金屬切削原理與刀具2-1

1、第二章第二章 刀具材料刀具材料 刀具材料主要是刀具切削部分的材料刀具材料主要是刀具切削部分的材料。在金。在金屬切削過程中，刀具材料的切削性能對生產(chǎn)效屬切削過程中，刀具材料的切削性能對生產(chǎn)效率、已加工表面質(zhì)量、刀具壽命和加工成本影率、已加工表面質(zhì)量、刀具壽命和加工成本影響很大。因此，應(yīng)當(dāng)重視刀具材料的正確選用響很大。因此，應(yīng)當(dāng)重視刀具材料的正確選用和合理使用，重視新型刀具材料的研制與應(yīng)用。和合理使用，重視新型刀具材料的研制與應(yīng)用。本章主要介紹常用的刀具材料的性能、牌號、本章主要介紹常用的刀具材料的性能、牌號、主要化學(xué)成分及其使用。主要化學(xué)成分及其使用。21 刀具材料應(yīng)當(dāng)具備的性能刀具材料應(yīng)當(dāng)具備

2、的性能一、刀具切削材料應(yīng)具備的性能一、刀具切削材料應(yīng)具備的性能 在切削加工中，刀具切削部分不但要求承受切削在切削加工中，刀具切削部分不但要求承受切削過程中的高溫、高壓及沖擊載荷，而且還要受到切過程中的高溫、高壓及沖擊載荷，而且還要受到切屑及工件的強(qiáng)烈摩擦。屑及工件的強(qiáng)烈摩擦。 1、刀具的工作環(huán)境、刀具的工作環(huán)境2、刀具切削材料應(yīng)具備下列性能：、刀具切削材料應(yīng)具備下列性能： （1） 高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 1）刀具材料的硬度必須）刀具材料的硬度必須高于高于工件材料的硬度，否工件材料的硬度，否則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形狀。狀。2）

3、一般在常溫下，刀具硬度都在）一般在常溫下，刀具硬度都在HRC60以上。以上。3） 耐磨性指刀具材料抵抗磨損的能力，一般刀具耐磨性指刀具材料抵抗磨損的能力，一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。但對同硬度的刀材料的硬度越高，耐磨性越好。但對同硬度的刀具，其耐磨性還取決與它們的具，其耐磨性還取決與它們的顯微組織顯微組織。耐磨性。耐磨性越好的材料碳化物顆粒越多，晶粒越細(xì)，分布越越好的材料碳化物顆粒越多，晶粒越細(xì)，分布越均勻。均勻。（2） 足夠的強(qiáng)度和韌性足夠的強(qiáng)度和韌性 切削時(shí)刀具承受很大的切削力切削時(shí)刀具承受很大的切削力和沖擊，如車削和沖擊，如車削45鋼時(shí)，當(dāng)鋼時(shí)，當(dāng) =4mm，f=0.5mm/r時(shí)

4、刀具要時(shí)刀具要承受約承受約4000N的切削力，因此刀具必須具有足夠的抗彎強(qiáng)的切削力，因此刀具必須具有足夠的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性，防止切削過程中刀具發(fā)生脆性斷裂和崩刃。度和沖擊韌性，防止切削過程中刀具發(fā)生脆性斷裂和崩刃。（3） 高的耐熱性高的耐熱性 耐熱性又稱耐熱性又稱熱硬性或紅硬性熱硬性或紅硬性，是衡量，是衡量刀具材料切削性能的主要指標(biāo)。它是指在刀具材料切削性能的主要指標(biāo)。它是指在高溫下保持材料高溫下保持材料硬度的性能，可用高溫硬度表示硬度的性能，可用高溫硬度表示。高溫硬度越高，表示材。高溫硬度越高，表示材料的耐熱性好，刀具材料在高溫下抗塑性變形的能力、抗料的耐熱性好，刀具材料在高溫下抗塑性變形

5、的能力、抗磨損的能力也越強(qiáng)。磨損的能力也越強(qiáng)。耐熱性越好的材料允許的切削速度越耐熱性越好的材料允許的切削速度越高。高。（4） 良好的工藝性良好的工藝性（5） 經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性二、常用刀具材料的種類二、常用刀具材料的種類當(dāng)前常用刀具材料可分為當(dāng)前常用刀具材料可分為工具鋼（包括碳素工具鋼、工具鋼（包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼）、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材合金工具鋼和高速鋼）、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料料四大類。四大類。一、一、碳素工具鋼碳素工具鋼是含碳量在是含碳量在070135的優(yōu)的優(yōu)質(zhì)高碳鋼，用牌號質(zhì)高碳鋼，用牌號T8A、T10A、T12A等。等。 碳素工具鋼碳素工具鋼的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，切削刃

6、可磨得很鋒利，是價(jià)格低廉，切削刃可磨得很鋒利，一般用來做切削速度低，尺寸較小的手動工具。如絲錐、一般用來做切削速度低，尺寸較小的手動工具。如絲錐、銼刀及手鋸條等。銼刀及手鋸條等。1。淬火后硬度為。淬火后硬度為6064HRC，與一般高速鋼相近，與一般高速鋼相近，2。耐熱性很差，當(dāng)切削刃溫度超過。耐熱性很差，當(dāng)切削刃溫度超過200250時(shí)，時(shí)，硬度將急劇下降，失去切削能力。因此碳素工具鋼只能硬度將急劇下降，失去切削能力。因此碳素工具鋼只能在在8m/min10m/min的切削速度下工作。的切削速度下工作。3。碳素工具鋼的淬透性差，淬火時(shí)在水中急劇冷卻，。碳素工具鋼的淬透性差，淬火時(shí)在水中急劇冷卻，容

7、易產(chǎn)生淬火變形和開裂。容易產(chǎn)生淬火變形和開裂。 二、二、合金工具鋼合金工具鋼是在碳素工具鋼中加入一定量的合金是在碳素工具鋼中加入一定量的合金元素，如元素，如鎢、鉻、鉬、釩、錳、硅等鎢、鉻、鉬、釩、錳、硅等組成的工具鋼。常用組成的工具鋼。常用的合金工具鋼有的合金工具鋼有9SiCr、CrWMn等。等。 這些鋼淬火后的硬度達(dá)這些鋼淬火后的硬度達(dá)6065HRC，與碳素工具鋼差別，與碳素工具鋼差別不大，但耐熱性稍高，約不大，但耐熱性稍高，約300400。因此切削速度可。因此切削速度可比碳素工具鋼高比碳素工具鋼高20左右。左右。 主要用于制造絲錐、板牙、絞刀等要求熱處理變形小的主要用于制造絲錐、板牙、絞刀

8、等要求熱處理變形小的低速刀具。低速刀具。 目前機(jī)加工中應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。目前機(jī)加工中應(yīng)用最多的是高速鋼和硬質(zhì)合金。隨著難加工材料應(yīng)用的增加，陶瓷刀具、金剛石等隨著難加工材料應(yīng)用的增加，陶瓷刀具、金剛石等超硬材料的使用量日益增長，它們的顯微硬度很高，超硬材料的使用量日益增長，它們的顯微硬度很高，具有優(yōu)良的抗磨損性能，刀具壽命長，能保證高的具有優(yōu)良的抗磨損性能，刀具壽命長，能保證高的加工精度，應(yīng)予以足夠的重視。加工精度，應(yīng)予以足夠的重視。22 高速鋼高速鋼 高速鋼是含有較多的鎢（高速鋼是含有較多的鎢（W）、（）、（Mo）、鉻）、鉻（Cr）、釩（）、釩（V）的高合金工具鋼。）的高合金工具

9、鋼。 它具有較高的它具有較高的耐熱性耐熱性，切削溫度在，切削溫度在500600時(shí)仍能保持高硬度，從而允許的切削速度比碳素時(shí)仍能保持高硬度，從而允許的切削速度比碳素工具鋼和合金工具鋼提高工具鋼和合金工具鋼提高13倍，倍， 鉻提高了高速鋼鋼的淬透性，使小型刀具在空鉻提高了高速鋼鋼的淬透性，使小型刀具在空氣中冷卻就能淬硬，且刃磨時(shí)能獲得鋒利的刃口，氣中冷卻就能淬硬，且刃磨時(shí)能獲得鋒利的刃口，故高速鋼又有故高速鋼又有“風(fēng)鋼風(fēng)鋼”、“鋒鋼鋒鋼”之稱。之稱。 因其刃口顏色呈白色，又稱因其刃口顏色呈白色，又稱“白鋼白鋼”。 高速鋼是綜合性能好、應(yīng)用廣泛的一種刀具材高速鋼是綜合性能好、應(yīng)用廣泛的一種刀具材料。

10、料。它可以承受較大的切削力和沖擊，其它可以承受較大的切削力和沖擊，其強(qiáng)度和強(qiáng)度和韌性韌性是現(xiàn)有刀具材料中最高的（其抗彎強(qiáng)度是硬是現(xiàn)有刀具材料中最高的（其抗彎強(qiáng)度是硬質(zhì)合金的質(zhì)合金的23倍，韌性是硬質(zhì)合金的倍，韌性是硬質(zhì)合金的910倍），倍）， 具有一定的硬度和耐磨性具有一定的硬度和耐磨性 ， 同時(shí)高速鋼還具有良好的工藝性，特別適合于制同時(shí)高速鋼還具有良好的工藝性，特別適合于制造各種復(fù)雜及大型成形刀具，如成形車刀、各種造各種復(fù)雜及大型成形刀具，如成形車刀、各種銑刀、鉆頭、拉刀、齒輪刀具和螺紋刀具等，可銑刀、鉆頭、拉刀、齒輪刀具和螺紋刀具等，可以加工從有色金屬到高溫合金的各種材料。以加工從有色金屬

11、到高溫合金的各種材料。 高速鋼按性能可分為高速鋼按性能可分為普通高速鋼普通高速鋼和特殊用途的和特殊用途的高性能高速鋼高性能高速鋼。按制造工藝可分為。按制造工藝可分為熔煉高速鋼熔煉高速鋼和和粉末冶金高速鋼粉末冶金高速鋼。一、普通高速鋼一、普通高速鋼 按化學(xué)成分不同，普通高速鋼可分為鎢系高速鋼和鎢按化學(xué)成分不同，普通高速鋼可分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼鉬系高速鋼。1鎢系高速鋼鎢系高速鋼 這種鋼的典型代表是這種鋼的典型代表是W18 Cr 4V（簡稱（簡稱W18），它含），它含W18、Cr4、V1,具有較好的綜合性能具有較好的綜合性能（見表（見表21），可制造各種復(fù)雜的刀具，是我國最常用的），可制造各

12、種復(fù)雜的刀具，是我國最常用的一種高速鋼。一種高速鋼。 W18鋼的缺點(diǎn)是碳化物分布不均勻，不宜作大截面的刀具；此鋼的缺點(diǎn)是碳化物分布不均勻，不宜作大截面的刀具；此外，外，W18鋼熱塑性較差，不適合作熱軋刀具。由于上述缺點(diǎn)和國鋼熱塑性較差，不適合作熱軋刀具。由于上述缺點(diǎn)和國際市場上鎢價(jià)格的提高，際市場上鎢價(jià)格的提高，W18鋼逐漸被新鋼種代替。鋼逐漸被新鋼種代替。2鎢鉬系高速鋼鎢鉬系高速鋼 W6Mo5Cr 4V2（簡稱（簡稱M2）是我國常用的典型鎢鉬系高速鋼種。它以是我國常用的典型鎢鉬系高速鋼種。它以Mo取代一部分取代一部分W，其碳化物細(xì)小，分布均勻，其碳化物細(xì)小，分布均勻，抗彎強(qiáng)度比抗彎強(qiáng)度比W1

13、8 Cr 4V高高2834、抗沖、抗沖擊韌性要高擊韌性要高70、熱塑性也非常好，主要用、熱塑性也非常好，主要用于軋制或扭制麻花鉆。于軋制或扭制麻花鉆。 M2鋼的缺點(diǎn)是熱處理容易脫碳，較易氧化，淬鋼的缺點(diǎn)是熱處理容易脫碳，較易氧化，淬火溫度范圍較窄?；饻囟确秶^窄。 W9Mo3Cr 4V（簡稱（簡稱W9）是我國自行研制的）是我國自行研制的新鋼種。其硬度、強(qiáng)度、熱塑性略高于新鋼種。其硬度、強(qiáng)度、熱塑性略高于W6M o5Cr 4V2，此鋼種易軋易鍛，具有良好的切削，此鋼種易軋易鍛，具有良好的切削性能性能二、高性能高速鋼二、高性能高速鋼高性能高速鋼高性能高速鋼是指在普通高速鋼中加是指在普通高速鋼中加一

14、些鈷、釩、一些鈷、釩、鋁等合金元素及增加一些含碳量鋁等合金元素及增加一些含碳量，進(jìn)一步提高耐，進(jìn)一步提高耐磨性和耐熱性的新型高速鋼。一般加熱到磨性和耐熱性的新型高速鋼。一般加熱到630650仍可保持仍可保持60HRC的硬度，因此切的硬度，因此切削性能優(yōu)于普通高速鋼，壽命是普通高速鋼的削性能優(yōu)于普通高速鋼，壽命是普通高速鋼的153倍。適合于高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金、倍。適合于高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金、不銹鋼等難加工材料的切削加工。我國最常用的不銹鋼等難加工材料的切削加工。我國最常用的高性能高速鋼有鈷高速鋼和鋁高速鋼，典型牌號高性能高速鋼有鈷高速鋼和鋁高速鋼，典型牌號有有W2M o9Cr 4V

15、2 Co8、W 6M o5Cr 4V2Al等。等。1 W2M o9Cr 4V2 Co8（簡稱（簡稱M42）屬于屬于鈷高速鈷高速鋼鋼。它具有良好的綜合性能，硬度高達(dá)。它具有良好的綜合性能，硬度高達(dá)HRC6769，600達(dá)達(dá)HRC55，因此能適用于較高的切削速度。，因此能適用于較高的切削速度。但這種鋼由于鈷含量較高（我國鈷主要靠進(jìn)口），但這種鋼由于鈷含量較高（我國鈷主要靠進(jìn)口），價(jià)格昂貴。價(jià)格昂貴。2 W 6M o5Cr 4V2Al（簡稱（簡稱501）為我國獨(dú)創(chuàng)的）為我國獨(dú)創(chuàng)的含鋁無鈷的超硬高速鋼含鋁無鈷的超硬高速鋼，其高溫硬度、抗彎強(qiáng)度和，其高溫硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性均與沖擊韌性均與M42相當(dāng)

16、，具有優(yōu)良的切削性能。因相當(dāng)，具有優(yōu)良的切削性能。因不含鈷，加工成本低，適合我國國情，已在我國推不含鈷，加工成本低，適合我國國情，已在我國推廣使用。但廣使用。但501鋼熱敏感性較強(qiáng)，因此其熱處理工鋼熱敏感性較強(qiáng)，因此其熱處理工藝要求較高。藝要求較高。三、粉末冶金高速鋼三、粉末冶金高速鋼 碳化物偏析碳化物偏析是影響熔煉高速鋼制造質(zhì)量的主要原因。是影響熔煉高速鋼制造質(zhì)量的主要原因。采用粉末冶金法可解決此問題，提高刀具質(zhì)量。采用粉末冶金法可解決此問題，提高刀具質(zhì)量。 粉末冶金高速鋼用高壓惰性氣體（如氬氣或純氮?dú)猓⒎勰┮苯鸶咚黉撚酶邏憾栊詺怏w（如氬氣或純氮?dú)猓⑷廴诘匿撘红F化成粉末，再經(jīng)過高溫高壓下

17、燒結(jié)制成鋼熔融的鋼液霧化成粉末，再經(jīng)過高溫高壓下燒結(jié)制成鋼坯或刀坯后，再經(jīng)軋制（或鍛造）成材。坯或刀坯后，再經(jīng)軋制（或鍛造）成材。 粉末冶金高速鋼克服了熔煉高速鋼產(chǎn)生的碳化物偏析粉末冶金高速鋼克服了熔煉高速鋼產(chǎn)生的碳化物偏析現(xiàn)象，得到現(xiàn)象，得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織細(xì)小均勻的結(jié)晶組織，可以提高鋼的硬度、，可以提高鋼的硬度、強(qiáng)度；減小熱處理變形并改善了磨削加工性。強(qiáng)度；減小熱處理變形并改善了磨削加工性。 粉末冶金高速鋼適合制造精密復(fù)雜的刀具和斷續(xù)切削粉末冶金高速鋼適合制造精密復(fù)雜的刀具和斷續(xù)切削的刀具。目前此類高速鋼成本較高，應(yīng)用尚少。但今后的刀具。目前此類高速鋼成本較高，應(yīng)用尚少。但今后可能成為制

18、造斷續(xù)切削刀具的主要材料?？赡艹蔀橹圃鞌嗬m(xù)切削刀具的主要材料。四、涂層高速鋼四、涂層高速鋼 涂層刀具材料是在刀具材料（如高速鋼或硬質(zhì)合金）的涂層刀具材料是在刀具材料（如高速鋼或硬質(zhì)合金）的基體上，涂上一層幾微米厚的基體上，涂上一層幾微米厚的高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性的金屬化的金屬化學(xué)物而構(gòu)成的。這種刀具材料既有學(xué)物而構(gòu)成的。這種刀具材料既有基體的強(qiáng)度韌性，又使基體的強(qiáng)度韌性，又使表面有更高的硬度和耐磨性表面有更高的硬度和耐磨性，性能優(yōu)異。自，性能優(yōu)異。自60年代出現(xiàn)以年代出現(xiàn)以來發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。來發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。涂層高速鋼是用涂層高速鋼是用物理氣相沉積法物理氣相沉積法（PVD）在高速鋼刀具基體上）在高速鋼刀具基體上涂覆一薄層涂覆一薄層TiN而成的刀具材料。由于基體是強(qiáng)度、韌性較好而成的刀具材料。由于基體是強(qiáng)度、韌性較好的高速鋼，表層是硬度和耐磨性很高的的高速鋼，表層是硬度和耐磨性很高的TiN涂層，同時(shí)涂層，同時(shí)TiN涂層涂層有較高的熱穩(wěn)定