第二章刀具材料ppt課件

1、第2章 刀 具 材 料v2.1 刀具材料應(yīng)具備的性能和種類v2.2 工 具 鋼 v2.3 高 速 鋼v2.4 硬 質(zhì) 合 金v2.5 其他刀具材料2.1 刀具材料應(yīng)具備的性能和種類v2.1.1 刀具材料應(yīng)具備的性能v 刀具在切削過程中，和工件直接接觸的切削部分要承受極大的切削力，尤其是切削刃及緊鄰的前、后刀面，長期處在切削高溫環(huán)境中工作。并且切削中的各種不均勻、不穩(wěn)定因素，還將對(duì)刀具切削部分造成不同程度的沖擊和振動(dòng)。如：切削鋼材時(shí)，切屑對(duì)前刀面的擠壓應(yīng)力高達(dá)2FPa3FPa；高速切削鋼材時(shí)切屑與前刀面接觸區(qū)的溫度常保持在800900，中心區(qū)甚至超過1000。為了適應(yīng)如此繁重的切削負(fù)荷和惡劣的工

2、作條件，刀具材料應(yīng)具備以下幾方面性能。2.1 刀具材料應(yīng)具備的性能和種類v1. 足夠的硬度和耐磨性 v 硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本性能。刀具硬度應(yīng)高于工件材料的硬度，常溫硬度一般須在60HRC以上。v 耐磨性是指材料抵抗磨損的能力，它與材料硬度、強(qiáng)度和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料硬度越高，耐磨性越好；組織中碳化物和氮化物等硬質(zhì)點(diǎn)的硬度越高、顆粒越小、數(shù)量越多且分布越均勻，則耐磨性越高。v2. 足夠的強(qiáng)度與韌性 v 切削時(shí)刀具要承受較大的切削力、沖擊和振動(dòng)，為避免崩刀和折斷，刀具材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性。材料的強(qiáng)度和韌性通常用抗彎強(qiáng)度 和沖擊值 表示。2.1 刀具材料應(yīng)具備的性能和種類v3. 較高的耐熱

3、性和傳熱性v 耐熱性：指刀具材料在高溫下保持足夠的硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性、抗氧化性、抗黏結(jié)性和抗擴(kuò)散性的能力(亦稱為熱穩(wěn)定性)。v 熱硬性：材料在高溫下仍保持高硬度的能力稱為熱硬性(亦稱高溫硬度、紅硬性)，它是刀具材料保持切削性能的必備條件。刀具材料的高溫硬度越高，耐熱性越好，允許的切削速度越高。v 刀具材料的傳熱系數(shù)大，有利于將切削區(qū)的熱量傳出，降低切削溫度。2.1 刀具材料應(yīng)具備的性能和種類v4. 較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性 v 為了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工藝性能，如熱軋、鍛造、焊接、熱處理和機(jī)械加工等性能。v 留意：上述幾項(xiàng)性能之間可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其強(qiáng)度和韌性

4、較低)。沒有一種刀具材料能具備所有性能的最佳指標(biāo)，而是各有所長。所以在選擇刀具材料時(shí)應(yīng)合理選用。 各種刀具材料的主要物理力學(xué)性能見表2-1。2.1.2 刀具材料的分類 刀具材料可分為工具鋼(包括碳素工具鋼、合金工具鋼)、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料(包括金剛石、立方氮化硼等)五大類 。2.1 刀具材料應(yīng)具備的性能和種類2.2 工 具 鋼 2.2.1 碳素工具鋼 碳素工具鋼是含碳量為0.65%1.3%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，常用鋼號(hào)有T7A、T8A、T10A、T12A等。 特點(diǎn)：工藝性能良好，經(jīng)適當(dāng)熱處理，硬度可達(dá)60HRC64HRC，有較高的耐磨性，價(jià)格低廉。但熱硬性差，在200300時(shí)硬度開始降低

5、，故允許的切削速度較低(5m/min10m/min)。 運(yùn)用：用于制造手用刀具、低速及小進(jìn)給量的機(jī)用刀具。2.2 工 具 鋼v2.2.2 合金工具鋼v 特點(diǎn)：合金工具鋼是在碳素工具鋼中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪劂t(Cr)、硅(Si)、鎢(W)、錳(Mn)、釩(V)等煉制而成的(合金元素總含量不超過3%5%)，提高了刀具材料的韌性、耐磨性和耐熱性。其耐熱性達(dá)325400，所以切削速度(10m/min15m/min)比碳素工具鋼提高了。v 運(yùn)用：用于制造細(xì)長的或截面積大、刃形復(fù)雜的刀具，如鉸刀、絲錐和板牙等。 2.2 工 具 鋼2.3 高 速 鋼v 高速鋼是富含W、Cr、Mo(鉬)、V等合金元素的高合金工

6、具鋼。在工廠中常稱為白鋼或鋒鋼。v 2.3.1 高速鋼的特點(diǎn)v 與碳素工具鋼、合金工具鋼相比，高速鋼的熱硬性很高，在切削溫度高達(dá)500650時(shí)，仍能保持60HRC的高硬度，因此允許切削速度可提高l2倍(25m/min30m/min)。同時(shí)，高速鋼還具有較高的耐磨性以及較高的強(qiáng)度和韌性。2.3 高 速 鋼v 與硬質(zhì)合金相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是可加工性好并具有良好的綜合力學(xué)性能。其退火硬度為207HBS255HBS，與優(yōu)質(zhì)中、高碳鋼的退火硬度相近，能夠用一般材料刀具順利切削加工出各種復(fù)雜形狀；在加熱狀態(tài)下(9001100)能反復(fù)鍛打制成所需的毛坯；高速鋼的抗彎強(qiáng)度是硬質(zhì)合金的35倍，沖擊韌性是硬質(zhì)合金的

7、610倍；經(jīng)過仔細(xì)研磨，高速鋼刀具鈍圓半徑可小于，其鋒利性比硬質(zhì)合金優(yōu)良。v 總之，高速鋼的切削性能比工具鋼好得多，而可加工性能又比硬質(zhì)合金好得多。v 運(yùn)用：高速鋼仍是世界各國制造復(fù)雜、精密和成形刀具的基本材料，是應(yīng)用最廣泛的刀具材料之一。2.3 高 速 鋼v2.3.2 常用高速鋼材料的分類與性能及應(yīng)用v 分類：普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。1. 普通高速鋼 特點(diǎn)：工藝性能好，具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和韌性。可用于制造各種刃形復(fù)雜的刀具。切削普通鋼料時(shí)的切削速度通常不高于40m/min60m/min。普通高速鋼又分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼兩類。 (1) 鎢系高速鋼。這類高速鋼

8、的典型牌號(hào)為W18Cr4V(簡稱W18)，含C量為0.7%0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此類高速鋼綜合性能較好，可制造各種復(fù)雜刃型刀具。 2.3 高 速 鋼v (2) 鎢鉬系高速鋼。它是以Mo代替部分W發(fā)展起來的一種高速鋼，典型牌號(hào)是W6Mo5 Cr4V2(簡稱M2)，含碳量為0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。v 與W18Cr4V相比，優(yōu)點(diǎn)是碳化物含量相應(yīng)減少，而且顆粒細(xì)小分布均勻，因此抗彎強(qiáng)度、塑性、韌性和耐磨性都略有提高，適于制造尺寸較大、承受沖擊力較大的刀具(如滾刀、插刀)；又因Mo的存在，使其熱塑性非常好，故特別適于軋制或扭制鉆頭等熱成形刀具。其主要缺點(diǎn)

9、是可磨削性略低于W18Cr4V。2.3 高 速 鋼v2. 高性能高速鋼v 高性能高速鋼是在普通高速鋼成分中再添加一些C、V、Co(鈷)、Al(鋁)等合金元素，進(jìn)一步提高耐熱性能和耐磨性。這類高速鋼刀具的耐用度為普通高速鋼的1.53倍。v 運(yùn)用：加工不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。v (1) 鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8，簡稱M42)。這是一種含Co超硬高速鋼，常溫硬度達(dá)67HRC69HRC，具有良好的綜合性能。Co能提高高溫硬度，相應(yīng)地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。2.3 高 速 鋼 (2) 鋁高速鋼(W6Mo5Cr4V2Al，簡稱501)。鋁高速鋼是我國研制的

10、無鈷高速鋼，是在W6Mo5Cr4V2的基礎(chǔ)上增加鋁、碳的含量，以提高鋼的耐熱性和耐磨性，并使其強(qiáng)度和韌性不降低。 v3. 粉末冶金高速鋼v 粉末冶金高速鋼：是將熔煉的高速鋼液用高壓惰性氣體霧化成細(xì)小粉末，將粉末在高溫高壓下制成刀坯，或壓制成鋼坯然后經(jīng)軋制(或鍛造)成材的一種刀具材料。v 特點(diǎn)：與熔煉高速鋼相比，由于碳化物細(xì)小，分布均勻，熱處理變形小，因此粉末冶金高速鋼耐磨性好和可磨削性均得到顯著改善。v 運(yùn)用：適于制造切削難加工材料的刀具，特別適于制造各種精密刀具和形狀復(fù)雜的刀具。 2.3 高 速 鋼2.4 硬 質(zhì) 合 金v.4.1 硬質(zhì)合金的組成與特點(diǎn)v 硬質(zhì)合金是將一些難熔的、高硬度的合金

11、碳化物微米數(shù)量級(jí)粉末與金屬黏結(jié)劑按粉末冶金工藝制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的黏結(jié)劑有Co以及Mo、Ni等。v 硬質(zhì)合金具有高硬度、高熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性均超過高速鋼，其缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，；由于硬質(zhì)合金的常溫硬度很高，很難采用切削加工方法制造出復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，故可加工性差。v 硬質(zhì)合金的性能取決于化學(xué)成分、碳化物粉末粗細(xì)及其燒結(jié)工藝。2.4 硬 質(zhì) 合 金v2.4.2 常用硬質(zhì)合金的分類、性能及應(yīng)用v 硬質(zhì)合金按化學(xué)成分可分為四類：鎢鈷類(YG類)、鎢鈷鈦類(YT類)、含添加劑的硬質(zhì)合金(YW類)、T

12、iC基硬質(zhì)合金(YN類)。其中前面三類的主要成分為WC，可統(tǒng)稱為WC基硬質(zhì)合金。 (1) 鎢鈷類硬質(zhì)合金。YG3、YG6X和YG8等。YG代表鎢鈷類硬質(zhì)合金，后面數(shù)字表示Co的含量，細(xì)顆粒的硬質(zhì)合金有較高的抗彎強(qiáng)度和耐磨性。 運(yùn)用：加工形成短切屑的鑄鐵、有色金屬及非金屬等脆性材料。加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，切屑呈崩碎狀，對(duì)切削刃的沖擊較大，切削力與切削熱都集中在刀尖附近。而YG類硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度和韌性及導(dǎo)熱性較高，故可滿足要求。2.4 硬 質(zhì) 合 金 (2) 鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金，數(shù)字表示TiC的含量。與YG類硬質(zhì)合金相比，YT類硬質(zhì)合

13、金中由于含有硬度較高的TiC，故該類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力較高，但其導(dǎo)熱性能、抗彎強(qiáng)度和韌性、可磨削性和可焊性卻有所降低。 運(yùn)用：加工形成長屑的鋼材等塑性材料。 留意：當(dāng)加工淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼和奧氏體不銹鋼等難加工材料時(shí)，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如選用YT類硬質(zhì)合金易造成崩刃，故選用YG類硬質(zhì)合金更為合適。2.4 硬 質(zhì) 合 金 (3) 含添加劑的硬質(zhì)合金。是在YG類、YT類硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)上加入適當(dāng)?shù)奶砑觿?合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬質(zhì)合金新品種。如：YA6、YW1和YW2等幾種，其中YW類又稱為通用硬質(zhì)合金。 特點(diǎn)：有更高的硬度、高溫硬度、韌性和耐磨性。 運(yùn)用：

14、用于鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。 (4) TiC基硬質(zhì)合金。TiC基硬質(zhì)合金是以TiC為主體，Ni與Mo為黏結(jié)劑，并加入少量其他碳化物而形成的一種硬質(zhì)合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬質(zhì)合金更高的耐磨性、耐熱性和抗氧化能力，但熱導(dǎo)率低和韌性較差。 運(yùn)用：適用于工具鋼的半精加工和精加工及淬硬鋼的加工。 2.4 硬 質(zhì) 合 金2.5 其他刀具材料v2.5.1 陶瓷材料v 陶瓷材料是以氧化鋁為主要成分在高溫下燒結(jié)而成的。如：純Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷兩種。v 優(yōu)點(diǎn)：有很高的硬度和耐磨性；有很好的耐熱性，在1200高溫下仍能進(jìn)行切削；有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的摩擦

15、因數(shù)，抗擴(kuò)散和抗黏結(jié)能力強(qiáng)。v 缺陷：強(qiáng)度低、韌性差，抗彎強(qiáng)度僅為硬質(zhì)合金的1/31/2；導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為硬質(zhì)合金的1/51/2。v 運(yùn)用：鋼、鑄鐵及塑性大的材料(如紫銅)的半精加工和精加工，對(duì)于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料加工特別有效；但不適于機(jī)械沖擊和熱沖擊大的加工場合。2.5 其他刀具材料v2.5.2 金剛石v 有三種：天然單晶金剛石刀具、人造聚晶金剛石刀具和金剛石復(fù)合刀具。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層厚度約0.5mm的金剛石，形成了金剛石與硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片。v 特點(diǎn)：很好的耐磨性，用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷和高鋁硅合金等高硬度、高耐磨材料，刀具耐用度比硬質(zhì)合金提高幾倍甚至幾

16、百倍；金剛石有非常鋒利的切削刃，能切下極薄的切屑，加工冷硬現(xiàn)象較少；金剛石抗黏結(jié)能力強(qiáng)，不產(chǎn)生積屑瘤，很適于精密加工。但其耐熱性差，切削溫度不得超過700800；強(qiáng)度低、脆性大，對(duì)振動(dòng)很敏感，只宜微量切削；與鐵的親合力很強(qiáng)，不適于加工黑色金屬材料。 v 運(yùn)用：用于磨具及磨料，作為刀具多在高速下對(duì)有色金屬及非金屬材料進(jìn)行精細(xì)切削。2.5 其他刀具材料v2.5.3 立方氮化硼v 立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成的，是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新材料，硬度高達(dá)8000HV9000HV，僅次于金剛石，耐熱性卻比金剛石好得多，在高于1300時(shí)仍可切削，且立方氮化硼的化學(xué)惰性大

17、，與鐵系材料在12001300高溫下也不易起化學(xué)作用。v 運(yùn)用：立方氮化硼作為一種新型超硬磨料和刀具材料，用于加工鋼鐵等黑色金屬，特別是加工高溫合金、淬火鋼和冷硬鑄鐵等難加工材料，具有非常廣闊得發(fā)展前途。2.5 其他刀具材料v2.5.4 涂層刀片v 涂層刀片是在韌性和強(qiáng)度較高的硬質(zhì)合金或高速鋼的基體上，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理化學(xué)氣相沉積(PVD)、真空濺射等方法，涂覆一薄層(512)顆粒極細(xì)的耐磨、難熔、耐氧化的硬化物(TiC、TiN、TiC-Al2O3)后獲得的新型刀片。具有較高的綜合切削性能，能夠適應(yīng)多種材料的加工。2.5 其他刀具材料小小 結(jié)結(jié)v本章主要內(nèi)容是刀具材料應(yīng)具備的性

18、能、常用刀具材料的種類以及常用刀具的牌號(hào)、特點(diǎn)、性能和應(yīng)用。v刀具材料應(yīng)具備的性能包括足夠的硬度和耐磨性、足夠的強(qiáng)度與韌性、較高的耐熱性、較好的工藝性、較好的傳熱性、經(jīng)濟(jì)性。v工具鋼包括碳素工具鋼和合金工具鋼。碳素工具鋼主要用于制造手用刀具、低速及小進(jìn)給量的機(jī)用刀具。合金工具鋼比碳素工具鋼有較高的淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性。主要用于制造細(xì)長刀具或截面積大、刃形復(fù)雜的刀具。v高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。與碳素工具鋼、合金工具鋼相比，高速鋼還具有較高的硬度、耐磨性以及強(qiáng)度和韌性。與硬質(zhì)合金相比，高速鋼的最大優(yōu)點(diǎn)是可加工性好并具有良好的綜合力學(xué)性能。高速鋼仍是主要用于制造形狀復(fù)雜的刀具。高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼適于制造切削難加工材料的各種精密刀具和形狀復(fù)雜刀具。v硬質(zhì)合金刀具材料有YG類、YT類、YW類、YN類四種。具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性、抗彎強(qiáng)度低、可加工工藝性差等特點(diǎn)。YG類硬質(zhì)合金主要用于加工形成短切屑的鑄鐵、有色金屬及非金屬等脆性材料以及淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼、奧氏體不銹鋼等難加工材料。YT類硬度合金主要用于加工形成長屑的鋼材等塑性材料。YW類主要用途是加工鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。v陶瓷材料