第二節(jié)刀具材料

第二節(jié)刀具材料

刀具切削性能的優(yōu)劣取決于刀具材料、切削部分幾何形狀以及刀具的結構。刀具材料的選擇對刀具壽命、加工質量、生產(chǎn)效率影響極大。

一、刀具材料的性能要求

切削時刀具要承受高溫、高壓、摩擦和沖擊的作用，刀具切削部分的材料須滿足以下基本要求：

（1）較高的硬度和耐磨性

（2）較高的耐熱性（3）足夠的強度和韌性（4）良好的工藝性

（5）良好的導熱性和耐熱沖擊性能（6）良好的經(jīng)濟性（1）高的硬度和耐磨性硬度:是指材料抵抗其他物體壓入其表面的能力。刀具材料的硬度必須更高于被加工材料的硬度，一般高于一倍至幾倍，否則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形狀。常溫硬度應在HRC60以上。目前，切削性能最差的刀具材料--碳素工具鋼，其硬度在室溫條件下也應在62HRC以上；高速鋼的硬度為63～70HRC。刀具材料的耐磨性是指抵抗磨損的能力。一般說，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料的耐磨性和耐熱性有著密切的關系。刀具材料應具備的基本性能（2）高的耐熱性

耐熱性通常用它在高溫下保持較高硬度的性能即高溫硬度來衡量，或叫熱硬性。高溫硬度越高，表示耐熱性越好，刀具材料在高溫時抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強。耐熱性差的刀具材料，由于高溫下硬度顯著下降而會很快磨損乃至發(fā)生塑性變形，喪失其切削能力。

刀具材料應具備的基本性能（3）足夠的強度和韌性

為了承受切削力、沖擊和振動，刀具材料應具有足夠的強度和韌性。例如，車削45鋼時，當ap=4mm，，f=0.5mm/r時，刀片要承受約4000N的切削力。因此，刀具材料必須要有足夠的強度和韌性。一般用刀具材料的抗彎強度σbb

(單位為Pa—N／m。)表示它的強度大小。用沖擊韌度αk(單位為J／m。)表示其韌性的大小，它反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力。（4）良好的工藝性

為了便于刀具制造、要求刀具材料有較好的可加工性，如熱塑性（鍛壓成形）、焊接工藝性、切削加工性、可磨削性和熱處理工藝性等。刀具材料應具備的基本性能（5）良好的導熱性和耐熱沖擊性能刀具材料的導熱性用熱導率[單位為w／（m·K)]來表示。熱導率大，表示導熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量容易傳導出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。此外，導熱性好的刀具材料其耐熱沖擊和抗熱龜裂的性能增強，這種性能對采用脆性刀具材料進行斷續(xù)切削，特別在加工導熱性能差的工件時尤為重要。（6）經(jīng)濟性好

經(jīng)濟性是評價新型刀具材料的重要指標之一，也是正確選用刀具材料、降低產(chǎn)品成本的主要依據(jù)之一。刀具材料應具備的基本性能二、常用刀具材料

刀具材料有高速鋼、硬質合金、工具鋼、陶瓷、立方氮化硼和金剛石等。目前，在生產(chǎn)中所用的刀具材料主要是高速鋼和硬質合金兩類。碳素工具鋼、合金工具鋼因耐熱性差，僅用于手工或切削速度較低的刀具。1．工具鋼2．硬質合金

3．非金屬材料

陶瓷金剛石立方氮化硼

涂層刀具

碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼刀具材料性能特征刀具種類適用工件材料適用加工條件碳素工具鋼Tl0A、T12AHRC61-65,高溫強度低、淬火時易裂、變形。絲錐、銼刀、鋸條、小鉆頭低強度、軟材料、有色金屬及塑性材料簡單手動工具合金工具鋼9SiCr,CrWMnHRC61-65,高溫強度度比碳素鋼稍好。拉刀、絞刀、鉆頭同上熱處理變形小的低速工具高速鋼HRC61-65,能耐600°C高溫，熱硬性尚好,耐磨性稍好。鉆頭、銑刀、齒輪刀具（低、中速）低、中強度和硬度的材料復雜刀具硬質合金HRC74-81,能耐1000°C高溫，熱硬性好,耐磨性好。車、銑、拉、刨鉆頭、絞刀（中高速）中等以上強度和硬度的材料各種刀具陶瓷材料HRA91-95，熱硬性好，抗彎性差，易碎。車刀（高速）各種材料不可斷續(xù)切削立方氮化硼HV73-9000，熱硬性高，可耐1500°C，與鐵素的親和力小。車刀、銑刀（中高速）淬硬合金鋼、高速鋼、淬硬、冷硬鑄鐵、純鎳高溫合金用于連續(xù)切削、避免沖擊振動人造金剛石1000HV，熱硬性好。車刀、銑刀、砂輪等硬質合金、陶瓷、玻璃、有色金屬及合金不易加工的鐵族金屬常用刀具材料1碳素工具鋼

碳素工具鋼是含碳量較高的優(yōu)質鋼(含碳量為07％～1.2％。如T10A等)，淬火后硬度較高、價廉，但耐熱性較差。在碳素工具鋼中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具鋼(如9SiCr等)，可適當減少熱處理變形和提高耐熱性。由于這兩種刀具材料的耐熱性較低，常用來制造一些切削速度不高的手工工具，如銼刀、鋸條、鉸刀等，較少用于制造其他刀具。二.常用刀具材料2-22高速鋼高速鋼是一種含鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素較多的合金工具鋼。以重量計其碳的質量分數(shù)為0.7%～1.5％，鉻的質量分數(shù)約為4%，鎢的質量分數(shù)和鉬的質量分數(shù)為10％～20%，釩的質量分數(shù)為1％～5％。由于合金元素與碳化合形成較多的高硬度碳化物，如碳化釩，硬度高達2800HV，且晶粒細小，分布均勻。高速鋼具有較高的硬度（熱處理硬度可達HRC62～67）和耐熱性（切削溫度可達550～600°C），與碳素工具鋼和合金工具鋼相比切削速度可提高1～3倍，故得名“高速鋼”，提高耐用度10～40倍。鉛在鋼中提高了淬透性，使小型刀具在空氣中冷卻就能淬硬，且能刃磨得鋒利，故高速鋼又有“風鋼”或“鋒鋼”之稱?？杉庸ぐㄓ猩饘?、高溫合金在內的范圍廣泛的材料。高速鋼具有高的強度(抗彎強度為一般硬質合金的2～3倍，為陶瓷的5～6倍)和韌性，抗沖擊振動的能力較強，適宜制造各類刀具。高速鋼刀具制造工藝簡單，能鍛造，容易磨出鋒利的刀刃，因此在復雜刀具(鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀、齒輪刀具等)的制造中，高速鋼占有重要的地位。牌號：通用高速鋼：鎢系W18Cr4V

鉬系W6Mo5Cr4V2

主要用于一般材料的常規(guī)加工，速度不高于50m/min.

高性能高速鋼：高釩高速鋼W12Cr4V4Mo

高鈷高速鋼W2Mo9Cr4VCo8

高鋁高速鋼W6Mo5Cr4V2Al

主要用于難加工材料的加工，加工普通材料可達90m/min.高速鋼高速鋼

絕大多數(shù)車刀、端銑刀和部分立銑刀、深孔鉆、淺孔鉆、鉸刀等均已采用硬質合金制造。是目前最主要的刀具材料之一。組成：由硬度和熔點很高的碳化物（硬質相）和金屬（粘結相）通過粉末冶金工藝制成的。

硬質合金金屬：Co、Mo、Ni粘結相硬質相碳化物：WC、TiC、TaC、NbC3硬質合金硬度為HRA89～93，能耐850～1000℃的高溫，具有良好的耐磨性，允許使用的切削速度可達100～300m／min，可加工包括淬硬鋼在內的多種材料，因此獲得廣泛應用。但是，硬質臺金的抗彎強度低，沖擊韌性差，刃口不鋒利，較難加工，不易做成形狀較復雜的整體刀具，因此目前還不能完全取代高速鋼。常用的硬質臺金有鎢鈷類（YG類)、鎢鈦鈷類(YT類)和通用硬質臺金(YW類)三類。硬質合金牌號的表示方法YG6X硬的漢語拼音第一個字母G6——鎢鈷類合金及鈷含量.T15——鎢鈷鈦類合金及TiC含量.W——鎢鈷鈦鉭類合金。N——鎢鈦鎳鉬合金附加字母分別表示X——細晶粒C——粗晶粒N——加鈮元素A——加鉭元素硬質合金（1）鎢鈷類（YG）YG類硬質臺金主要由碳化鎢（WC）和鈷（Co）組成，常用的牌號有YG3、YG6、YG8等。YG類硬質臺金的抗彎強度和沖擊韌性較好，不易崩刃，很適宜切削切屑呈崩碎狀的鑄鐵等脆性材料,有色金屬和非金屬材料。YG類硬質臺金的刃磨性較好，刃口可以磨得較鋒利，故切削有色金屬投合金的效果也較好。由于YG類硬質合金的耐熱性和耐磨性較差，因此一般不用于普通鋼材的切削加工。但它的韌性好，導熱系數(shù)較大，可以用來加工不銹鋼和高溫合金（鈦合金）等難加工材料。硬質合金（2）鎢鈦鈷類(YT類)YT類硬質臺金主要由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成，常用的牌號有YT5、YTl5、YT30等。它里面加入了碳化鈦后，增加了硬質臺金的硬度、耐熱性、抗粘接性和抗氧化能力。但由于YT類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌性較差，故主要用于切削普通碳鋼及合金鋼（鋼料）等材料。硬質合金（3）通用硬質合金(YW類)鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質臺金(YW類)它是在普通硬質合金中加入了少量的稀有高熔點金屬碳化鉭（TaC)或碳化鈮(NbC)，能阻止WC晶粒在燒結過程中長大，起到細化晶粒的作用。從而提高了硬質合金的韌性和耐熱性，使其具有較好的綜合切削性能。YW硬質合金主要用于不銹鋼、耐熱鋼、高錳鋼的加工，也適用于普通碳鋼和鑄鐵的加工，因此被稱為通用型硬質臺金，常用的牌號有YWl、YW2等。主要用于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料。YW1適用于精加工，YW2適用于粗加工。YW類硬質合金成本高，使用受限。硬質合金2-3TiC62%硬質合金硬質合金涂層刀具是在韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具基體上，采用化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)的工藝方法，涂覆一薄層(約5～12um)高硬度、耐磨性高、難熔金屬化合物(TiC、TiN、AL2O3等)而獲得的。這樣可使刀片既保持了普通硬質合金基體的強度和韌性，又使表面有更高的硬度(可達1500～3000HV)和耐磨性．更小的摩擦因數(shù)和高的耐熱性(達800～1200℃)。實踐證明，涂層刀片在高速切削鋼件和鑄鐵時能獲得良好效果，比未涂層刀片的刀具壽命提高1～3倍，高者可達5～10倍。此外，涂層刀片通用性好，一種涂層刀片可代替幾種未涂層刀片使用，大大簡化了刀具管理和降低了刀具成本，獲得較好的經(jīng)濟效益。1涂層刀具三、新型刀具材料涂層刀具陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑，經(jīng)壓制成形后燒結而成的一種刀具材料。它的硬度可達到HRA91～95，在1200℃的切削溫度下仍可保持HRA80的硬度。另外，它的化學惰性大，摩擦系數(shù)小，耐磨性好，加工鋼件時的壽命為硬質合金的10～12倍。其最大缺點是脆性大，抗彎強度和沖擊韌性低。因此它主要用于半精加工和精加工高硬度、高強度鋼和冷硬鑄鐵等材料。常用的陶瓷刀具材料有氧化鋁陶瓷，復合氧化鋁陶瓷以及復合氧化硅陶瓷等。2陶瓷材料2陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料金剛石是碳的同素異構體，分天然金剛石和人造金剛石兩種。人造金剛石是在高溫(約2000°C)、高壓(5～9GPa)和金屬觸媒作用的條件下，由石墨轉化而成的。金剛石刀具的性能特點是：1）有極高的硬度和耐磨性人造金剛石的硬度高達10000HV，比硬質合金的硬度(1300～1800HV)和陶瓷的硬度高幾倍，是世界已發(fā)現(xiàn)的最硬材料。人造金剛石的耐磨性為硬質合金的60～80倍。2）有鋒利的切削刃人造金剛石的切削刃鈍圓半徑很小，能進行超精密微量切削，使已加工表面冷硬層很小，尺寸精度和幾何形狀精度可達到3～1μm，表面粗糙度值可達到Ra0.02～0.06μm），可實現(xiàn)鏡面加工。3人造金剛石3）很高的導熱性

人造金剛石有較低的線膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)。其熱導率約為硬質臺金的2～7倍，陶瓷的7～36倍，而熱膨脹系數(shù)只有硬質臺金的1/1l和陶瓷的1／8。固此，切削熱變形小，尺寸精度穩(wěn)定。4）耐熱性較差

人造金剛石的溫度超過800°C時就會碳化而失去切削能力；且與鐵有較強的化學親和力。高溫時金剛石中的碳元素會很快擴散到鐵中去，而使刃口“破裂”。因此，金剛石刀具一般不適于加工鐵系金屬。3人造金剛石

5）強度很低

人造金剛石脆性大，抗沖擊能力差，對振動很敏感，要求機床精度高、平穩(wěn)性好，且只適于切削層面積不大的精細加工。使用場合：人造金剛石主要用于制作磨具和磨料，用作刀具材料時，多用于在高速下精細車削或鏜削有色金屬及非金屬材料。尤其是用它切削加工硬質合金、陶瓷、高硅鋁合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨性的材料時，具有很大的優(yōu)越性。3人造金剛石3人造金剛石3人造金剛石立方氮化硼是由六方氮化硼（俗稱白石墨）在高溫高壓下加入催化劑轉變而成的。它是70年代才發(fā)展起來的一種新型刀具材料，其特點：1）硬度很高可達到HV8000～90002）熱穩(wěn)定性好

立方氮化硼具有比金剛石更好的熱穩(wěn)定性，其耐熱性可達1300～1400°C，其高溫硬度高于陶瓷刀具。當溫度高達1370°C以上時，才開始由立方晶體轉變?yōu)榱骄w而軟化。因此，CBN適合在高速下加工高溫合金。4立方氮化硼（CBN）3）化學穩(wěn)定性好

立方氮化硼具有比金剛石更好的化學惰性，在1000°C以下時，不發(fā)生氧化現(xiàn)象，與鐵系金屬在1200～1300°C時也不易起化學反應。因此，在高速下切削淬火鋼，冷硬鑄鐵時,其粘接和擴散磨損較小，但在高溫時(1000℃以上)易與水產(chǎn)生化學反應。4）有較高的熱導率和較小的摩擦系數(shù)

立方氮化硼的熱導率比金剛石低(約為金剛石的1／2)但遠高于陶瓷刀具，且熱導率隨溫度的升高而增加。這一性能對降低刀尖處的溫度大有好處，并且摩擦系數(shù)小。4立方氮化硼（CBN）5）強度及韌性較差

立方氮化硼的抗彎強度約為陶瓷刀具的1／5～1／2，一般只用于精加工。根據(jù)CBN的性能特點，它最適于