常用刀具材料分類特點(diǎn)及應(yīng)用

1、常用刀具材料分類、特點(diǎn)及應(yīng)用學(xué)院： 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 班級(jí)： 2011級(jí)卓越班 姓名： 王博 學(xué)號(hào)： 201100160218 2014.5.72目錄摘要11.刀具材料的基本要求22.常用刀具材料、特點(diǎn)及應(yīng)用32.1高速鋼42.2硬質(zhì)合金72.3涂層刀具82.3.1硬質(zhì)合金82.3.2化學(xué)氣相沉積（CVD）82.3.3物理氣相沉積（PVD）92.4金屬陶瓷102.5陶瓷刀具102.6立方氮化硼122.7聚晶金剛石133.參考文獻(xiàn)14摘要要使金屬切削工序獲得滿意的效果，切削刀具材料和牌號(hào)的選擇是重要的考慮因素。因此必須基本了解每種切削刀具材料及其性能，以便為每一切削應(yīng)用做出正確選擇。本文旨在對(duì)

2、目前常用刀具的材料進(jìn)行分類，刀具材料的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，并根據(jù)每種切削刀具材料的性能給出應(yīng)用建議。關(guān)鍵詞 刀具材料分類 刀具材料特點(diǎn) 刀具材料性能 刀具材料應(yīng)用1.刀具材料的基本要求(1)高硬度和耐磨性 刀具是從工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度；刀具材料硬度一般都在60HRC以上。 耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。組織中硬質(zhì)點(diǎn)（碳化物、氮化物）的硬度越高，數(shù)量越多，顆粒越小，分布越均勻，則耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性實(shí)際上不僅取決于它的硬度，也和它的化學(xué)成分、強(qiáng)度、顯微組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)。(2)高強(qiáng)度與強(qiáng)韌性 刀具材料在切削

3、時(shí)受到很大的切削力與沖擊力；如車削45鋼，在背吃刀量ap4，進(jìn)給量f 0.5/r的條件下，刀片所承受的切削力達(dá)到4000N，可見，刀具材料必須具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的韌性； 一般刀具材料的韌性用沖擊韌度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力(3)較強(qiáng)的耐熱性 刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志，通常用高溫下保持高硬度的性能來衡量，也稱熱硬性。刀具材料高溫硬度越高，則耐熱性越好，在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強(qiáng)(4)優(yōu)良導(dǎo)熱性 刀具導(dǎo)熱性好，表示切削產(chǎn)生的熱量容易傳導(dǎo)出去，降低了刀具切削部分溫度，減少刀具磨損。 刀具材料導(dǎo)熱性好，其抗耐熱沖擊和抗熱裂紋性能也強(qiáng)(5)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

4、 刀具不但要有良好的切削性能，本身還應(yīng)該易于制造，這要求刀具材料有較好的工藝性，如鍛造、熱處理、焊接、磨削、高溫塑性變形等功能；經(jīng)濟(jì)性也是刀具材料的重要指標(biāo)之一，選擇刀具時(shí)，要考慮經(jīng)濟(jì)效果，以降低生產(chǎn)成本2.常用刀具材料、特點(diǎn)及應(yīng)用 刀具材料可分為工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料等五大類。常用刀具材料的主要性能及用途見表2-1。 表2-1 常用刀具材料的主要性能種類常用牌號(hào)硬度HRC（HRA）抗彎強(qiáng)度（GPa）熱硬性（C）工藝性能用途碳素工具鋼T8A、T10A、T12A6064（8183）2.452.75200250可冷熱加工成形，刃磨性能好用于手動(dòng)工具，如銼刀、鋸條、鏨子等合金工具鋼

5、9siCr、CiWMn6065（8184）2.452.75250300可冷熱加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于低速成形刀具，如絲錐、板牙、鉸刀等高速鋼W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.434.41550600可冷熱加工成形，刃磨性能好，熱處理變形小用于機(jī)動(dòng)復(fù)雜的中速刀具，如鉆頭、銑刀、齒輪刀具等硬質(zhì)合金（YG類）K類（YT類）P類（YW類）M類6981（8993）1.082.168001100粉未冶金成形，只能磨削加工不能熱處理，多鑲片使用，較脆 用于機(jī)動(dòng)簡(jiǎn)單的高速切削刀具，如車刀、刨刀、銑刀刀片陶瓷SG4、AT6（9394）15002100HV0.41.115

6、1200壓制燒結(jié)成形只能磨削加工，不需熱處理脆性略大于硬質(zhì)合金多用于車刀，適宜精加工連續(xù)切削立方碳化硼（CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高溫高壓燒結(jié)成形，硬度高于陶瓷，極脆，可用金剛石砂輪磨削，不需熱處理用于加工高硬度、高強(qiáng)度材料（特別是鐵族材料）人造金剛石10000HV0.421.0700800硬度高于CBN，極脆用于有色金屬的高精度、低粗糙度切削，也用于非金屬精密加工，不切削鐵族金屬2.1高速鋼圖2-1 普通高速鋼常見用途1.概念：高速鋼是一種含有鎢、鉬、鉻、釩等合金元素較多的工具鋼2.性質(zhì)： 高速鋼具有良好的熱穩(wěn)定性； 高速鋼具有較高強(qiáng)度和韌性

7、； 高速鋼具有一定的硬度(6370HRC)和耐磨性3.分類 普通高速鋼 鎢系高速鋼（簡(jiǎn)稱W18） 優(yōu)點(diǎn)：鋼磨削性能和綜合性能好，通用性強(qiáng)。 缺點(diǎn)：碳化物分布常不均勻，強(qiáng)度與韌性不夠強(qiáng)，熱塑性差，不宜制造成大截面刀具 鎢鉬鋼（將一部分鎢用鉬代替所制成的鋼） 優(yōu)點(diǎn)：減小了碳化物數(shù)量及分布的不均勻性 缺點(diǎn)：高溫切削性能和W18相比稍差 高性能高速鋼 優(yōu)點(diǎn)：具有較強(qiáng)的耐熱性，刀具耐用度是普通高速鋼的1.53倍； 缺點(diǎn)：強(qiáng)度與韌性較普通高速鋼低，高釩高速鋼磨削加工性差； 適合加工的零件：奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料粉末冶金高速鋼 優(yōu)點(diǎn)：無碳化物偏析，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和硬度，硬

8、度值達(dá)6970HRC； 保證材料各向同性，減小熱處理內(nèi)應(yīng)力和變形； 磨削加工性好，磨削效率比熔煉高速鋼提高23倍； 耐磨性好。 適于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀和插齒刀），精密刀具和磨加工量大的復(fù)雜刀具。2.2硬質(zhì)合金 圖2-2 常見硬質(zhì)合金刀片1.組成硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物和金屬粘結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法制成2.性能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：硬質(zhì)合金中高熔點(diǎn)、高硬度碳化物含量高，熱熔性好 ,熱硬性好，切削速度高缺點(diǎn)：脆性大，抗彎強(qiáng)度和抗沖擊韌性不強(qiáng)?？箯潖?qiáng)度只有高速鋼的1/31/2，沖擊韌性只有高速鋼的1/41/35。性能：主要由組成硬質(zhì)合金碳化物的種類、數(shù)量、粉末顆粒的粗細(xì)和粘化劑的含量決定

9、3.普通硬質(zhì)合金的種類、牌號(hào)及適用范圍按其化學(xué)成分的不同可分為： （1）鎢鈷類（WC+Co）（合金代號(hào)為YG，對(duì)應(yīng)于國標(biāo)K類）;合金鈷含量越高，韌性越好，適于粗加工；鈷含量低，適于精加工，適于加工鑄鐵、不銹鋼、淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼、奧氏體鋼等。 （2）鎢鈦鈷類（WC+TiC+Co）（合金代號(hào)為YT，對(duì)應(yīng)于國標(biāo)P類 ）此類合金有較高的硬度和耐熱性，主要用于加工切屑成呈狀的鋼件等塑性材料。 合金中TiC含量高，則耐磨性和耐熱性提高，但強(qiáng)度降低，粗加工一般選擇TiC含量少的牌號(hào)，精加工選擇TiC含量多的牌號(hào)。適用于加工合金鋼、鋼鍛件、沖壓件及鑄件的表皮加工等。但是由于刀具中含有鈦元素，為防止元素親和粘刀

10、，不宜加工鈦合金。 （3）鎢鈦鉭（鈮）鈷類（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代號(hào)為YW，對(duì)應(yīng)于國標(biāo)M類）適用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加工 (4)碳化鈦基類（WC+TiC+Ni+Mo）（合金代號(hào)YN，對(duì)應(yīng)于國標(biāo)P01類）用于精加工和半精加工，對(duì)于大長(zhǎng)零件且加工精度較高的零件尤其適合，但不適于有沖擊載荷的粗加工和低速切削。適用于高錳鋼、不銹鋼、耐熱鋼等難加工鋼材的半精加工和精加工。 (5)細(xì)晶粒、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金 細(xì)晶粒硬質(zhì)合金多用于YG類合金，它的硬度和耐磨性得到較大提高，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度也得到提高，已接近高速鋼

11、；適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，并可用于加工奧氏體不銹鋼、鈦合金等高硬度難加工材料2.3涂層刀具2.3.1硬質(zhì)合金 當(dāng)前在所有切削刀具刀片中，涂層硬質(zhì)合金占80-90%。它作為刀具材料的成功之處在于其耐磨性和韌性的獨(dú)特組合，以及各種復(fù)雜形狀的成形能力。 涂層硬質(zhì)合金將硬質(zhì)合金和涂層結(jié)合在一起。它們共同形成一種適用于其應(yīng)用的特定牌號(hào)。涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)為眾多刀具和應(yīng)用的首選。圖2-3 硬質(zhì)合金涂層刀片2.3.2化學(xué)氣相沉積（CVD） 1.定義和性質(zhì) CVD涂層是在700-1050高溫的環(huán)境下通過化學(xué)反應(yīng)獲得的。CVD涂層具有高耐磨性，并對(duì)硬質(zhì)合金具有極強(qiáng)的粘附性。 最先推出的CVD涂層硬質(zhì)合金為單層碳

12、化鈦涂層 (TiC)。之后發(fā)明了氧化鋁涂層 (Al2O3) 和氮化鈦 (TiN)涂層。現(xiàn)代的碳氮化鈦涂層 (MT-Ti(C,N) 或MT-TiCN，也稱為MT-CVD)提高了其與硬質(zhì)合金的粘附性，更好地保護(hù)硬質(zhì)合金，從而提高了牌號(hào)的性能。現(xiàn)代CVD涂層將MT-Ti(C,N)、Al2O3 和TiN結(jié)合在一起。通過顯微結(jié)構(gòu)優(yōu)化和后處理，涂層在附著力、韌性和耐磨性方面獲得不斷改進(jìn)。 MT-Ti(C,N) - 其硬度提供了耐磨料磨損性能，從而可降低后刀面磨損。 CVD-Al2O3 具有化學(xué)惰性，熱傳導(dǎo)率低，使其可耐月牙洼磨損。它也充當(dāng)熱障，可提高抗塑性變形的能力。 CVD-TiN - 提高耐磨性，并用

13、于磨損檢測(cè)。2.應(yīng)用 CVD涂層牌號(hào)是許多重點(diǎn)考慮耐磨性的應(yīng)用的首選。此類應(yīng)用包括：用于鋼材的普通車削和鏜削，較厚的CVD涂層可提供耐月牙型磨損性能；用于不銹鋼的普通車削；用作銑削刀具牌號(hào)時(shí)，加工ISO P、ISO M、ISO K材料。對(duì)于鉆削，CVD牌號(hào)通常用于周邊刀片。2.3.3物理氣相沉積（PVD） 1.定義和性質(zhì) 涂層在較低溫度 (400-600C) 下形成。在該過程中，氣相的金屬與氣體，比如氮，發(fā)生反應(yīng)，從而在切削刀具表面形成硬質(zhì)氮化涂層。 PVD涂層由于高硬度而增加了牌號(hào)的耐磨性。它們的壓應(yīng)力也增加了切削刃韌性和抗梳狀裂紋的能力。 主要的PVD涂層種類如下所述?，F(xiàn)代的PVD涂層通常

14、由以下不同涂層組成多層涂層和（或）復(fù)合涂層。復(fù)合涂層由相當(dāng)多數(shù)量的極薄涂層構(gòu)成，每層厚度通常為納米級(jí)，從而使涂層硬度更高。 PVD-TiN - 氮化鈦是最早使用的PVD涂層。它性能全面，呈金黃色。 PVD-Ti(C,N) - 碳氮化鈦比氮化鈦硬，它增加了后刀面耐磨性。 PVD-(Ti,Al)N - 鋁氮化鈦具有高硬度和耐氧化性，從而提高材料的總體耐磨性。 PVD氧化涂層 - 利用其化學(xué)惰性，增強(qiáng)材料的耐月牙洼磨損性能。 2.應(yīng)用 對(duì)于要求耐磨且鋒利的切削刃以及加工粘軟材料，推薦使用PVD涂層牌號(hào)。這種應(yīng)用很普遍，包括所有整體硬質(zhì)合金立銑刀和鉆頭，以及切槽、螺紋加工和銑削的大多數(shù)牌號(hào)。PVD涂層

15、牌號(hào)廣泛用于精加工，并在鉆削中用作重要刀片牌號(hào)2.4金屬陶瓷1.定義和性質(zhì) 金屬陶瓷是以鈦基硬質(zhì)微粒為主體的硬質(zhì)合金。金屬陶瓷的英文名稱cermet是由ceramic (陶瓷) 和metal (金屬) 兩個(gè)單詞分別截取部分合并而成的。最初金屬陶瓷是由TiC和鎳合成的?，F(xiàn)代金屬陶瓷不含鎳，通常以碳氮化鈦Ti(C,N)微粒為主要成分，少量第二硬質(zhì)相 (Ti,Nb,W)(C,N) 和富鎢鈷粘合劑。 Ti(C,N) 增加了牌號(hào)的耐磨性，第二硬質(zhì)相提高了抗塑性變形的能力，鈷的含量控制韌性。與燒結(jié)硬質(zhì)合金相比，金屬陶瓷提高了耐磨性，降低了與工件的粘結(jié)趨勢(shì)。另一方面，其壓縮強(qiáng)度也較低，耐熱沖擊性較差。金屬陶

16、瓷也可以使用PVD涂層，以提高耐磨性。2.應(yīng)用 金屬陶瓷牌號(hào)用于有粘結(jié)趨勢(shì)的應(yīng)用，以應(yīng)對(duì)積屑瘤問題。其自銳性使其在長(zhǎng)時(shí)間切削后依然保持較低的切削力。在精加工工序中，這有助于獲得長(zhǎng)壽命和小公差，并加工出光亮的工件表面。 典型應(yīng)用有不銹鋼、球墨鑄鐵、低碳鋼和鐵素體鋼的精加工。金屬陶瓷還可用于改善加工鐵系材料時(shí)遇到的多種問題。 GC1525 韌性涂層金屬陶瓷牌號(hào)，用于間斷切削，車削。 CT5015 耐磨金屬陶瓷牌號(hào)，用于連續(xù)切削，車削。 CT530 銑削牌號(hào)，可獲得光亮的表面質(zhì)量。 CT525 切斷和切槽牌號(hào)，用于精加工。2.5陶瓷刀具圖2-4 氧化鋁陶瓷刀具1.定義和性質(zhì) 在高切削速度下，所有陶瓷

17、切削刀具都具有出色的耐磨性。提供適用眾多應(yīng)用的系列陶瓷牌號(hào)。 氧化陶瓷為氧化鋁基 (Al2O3)，加入氧化鋯 (ZrO2) 以抑制裂紋。這使材料的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，但缺乏耐熱沖擊性。(1) 混合陶瓷是將立方碳化物或碳氮化物 (TiC,Ti(C,N)加入氧化鋁基陶瓷中，這提高了韌性和熱傳導(dǎo)性。(2) 晶須增強(qiáng)陶瓷使用碳化硅晶須 (SiCw)，極大提高了韌性并使冷卻液的使用成為可能。晶須增強(qiáng)陶瓷是加工鎳基合金的理想選擇。(3) 氮化硅陶瓷 (Si3N4) 代表另一類陶瓷材料。它們細(xì)長(zhǎng)的晶粒使其成為具有高韌性的自增強(qiáng)型材料。氮化硅陶瓷牌號(hào)成功地用于灰鑄鐵加工，但由于缺乏化學(xué)穩(wěn)定性，使其在其它工件材料

18、上的應(yīng)用受到限制。(4)賽阿龍?zhí)沾?(SiAlON) 牌號(hào)將氮化硅網(wǎng)狀組織的強(qiáng)度與增強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性結(jié)合在一起。賽阿龍?zhí)沾膳铺?hào)是加工耐熱優(yōu)質(zhì)合金 (HRSA) 的理想選擇。2.應(yīng)用 陶瓷牌號(hào)適用應(yīng)用范圍和材料種類廣泛。它不僅常用于高速車速工序，而且用于切槽和銑削工序。在正確使用時(shí)，每種陶瓷牌號(hào)的特定性能可幫助獲得高生產(chǎn)效率。何時(shí)和如何使用陶瓷牌號(hào)的知識(shí)，對(duì)于獲得成功非常重要。陶瓷通常的局限性包括耐熱沖擊性和斷裂韌性。 CC620 氧化陶瓷，用于穩(wěn)定和干切工況下灰鑄鐵的高速精加工。 CC6050 混合陶瓷，用于硬材料的輕負(fù)荷連續(xù)精加工。 CC650 混合陶瓷，用于灰鑄鐵和硬材料的高速精加工，以及低

19、韌性要求的耐熱優(yōu)質(zhì)合金的半精加工工序。 CC670 晶須增強(qiáng)陶瓷，具有出色的韌性，用于鎳基合金的車削、切槽和銑削。在惡劣工況下也可以用于硬零件車削。 CC6190 硅陶瓷，用于鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵和硬鑄鐵從粗車到精車以及高速干式 CC6090 銑削。 GC1690 帶涂層的氮化硅陶瓷，用于鑄鐵的輕型粗加工到精車。 CC6060 賽阿龍?zhí)沾膳铺?hào)，用于穩(wěn)定工況下車削預(yù)加工的耐熱優(yōu)質(zhì)合金時(shí)獲得最佳性能。由于耐溝槽磨損性優(yōu)良，所以可預(yù)測(cè)磨損。 CC6065 增強(qiáng)型賽阿龍?zhí)沾?，用于?duì)刀片有一定韌性要求的耐熱優(yōu)質(zhì)合金的車削工序。2.6立方氮化硼1.定義和性質(zhì)圖2-5 立方氮化硼刀具 立方氮化硼CBN材料具有出色的熱硬性，可以在非常高的切削速度下使用。它還表現(xiàn)出良好的韌性和耐熱沖擊性。 現(xiàn)代CBN牌號(hào)多為陶瓷與CBN的復(fù)合材料，CBN含量大約40-65。陶瓷粘合劑增加了CBN的耐磨性，但是也降低了抗化學(xué)磨損性能。另外一種為高含量CBN牌號(hào)，CBN占85%到約100%。這些牌號(hào)使用金屬粘合劑，以提高它們的韌性。 將CBN焊接到硬質(zhì)合金載體上，形成刀片。Safe-Lok技術(shù)大大增強(qiáng)了負(fù)前角刀片上CBN切削刀尖與載體的結(jié)合強(qiáng)度。2.應(yīng)用 CBN牌號(hào)被大量用于淬硬鋼 (硬度超過HRc 45) 的精車。對(duì)于