1、第二章 刀具材料l刀具材料发展概况刀具材料发展概况l刀具材料的基本性能刀具材料的基本性能l刀具材料的分类及性能刀具材料的分类及性能金属切削加工的历史与发展金属切削加工的历史与发展刀具材料的发展及现状刀具材料的发展及现状掌握掌握了解了解一一 金属切削加工的历史与发展金属切削加工的历史与发展 金属切削加工的历史也是工件材金属切削加工的历史也是工件材料和刀具材料的发展历史料和刀具材料的发展历史什么是切削？强烈冲击高温高热撞击断裂摩擦【1 1】什么是切削？刀具硬度必须达到工件材质的3倍以上【1 1】工件与切削刀具的历史工件切削工具【1 1】工件切削工具球墨铸铁铝不锈钢碳钢合金钢铜高速钢硬质合金金属陶瓷
2、涂层硬质合金超高压烧结体陶瓷可提高加工效率的工具材料可提高加工效率的工具材料工件与切削刀具的历史【1 1】刀具材料的历史l 1975金刚石烧结体金刚石烧结体l 1980年陶瓷年陶瓷Si3N4类、类、AI2O3-TiC类类l 最近，又出现了硬质合金基体的表面生成金刚石最近，又出现了硬质合金基体的表面生成金刚石结晶的技术。结晶的技术。刀具技术的进步，体现在刀具技术的进步，体现在刀具材料、刀具结构、刀具材料、刀具结构、刀具几何形状和刀具系统刀具几何形状和刀具系统四个方面。四个方面。在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影在金属切削加工中，刀具材料的切削性能直接影响着响着生产效率、工件的加工精度和已
3、加工表面质生产效率、工件的加工精度和已加工表面质量，刀具消耗和加工成本量，刀具消耗和加工成本。二二 刀具材料的发展及现状刀具材料的发展及现状 二二 刀具材料的发展及现状刀具材料的发展及现状 碳素工具钢、合金工具钢碳素工具钢、合金工具钢高速钢高速钢硬质合金硬质合金金属陶瓷金属陶瓷陶瓷陶瓷CBN金刚石金刚石粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢涂层刀具涂层刀具二二 刀具材料的发展及现状刀具材料的发展及现状 在现代切削加工中，刀具材料以在现代切削加工中，刀具材料以硬质合金硬质合金和和高速钢高速钢用得最多，几乎各占一半。在二用得最多，几乎各占一半。在二者基础上均研制出许多新品种，其性能不者基础上均研制出许多新品
4、种，其性能不断提高，在机械加工中发挥着重要作用。断提高，在机械加工中发挥着重要作用。近年来，随着数控加工技术的迅猛发展以及数控机床的普近年来，随着数控加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，遍使用，超硬刀具超硬刀具的应用也日渐普及起来。的应用也日渐普及起来。同时引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态同时引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等。超硬刀具加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段。已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段。二二 刀具材料的发展及现状刀具材料的发展及现状 刀具切削部分
5、是在刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条的恶劣条件下工作的。因此，刀具材料应具备以下基本性能。件下工作的。因此，刀具材料应具备以下基本性能。1 硬度高硬度高、耐磨性好耐磨性好2 足够的强度和韧性足够的强度和韧性 3 耐热性好耐热性好三三 刀具材料应具备的基本性能刀具材料应具备的基本性能强烈冲击高温高热撞击断裂摩擦【1 1】4 导热性好导热性好5工艺性好工艺性好6、经济性好、经济性好四 刀具材料分类金属陶瓷金属陶瓷高 速 钢l 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。l 特点l 与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬
6、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。l 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
7、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、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。l 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。1.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。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。l (2)钨钼
8、系高速钢。它是以Mo代替部分W发展起来的一种高速钢，典型牌号是W6Mo5 Cr4V2(简称M2)，含碳量为0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。l 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。l 2.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
9、耐用度为普通高速钢的1.53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。l 3.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，或压制
10、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。硬 质 合 金l 组成与特点 硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金属黏结剂按粉末冶金工艺制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni等。硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点。因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性均超过高速钢，其缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，；由于硬质合金的
11、常温硬度很高，很难采用切削加工方法制造出复杂的形状结构，故可加工性差。硬质合金的性能取决于化学成分、碳化物粉末粗细及其烧结工艺。l 常用硬质合金的分类、性能及应用 硬质合金按化学成分可分为四类：钨钴类(YG类)、钨钴钛类(YT类)、含添加剂的硬质合金(YW类)、TiC基硬质合金(YN类)。其中前面三类的主要成分为WC，可统称为WC基硬质合金。(1)钨钴类硬质合金。YG3、YG6X和YG8等。YG代表钨钴类硬质合金，后面数字表示Co的含量，细颗粒的硬质合金有较高的抗弯强度和耐磨性。应用：加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料。加工铸铁等脆性材料时，切屑呈崩碎状，对切削刃的冲击较大，切削
12、力与切削热都集中在刀尖附近。而YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导热性较高，故可满足要求。(2)钨钴钛类硬质合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示钨钴钛类硬质合金，数字表示TiC的含量。与YG类硬质合金相比，YT类硬质合金中由于含有硬度较高的TiC，故该类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高，但其导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和可焊性却有所降低。应用：加工形成长屑的钢材等塑性材料。注意：当加工淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料时，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如选用YT类硬质合金易造成崩刃，故选用YG类硬质合金更为合适。(3)含添加剂的硬质合金。是在YG类、YT类
13、硬质合金的基础上加入适当的添加剂(合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬质合金新品种。如：YA6、YW1和YW2等几种，其中YW类又称为通用硬质合金。特点：有更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。应用：用于钢料和难加工材料的半精加工和精加工。(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。涂层刀具种类涂层刀具 l常用涂层材料 TIC、TIN、Al2O3l性能 高硬度、高的抗氧
14、化性和抗粘结性、低摩擦系数l缺点：锋利性、韧性、抗剥落、抗崩刃性差 其他刀具材料l 陶瓷 陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成的。如：纯Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷两种。优点：有很高的硬度和耐磨性；有很好的耐热性，在1200高温下仍能进行切削；有很好的化学稳定性和较低的摩擦因数，抗扩散和抗黏结能力强。缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/31/2；导热系数低，仅为硬质合金的1/51/2。应用：钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。超硬刀具超硬刀具超硬刀具主要包括超硬
15、刀具主要包括金刚石刀具金刚石刀具和和立方氮化硼立方氮化硼刀具，其刀具，其中以人造金刚石复合片中以人造金刚石复合片(PCD)刀具及立方氮化硼复合片刀具及立方氮化硼复合片(PCBN)刀具占主导地位刀具占主导地位(1)PCD金属切削刀具金属切削刀具 PCD刀具：高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数刀具：高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数工件：有色金属及耐磨非金属材料工件：有色金属及耐磨非金属材料刀具结构：焊接式刀具结构：焊接式PCD刀具和可转位式刀具和可转位式PCD刀片。刀片。可转位刀片可装夹在各种数控机床的刀杆、刀夹或刀盘可转位刀片可装夹在各种数控机床的刀杆、刀夹或刀盘上，用于高可靠性的大批
16、量加工。上，用于高可靠性的大批量加工。超硬刀具超硬刀具(2)PCBN金属切削刀具金属切削刀具 PCBN刀具结构：焊接式和可转位式刀片两类。刀具结构：焊接式和可转位式刀片两类。焊接式焊接式PCBN刀具是将刀具是将PCBN刀坯焊接在钢基体上经刃磨刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。而成，主要有车刀、镗刀、铰刀等。被切削工件：耐磨黑色金属的加工。被切削工件：耐磨黑色金属的加工。超硬刀具超硬刀具转位结构的转位结构的PCBN刀片（主要为车刀片和铣刀片）一般刀片（主要为车刀片和铣刀片）一般是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块是在可转位硬质合金刀片的一个角上镶焊一块PCBN刀刀坯，经
17、刃磨而成。坯，经刃磨而成。我国的新型刀具我国的新型刀具 添加稀土元素的硬质合金是刀具材料新品种之一。我国添加稀土元素的硬质合金是刀具材料新品种之一。我国稀土元素资源丰富，对稀土硬质合金的研究开发，领先稀土元素资源丰富，对稀土硬质合金的研究开发，领先于其他国家。于其他国家。经过测试，添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密；经过测试，添加稀土元素后硬质合金的组织比较致密；室温硬度和高温硬度有所改善；断裂韧性和抗弯强度显室温硬度和高温硬度有所改善；断裂韧性和抗弯强度显著提高，分别提高著提高，分别提高20%和和10%以上。以上。通过一些试验，稀土硬质合金与无稀土元素的原刀片相通过一些试验，稀土硬质合金与
18、无稀土元素的原刀片相比，耐磨性和使用寿命均有不同程度的提高。比，耐磨性和使用寿命均有不同程度的提高。思考题：l 刀具切削性能的好坏，取决于刀具的哪三个方面？刀具切削性能的好坏，取决于刀具的哪三个方面？l 硬质合金是用什么方法制成的？硬质合金是用什么方法制成的？l 高速钢刀具加工材料的范围？高速钢刀具加工材料的范围？l YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属，为什么？金属，为什么？l YT类硬质合金主要用于加工钢料，为什么？类硬质合金主要用于加工钢料，为什么？l粗、精加工时，硬质合金刀具的含钴粗、精加工时，硬质合金刀具的含钴（Co）有什么不同？有什么不同？l刀具切削部分的材料分为哪些类？刀具切削部分的材料分为哪些类？l理想的刀具材料应该同时具有哪些性能？理想的刀具材料应该同时具有哪些性能？l目前通过哪些途径提高高速钢的切削性能？目前通过哪些途径提高高速钢的切削性能？思考题：作业l 刀具在什么条件下工作？现代刀具材料必须具备的刀具在什么条件下工作？现代刀具材料必须具备的基本性能？基本性能？l 以高的切削效率加工难加工材料的理想刀具材料应以高的切削效率加工难加工材料的理想刀具材料应具有哪些性能？具有哪些性能？
