cr4V（W18）；W6Mo5Cr4V2（M2） W18 淬火时过热倾向小（热处理性能好），磨加工性好（含V量少）；碳化物大小、分布不均 匀，热塑性差。 用于制造各种小尺寸复杂成形刀具；不宜做麻花钻（热拧）。 M2碳化物颗粒细小、分布均匀（因以Mo代替W），韧性、抗弯强度均高于W18 ，热塑性好；热 处理时脱碳倾向严重，磨加工性不如W18（含V 高）。 大尺寸、抗冲击的复杂成形刀具，麻花钻（热拧） 高性能高速钢 在通用性高速钢中再增加一些

5、含碳量、含钒量及 添加钴、铝等合金元素 的新钢种。比通用型 高速钢具有更高的硬度、耐热性等。 常用牌号：钴超硬高速钢M42（W2Mo9Cr4VCo8） 铝超硬高速钢501（W6Mo5Cr4V2Ai ） 常用来加工钛合金、耐热合金、不锈钢等 粉末冶金高速钢 是用高压氩气或氮气雾化融熔的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然 后将这种粉末在 高温高压下压制成致密的钢坯，最后将钢坯锻轧成钢材。 特点：避免产生粗大碳化物共晶偏析，得到细小均一的结晶组织，为此具有更高的硬 度、强度、韧性；并减小热处理变形。 适合制作切削难加工材料刀具及大尺寸刀具，及精密复杂刀具。 2、硬质合金 以难熔金属碳化物（WC

6、、TiC、TaC、NbC等）为基体，以金属（Co、Ni）为 结合剂，用 粉末冶金方法制成的一种合金。 通常硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；结合剂含量较高 时，则抗 弯强度较高，但硬度却较低。 特点： 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性比高速钢有大幅提高，硬度一般为 7482HRC，在8501000高温时尚能切削。 强度、韧性及制作工艺性比高速钢差。 常用制造形状简单标准刀片或焊接式 刀具，也常用在小尺寸的复杂刀 具制作。 硬质合金的分类 钨钴类硬质合金 牌号： YG 类K 类 硬度、耐磨性由高至低的顺序： YG3X YG3 YG6X YG6 YG8 强度、韧性由高至低的顺序：

7、YG8 YG6 YG6X YG3 YG3X TiC(N)基硬质合金：YN 类金属陶瓷 与WC基硬质合金相比其特点： 硬度、耐磨性高于WC基硬质合金（YG、YT、YW）。 耐热性、化学稳定性、抗氧化、抗粘接能力高于WC基硬质合金。 抗弯强度、韧性较WC基硬质合金差。 主要用于精加工铸铁、钢，比普通硬质合金具有更高的效率（允许切削速度较高)硬质合金的选用 加工短切屑黑色金属（铸铁）及有色金属及非金属（中低速度） YG类：粗加工YG8；精加工YG3(YG3X) 加工长切屑的黑色金属（各种钢料）（中等转速） YT类：粗加工YT5；精加工YT30 YW类硬质合金 一般用于加工高温合金、不锈钢等难加工材料

8、。 含钛的不锈钢及钛合金 一般应用YG类。 3、陶瓷刀具 有Ai203基陶瓷和Si3N4基陶瓷，其中Ai203基陶瓷：包括纯Ai203和Ai203基复合陶 瓷（在Ai203中 添加TiC或ZrO2的复合陶瓷及添加 SiC晶须的增强型陶瓷） 特点 a、高的硬度、耐磨性（9395HRA，高于硬质合金）； b、高的耐热性（在1200还能 切削，切削速度比硬质合金提高25倍）； c、高的化学稳定性（陶瓷与金属亲和力小，抗粘接和 抗扩散能力较好）； d、较低的摩擦系数。 e、强度、韧性差。6 应用场合 一般用于 高速切削灰铸铁、中等速度加工冷硬铸铁及淬火钢等。4、超硬材料刀具 金刚石刀具 分为天然、人造

9、单晶金刚石；人造整体聚晶金刚石及聚晶金刚石复合片PCD 。 特点 a、极高的硬度、耐磨性； b、导热性好、摩擦系数低； c、耐热性差（T700）、强度及 韧 性差。 5、涂层刀具 涂层刀具是在韧性较好的硬质合金、高速钢等基体上，涂覆一薄层耐磨、耐热、 抗粘接等难熔金属化合物而得到的。 涂层对刀具材料的改性和切削性能的提高有十分显著的效果，可称为刀具材料提高 切削效率的兴奋剂，目前，涂层刀具 的应用非常广泛。 涂覆工艺 化学气相沉积（CVD）；物理气相沉积（PVD）。 化学气相沉积（CVD） a、 沉积温度高（9501050 ）； b 、涂层厚度厚（520um），适合开发多涂 层； c、涂层结合

10、强度高。 d、涂层为拉应力，易生成裂纹；刃口须钝化处理；表面粗糙；排出废气对 空 气有污染。 另，目前CVD涂层又增加了700900 的TiCN中温涂层、基体材料表面富钴 等，提高了CVD涂层的综和性能；由单涂层发展为多涂层。 物理气相沉积（PVD）多弧、等离子溅射、离子注射等多种工艺 a、沉积温度低（500 左右）； b、涂层厚度薄（25um）； c、涂层为压应力，有利于抑制裂纹 的扩展； d、刃口可不做钝化处理，刀具仍保持锋利； e、表面致密光滑；无污染。 f、但涂 层结合强度低。 应用场合 化学气象沉积（CVD）通常是硬质合金标准刀片的主要涂覆工艺（刀片不需锋利的刃口） 物理气相沉积（P

11、VD）用于高速钢刀具及要求刃口锋利的整体硬质合金刀具及硬 质合金刀片。 涂层厚度 通常涂层厚度太薄，则耐磨性能差，不能有效的保护基体；涂层太厚，则强度降低。 不同的涂层物质有其不同的最佳涂层厚度。 由于涂层与基体材料之间的热膨胀系数的差 别，在涂层中通常会产生残余应力。在所有的CVD法的涂层中随涂层厚度的增加残余应力增大，涂层 材料的硬度对涂层厚度也有影响，一般涂层越硬，涂层厚度对裂纹越敏感。因此，较硬的TiC和Ai2O3 涂层通常都比TiN涂层要薄一些。 涂层方式 有单涂层、多涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。 涂层材料 一般为晶粒极细的碳化物、氮化物等。分为硬涂层和软涂层。

12、硬涂层材料 应用较多的硬涂层物质是TiC、TiN、TiCN、Ai2O3及TiAiN等； 并向着复合多涂层发展如：TiC/TiCN/TiN、TiC/ Ai2O3、 TiC/ Ai2O3 /TiN。 a、TiC 硬度高、耐磨性好 是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。它与基体的附着牢 固，在制备多涂层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜。 b、 TiN 与金属亲和力小、润湿性好，抗粘接性好 是继TiC涂层以后采用非常广泛的一种涂层。 TiN 涂层硬度稍低，但它与金属的亲 和力小，润湿性能好，在容易产生粘接时TiN涂层较好。 TiN在空气中的抗氧化能力比 TiC好

13、，但 在使用温度达500时，涂层会出现明显氧化而被烧蚀。 c、 Ai2O3 高温热稳定性和化学稳定性好，耐高温性能好。 在高温场合下， Ai2O3 涂层较好。但由于氧化铝与基体材料的物理化学性能相差太大， 单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。 d、TiCN 具有TiC和TiN的综合性能，其硬度高于TiC和TiN。 TiCN是在单一的TiC 晶格中，N原子占据原来C原子在点阵中的位置而形成的复合化合物。它具 有TiC和TiN的综合性能，其硬度高于TiC和TiN，将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高 刀具的寿命。是一种较为理想的涂层刀具。 三、刀具材料选择 1、选择刀具材料的依据 刀

14、具材料必须与工件材料相匹配。 根据工序的类别，如粗加工应选强度、韧性好的材料 ；精加工硬度高、耐磨 性好的材料。 考虑工艺系统的刚性、对刀具可靠性要求等因素。如工艺系、统刚性差，应选用 强度、韧性好的刀具材料。 顾及涂层对刀具材料的改性作用。 2、加工实例选择 齿轮滚刀、拉刀 HT250铸件中速粗（精）车 高速精密镗削铝（铜）合金缸套 高速加工淬火钢（冷硬铸铁） 高速加工灰铸铁（HT2500)零件 中速粗（精）加工45 正火钢件 加工钛合金 加工高温合金 高速钢种类（按制造工艺分）熔炼高速钢粉末冶金高速钢通用性高速钢（按含钨量分）高性能高速钢（按是否含钴分）钨钢（W18)（含W12%或18%）钨钼钢（M2)（含W6%或8%）钼钢（含W2%或0%）钴超高速（M42）W2Mo9Cr4VCo8铝超高速钢（501）W6Mo5Cr4V9Al 常用YT类牌号与ISO（P类）相近牌号中国编号YT5YT14YT15YT30ISO编号P30P20P10P01TiC