刀具材料.docx

第七讲：刀 具 材 料【学习目标】1、把握车刀切削局部常用材料的选用。2、了解车刀材料的性能要求。3、把握硬质合金的分类、用途。【学问解析】在车削加工过程中，刀具直接完成车削工作。刀具材料切削性能的优劣， 将直接影响工件被加工外表的质量、切削效率、刀具的使用寿命和加工本钱的凹凸等。因此，合理选择刀具切削局部材料，同样具有格外重要的意义。一、车刀切削局部的材料1、 车刀的材料要求在车削过程中，由于切削时产生金属的塑性变形，以及刀具、切屑、工件之间接触外表因切削而产生猛烈的摩擦，刀车刀的切削局部是在较大的切削抗力， 较高的切削温度和猛烈的摩擦条件下进展工作的，车刀寿命的长短和切削效率的凹凸，首先打算于车刀切削局部的材料是否具备优良的切削性能。其具体应满足如下要求：（1） 应具有高硬度 刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必需高于工件材料的硬度1.31.5 倍。 刀具材料最低硬度应在 60HRC 以上。 对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在 62HRC 以上；高速钢硬度为63HRC70HRC；硬质合金刀具硬度为 89HRC93HRC。（2） 应具有高耐磨性车削时切削局部在车削过程中承受猛烈的摩擦，因此，刀具材料必需具有较好的耐磨性。 刀具耐磨性是刀具抵抗磨损力量。 一般刀具硬度越高，耐磨性越好。 刀具金相组织中硬质点如碳化物、氮化物等越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。（3） 应具有足够的抗弯强度和冲击韧性 ，防止车刀脆性断裂或崩刃。 刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。如车削 45 钢，在背吃刀量ap4 ，进给量f 0.5 /r 的条件下，刀片所承受的切削力到达 4000N，可见，刀具材料必需具有较高的强度和较强的韧性。 一般刀具材料的韧性用冲击韧度 aK 表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃力量。（4） 应具有高的耐热性，即在高温下能保持高硬度的性能 刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，它是指在高温下保持高硬度的性能，可用高温硬度表示，也可用红硬性维持刀具材料切削性能的最高温度限度表示。耐热性越好，车刀材料允许的切削速度越高。 刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形力量、抗磨损力量越强。（5） 应具有较好的导热性车刀切削局部材料的导热系数越大，车削时传出和散发的热量就越多，切削温度降低得就越快，从而提高了车刀的使用寿命。数控车床上用的刀具更需要具有好的导热性。（6） 应具有良好的工艺性和经济性为了便于刀具的制造和推广使用，刀具材料还应尽可能具有良好的公益性如可磨削加工性、热处理工艺性和焊接工艺性等与经济性如资源丰富、价格低廉等。 经济性刀具不但要有良好的切削性能，本身还应当易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。车刀的材料满足要求：1、高硬度2、 高耐磨性3、 高耐热性4、 足够的强度和韧性5、 较好的导热性6、 良好的工艺性和经济性 经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产本钱。2、车刀切削局部的常用材料刀具切削局部的材料主要有：工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬刀具材料四类， 目前，车刀切削局部常用的材料有高速钢和硬质合金两大类。（1） 高速钢结论 1：高速钢牌号的元素符号后面的数字表示该元素含量的百分数。高速钢又称锋钢、白钢是一种含钨、铬、钒、银等元素较多的高合金工具钢，常用的牌号有 W18Cr4V、W9Cr4V2 等。这种材料强度高、韧性好，能承受较大的冲击力，工艺性好，易磨削成形，刃口锐利，常用于一般切削速度下的精车。但因其耐热性较差，故不适于高速切削。W18Cr4V(V)1%(Cr)4%(W)18%高速钢按其用途和性能不同，可分一般高速钢和高性能高速钢；按其化学成分不同，又可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。1) 一般高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。常用牌号有 W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2。 W18Cr4V 属钨系高速钢，它具有性能稳定，刃磨及热处理工艺掌握便利等优点，但因钨价较高，且使用寿命短故使用较少。 W6Mo5Cr4V2 属钨钼系高速钢，它的碳化物分布均匀，抗弯强度，冲击韧度和高温塑性都比 W18Cr4V 好，但磨削工艺略差。因其使用寿命长、价格低，故被广泛使用。2) 高性能高速钢是在一般高速钢中再参加一些合金元素，以进一步提高它的耐热性、耐磨性。其切削速度可达 50lOOmmin。主要用于不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料的切削加工。有高钒高速钢和超硬高速钢等。 高矾高速钢(W12Cr4V4Mo)由于钒、碳含量的增加提高了耐磨性，刀具寿命比一般高速钢提高 24 倍，但是随着钒含量的提高使其磨削性能变差。故使用较少。 超硬高速钢是为了加工一些难以加工的材料而进展起来的。其常温硬度。高温硬度、耐热性和耐磨性都比一般高速钢高，具有良好的综合性能，可以加工高温合金、钛合金、难熔合金、超高强度等难以加工的材料。钴高速钢(如：W2Mo9Cr4VCo8)是一种综合性能较好的超硬高速钢，在国外使用较广，但因我国钴资源缺乏，价格昂贵，故使用不多。铝高速钢(如：2Mo5Cr4V2Al)是我国在钨钼系高速钢(W6MoCr4V2)的根底上研制的一种型高速钢，其性能已接近钴高速钢，但价格却低得多。铝高速钢的淬火温度较窄，氧化脱碳倾向较严峻，因此在使用时需严格掌握其热处理工艺。（2） 硬质合金硬质合金是用粉末冶金方法制造的合金材料，它是由高硬度、高熔点的金属碳化物(WC、TiC 等)粉末，用钴等金属粘结剂在高温下烧结而成。硬质合金的硬度较高，常温下可达 8993HRA，耐磨性和耐热性 均高于工具钢，在 8001000时仍能进展正常切削，其切削速度是高速钢的几倍，刀具寿命也提高了几十倍，并能加工高速钢刀具难以切 削加工的材料，因此被广泛应用。但是它也存在抗弯强度和冲击韧度 比高速钢低，刃口不能磨得象高速钢刀具那样锐利等缺乏之处。硬质合金按其化学成分和使用特性可分为钨钴类(YG)、钨钛钴类(YT)、钨钛(钽)铌钴类(Yw)和碳化钛基类(YN)等四类。1) 钨钴类硬质合金由碳化钨WC和钴Co组成，它的代号以 YG 表示。这类硬质合金的韧性较好，因此适合于加工脆性材料如铸铁等或冲击性较大的工件。结论 2：K 类钨钴类硬质合金旧牌号中，符号后面的数字表示含钴量的百分数。钨钴类硬质合金按寒钴量得不同分为 YG3、YG6、YG8 等多种牌号。牌号后面的数字表示平均含钴的质量分数，其余为碳化钨。含钴量越高，韧性越好，所以YG3 适合于精加工，YG6 适合于半精加工，YG8 适合于粗加工。YG3(Co)3%表示含 Co表示硬质合金2) 钨钛钴类硬质合金由碳化钨WC、钴Co和碳化钛TiC组成，它的代号以 YT 表示。这类硬质合金的耐磨性较好，能承受较高的切削温度，所以适合于加工塑性金属如钢类或其他韧性较大的材料。这类硬质合金脆性大，不耐冲击，因此不宜加工脆性材料如铸铁。钨钛钴类硬质合金按含碳化钛量得不同分为 YT5、YT15 和 YT30 等牌号。牌号后面的数字表示平均含碳化钛的质量百分数。碳化钛含量越高，脆性越大，所以 YT5 适宜于粗加工，YT15 适合于半精加工和精加工，YT30 适合于精加工。结论 3：P 类钨钛钴类硬质合金旧牌号中，符号后面的数字表示含碳化钛量的百分数。YT5(TiC)5%表示含碳化钛 TiC表示硬质合金3) 钨钛钽(铌)钴类硬质合金(Yw) 在合金中参加适量的碳化钽 (TaC)或碳化铌(NaC)以提高合金的高温硬度、强度、耐磨性、粘结温度和抗氧化性。同时， 韧性也有所提高，具有较好的综合切削性能。主要用于加工难以切削的材料和断续切削。其常用牌号有 Ywl(适用于钢铁及铸铁零件的半精加工及精加工 )和YW2(适用于钢铁及铸铁零件的粗加工及精加工)。4) 碳化钛基类硬质合金(YN) 是由 TiC 为硬质相，用镍(Ni)、钼(Mo)为结合剂的硬质合金。其优点是硬度高、抗粘结力量、抗月牙洼磨损力量和抗氧化力量都很强。在 1000以上的高温下，仍能进展切削加工。适用于合金钢、工具钢，淬火钢等作连续精加工，常用牌号有 YN05、YNl0均适用于钢类零件的精加工。（3） 、陶瓷刀具陶瓷的主要成分是氧化铝A1203，其硬度、耐热性和耐磨。性均比硬质合金高，允许的切削速度比硬质合金高 2025。在切削时，摩擦因数小，切削时不粘刀，不简洁产生积屑瘤，能获得较小的外表粗糙度值和尺寸稳定性。其缺点是脆性大，切削时易崩刃，因此在使用范围上受到很大的限制。目前我国研制出的金属陶瓷材料，主要用于切削硬度为 4555HRC 的工具钢和淬火钢。陶瓷刀具是以氧化铝Al2O3或以氮化硅Si3N4为根本再添加少量金属， 在高温下烧结而成的一种型刀具材料。它的主要特点是：高硬度与耐磨性：常温硬度达 9195HRA，超过硬质合金，可用于切削 60HRA以上的硬材料。高耐热性：1200时，硬度为 80HRA，强度、韧性降低较少。高化学稳定性：在高温下任由较好的抗氧化、抗粘结性能，刀具的热磨损较少。摩擦因数较低：切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。强度与韧性低：强度只有硬质合金的 1/2，因此陶瓷刀具切削时需要选择合理的几何角度和合理的切削用量，避开承受冲击载荷，以防崩刃和破损。热导率低：陶瓷刀具的热导率仅为硬质合金的 1/5-1/2，热胀系数比硬质合金高 10%-30%，使得陶瓷刀抗热冲击性能较差。所以陶瓷刀切削时温度波动不宜较大，一般不加切削液。一般用于高速精加工硬材料。（4） 、超硬刀具材料及其他刀具材料超硬刀具材料主要是指金刚石、立方氮化硼。1) 金刚石是自然界中最硬的材料，其硬度可达 10000HV。自然金刚石价格昂贵，很少使用。人造金刚石以石墨为原料经高温烧结而成，主要用于高速精细车削、镗削有色金属及其合金和非金属材料。切削铜合金或铝合金时切削速度可达 8003800mmin。由于金刚石刀具具有较高的耐磨性，加工尺寸稳定和刀具使用寿命长，所以常应用在数控机床、组合机床和自动机床上，加工后外表粗糙度可达 Ra0.10.025m。但金刚石刀具耐热性差，切削温度不宜超过 700 800；强度低、脆性大、对振动敏感，只宜微量切削；与铁有较强的化学亲合力，故不适合加工黑色金属。金刚石刀具有三类：自然单晶金刚石刀具：主要用于有色金属、非金属的精加工。人造聚晶金刚石：主要用于切割大理石等石材制品、刃磨硬质合金刀具等。复合金刚石：复合金刚石刀片是在硬质合金根本上烧结一层约 0.5mm 厚的聚晶金刚石。强度较好，允许切削断面较大，也能连续切削，可屡次重磨使用。2) 立方氮化硼是用高温高压的方法制成的。立方氮化硼的优点是化学稳定性好，切削温度在 1000以下不会氧化，因此在高速切削淬硬钢、冷硬铸铁时， 刀具的粘结、集中磨损较小。同时其耐热性比金刚石好，摩擦因数小，硬度和耐热性仅次于金刚石。具有良好的切削性能和磨削工艺性，能用一般金刚石砂轮磨削。立方氮化硼刀具一般是承受硬质合金为基体的复合立方氮化硼双层刀片，主要用于加工高硬度(6470HRC)的淬硬钢和冷硬铸铁、高温合金等难加工材料。刀具材料选择原则： YG：适用于加工铸铁类 YT：适用于加工钢件 YW： 刀具的材料性能间于 YG，YT 之间 YN：为金属陶瓷刀片适用于加工超硬材料。金刚石：刀具适合加工超硬材料，但是不行以加工钢和铁类，由于和他们有亲和性。立方氮化硼：加工超硬材料。3、车刀材料常用的化学元素符号和分子式元素符号和分子式名称车刀材料常用的化学元素符号和分子式WCrVMoCCoTiTaNbWCTiCTaCNbC钨饹钒钼碳钴钛钽铌碳化钨碳化钛碳化钽碳化铌二、对钢材性能产生影响的有色金属元素钢材的质量及性能是依据需要而确定的，不同的钢管需要，要有不同的元素含量 1 碳；含碳量越高钢管，刚的硬度就钢管越高，但是它的可塑性和韧性就越差 2 硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢钢管在高温进展压力加工时， 简洁脆裂，通常叫作热脆性 钢管 3 磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严峻， 这种现钢管象叫作冷脆性在优质钢中，硫和磷要严格掌握但从另方面看，钢管在钢管低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的钢管 4 锰；能提高钢的强度，能消弱和消退硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢高锰钢具有良好的耐磨性和其它的物理性能 5 硅；它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有肯定量的硅，能改善软磁性能 6 钨；能提高钢的红硬性钢管和热强性，并能提高钢钢管的耐磨性 7 铬；能提高钢的淬透性和耐磨性，能钢管改善钢的抗腐蚀力量和抗氧化作用 8 钒；能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和耐磨性当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性 9 钼；可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和娇顽力 10 钛；能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的钢管强度和韧性在不锈钢中，钛能消退或减轻钢的晶间腐蚀现象 钢管 11 镍；能提高钢的强度和韧性，提高淬透性含量高时，可显著转变钢和合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀力量 12 硼；当钢中含有微量的 0.001 0.005 硼时，钢的淬透性可以成倍的提高 13 铝；能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效提钢管高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲乏强度等 14 铜；它的突出作用钢管是改善一般低合金钢的钢管抗大气钢管腐蚀性能，特别是和磷协作使用时更为明显