刀具材料的選用及新材料

刀具材料的選用及新材料主講：邵超城本講座共分為三個(gè)部分第一部分、介紹金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)第二部分、刀具材料的種類以及性質(zhì)第三部分、切削加工及刀具技術(shù)的展望第一部分、金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)前言材料是人類活動(dòng)的基礎(chǔ)，材料的發(fā)展是人類發(fā)展的標(biāo)志。人類歷史時(shí)代劃分：石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代。當(dāng)今，材料仍然是科學(xué)與工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，先進(jìn)材料是當(dāng)代文明的主要支柱之一。工程材料的分類：金屬材料、無機(jī)材料（最主要的是工程陶瓷）、高分子材料以及復(fù)合材料。近幾十年來，金屬材料”一統(tǒng)天下”部分被其他材料取代金屬材料正朝著高性能化、復(fù)合化、多功能化和智能化方向發(fā)展。一、金屬的性能金屬的使用性能：使用條件下所表現(xiàn)出來的性能。包括物理性能（密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學(xué)性能、力學(xué)性能。金屬的工藝性能：在加工制造過程中表現(xiàn)出來的各種性能。直接影響零件的制造工藝與質(zhì)量。包括：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等。第一節(jié)金屬的力學(xué)性能一、強(qiáng)度二、塑性三、硬度四、沖擊韌性五、疲勞強(qiáng)度一、強(qiáng)度定義：指金屬在靜載荷作用下，抵抗變形或斷裂的能力。是機(jī)械零件（工程構(gòu)件）在設(shè)計(jì)、加工、使用過程中的主要性能指標(biāo)，特別是選材和設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。強(qiáng)度的測(cè)定－－－－拉伸試驗(yàn)1、拉伸試樣（GB6397-86）長(zhǎng)試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d02、拉伸試驗(yàn)設(shè)備3、力——伸長(zhǎng)曲線屈服階段彈性變形階段強(qiáng)化階段頸縮現(xiàn)象4、金屬材料的拉伸曲線

ΔLF0脆性材料在斷裂前沒有明顯的屈服現(xiàn)象低碳鋼脆性材料4、強(qiáng)度指標(biāo)1.屈服點(diǎn)：在拉伸試驗(yàn)過程中，載荷不增加，試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σs表示。計(jì)算公式σs=Fs/A0脆性材料的屈服點(diǎn)：試樣卸除載荷后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)的應(yīng)力，用符號(hào)σ0.2表示。計(jì)算公式σ0.2=F0.2/A0應(yīng)用：σs和σ0.2常作為零件選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)2.抗拉強(qiáng)度材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，用符號(hào)σb表示。計(jì)算公式σb=Fb/A0應(yīng)用：脆性材料制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)的選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。二、塑性（一）定義金屬材料斷裂前發(fā)生永久變形的能力。（二）衡量指標(biāo)伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比。斷面收縮率：試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。伸長(zhǎng)率（δ）δ=l0——試樣的原始標(biāo)距,mm。l1——試樣拉斷后的標(biāo)距,mm;斷面收縮率（Ψ）Ψ=S0——試樣原始橫截面積,mm2；S1——頸縮處的橫截面積,mm2

三、硬度

（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）維氏硬度（一）布氏硬度（HB）

測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。優(yōu)缺點(diǎn)：壓痕大，測(cè)量準(zhǔn)確，但不能測(cè)量成品件。（二）洛氏硬度（HR）

1.原理

加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值應(yīng)用范圍

常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍HRA120°金剛石圓錐體600N70~85HRB1.588mm鋼球1000N25~100HRC120°金剛石圓錐體1500N20~67

優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，效率高，可直接測(cè)量成品件及高硬度的材料。缺點(diǎn)：壓痕小，測(cè)量不準(zhǔn)確，需多次測(cè)量。（3）維氏硬度計(jì)維氏硬度（HV）以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值（HV）四、沖擊韌性

（一）定義金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。（二）沖擊試樣（三）沖擊試驗(yàn)原理及方法試驗(yàn)原理：試樣被沖斷過程中吸收的能量即沖擊吸收功（Ak）等于擺錘沖擊試樣前后的勢(shì)能差。試驗(yàn)過程如圖所示計(jì)算公式Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）沖擊韌度（ak）：沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積。五、疲勞強(qiáng)度疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中大約80％以上屬于疲勞破壞。疲勞破壞之前沒有明顯的變形，斷裂是突然發(fā)生的。所以疲勞破壞經(jīng)常造成重大事故。構(gòu)件疲勞試驗(yàn)機(jī)第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)2、金屬的結(jié)晶3、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1、金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬在固態(tài)下原子呈有序、有規(guī)則排列。晶體有規(guī)則的原子排列，主要是由于各原子之間的相互吸引力與排斥力相平衡。晶體特點(diǎn)：

（1）有固定熔點(diǎn)，

（2）原子呈規(guī)則排列，宏觀斷口有一定形態(tài)且不光滑

（3）各向異性，由于晶體在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶體在不同方向上的性能也不一樣。三種常見的晶格及分析（1）體心立方晶格：鉻，釩，鎢，鉬，α-Fe。（2）面心立方晶格：鋁，銅，鉛，銀，γ-Fe。

（3）密排六方晶格：鎂，鋅。

用以描述原子在晶體中排列的空間格子叫晶格

體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格2、金屬的結(jié)晶結(jié)晶的概念：金屬材料通常需要經(jīng)過熔煉和鑄造，要經(jīng)歷有液態(tài)變成固態(tài)的凝固過程。金屬由原子的不規(guī)則排列的液體轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的固體過程稱為結(jié)晶。結(jié)晶過程：不斷產(chǎn)生晶核和晶核長(zhǎng)大的過程冷卻曲線：過冷現(xiàn)象：實(shí)際上有較快的冷卻速度。

過冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差，過冷度。金屬結(jié)晶后晶粒大小一般來說，晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度和硬度越高，塑性韌性越好為了提高金屬的力學(xué)性能，必須控制金屬結(jié)晶后晶粒的大小。細(xì)化晶粒的根本途徑：控制形核率及長(zhǎng)大速度。細(xì)化晶粒的方法：（1）

增大過冷度，增加晶核數(shù)量

（2）

加入不熔物質(zhì)作為人工晶核

（3）

機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)和電磁振動(dòng)金屬晶體缺陷金屬材料以肉眼觀察其外表似乎是完美的；實(shí)際不然，金屬晶體含有許多缺陷，這些缺陷可分類為點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷。這些缺陷對(duì)金屬材料的性質(zhì)有很重要的影響。點(diǎn)缺陷

金屬最簡(jiǎn)單形式的點(diǎn)缺陷就是空孔空孔是最簡(jiǎn)單形式的點(diǎn)缺陷，原子在結(jié)晶格子位置上消失點(diǎn)缺陷

間隙原子點(diǎn)缺陷

置代原子線缺陷

線缺陷一般通稱為「差排」(dislocation)。差排的產(chǎn)生主要與金屬在機(jī)機(jī)加工時(shí)的塑性變形有關(guān)；亦即金屬塑性變形量愈大，差排也就愈多。面缺陷

金屬的缺陷有：外表面、晶粒界面（簡(jiǎn)稱晶界）及疊差等。金屬晶體缺陷金屬晶體的這些缺陷都會(huì)造成晶格畸變，引起塑性變形抗力增大，從而使金屬的強(qiáng)度提高。3、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬在結(jié)晶完成后的繼續(xù)冷卻中，其晶體結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化，如鋁、銅等。也有少數(shù)金屬如鐵、鈦、錫、錳等。這種金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。

δ-Fe

1394℃γ-Fe

912℃

α-Fe因?yàn)殍F能發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，在生產(chǎn)中才有可能對(duì)鋼和鑄鐵進(jìn)行各種熱處理，改變它的組織與性能，以發(fā)揮材料的潛力。第三節(jié)合金金屬材料之晶體結(jié)構(gòu)隨著外界溫度的改變而變化，這現(xiàn)象稱為「相變態(tài)」。大多數(shù)的純金屬在其固態(tài)溫度範(fàn)圍都保持同一種晶體結(jié)構(gòu)；只有少數(shù)純金屬例如純鐵在溫度高於912℃由體心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)，又在溫度高於1394℃由面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為體心立方結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)金屬材料都不是純金屬，而是二種以上不同金屬組成，通稱合金。相變態(tài)則在一般合金普遍常見。純金屬一般強(qiáng)度低，工業(yè)生產(chǎn)中大量使用的金屬材料都是合金，碳鋼，合金鋼，鑄鐵，鋁鎂合金。1、合金概念由兩種或兩種以上的金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。2合金結(jié)構(gòu)（1）固溶體

指溶質(zhì)的原子溶入溶劑原子的晶格中或取代了栽些溶劑原子的位置，而仍保持溶劑原子晶格類型的一種成分和性能均勻的固態(tài)合金。

如鐵素體是碳在固溶體中的混合物。

（2）金屬化合物

合金組元間按一定的原子數(shù)量之比，相互化合而成的一種具有金屬特性的新相，稱為金屬化合物。如Fe3C（滲碳體）

（3）機(jī)械混合物（混合物）

由兩種或兩種以上的相機(jī)械地混合在一起而組成的一種多相組織。

如珠光體是滲碳物與鐵素體的混合物。

（1）固溶體固態(tài)合金之原子排列結(jié)構(gòu)可視為猶如不同液體混合而成的溶液，因此固態(tài)合金可以稱為「固溶體」主要成分的金屬原子稱為溶劑原子，而微量（或少量）成分的金屬原子稱為溶質(zhì)原子分為：間隙固溶體、置換固溶體置換固溶體鎳原子與銅原子組成固溶體間隙固溶體原子及間隙原子的示意圖固溶強(qiáng)化合金由於其結(jié)晶含有外來原子，使得差排在晶體裡面變得較難移動(dòng)，因此合金比純金屬的強(qiáng)度為高，這種固溶體造成金屬的強(qiáng)化，稱為「固溶強(qiáng)化」。3、鐵碳合金鐵碳合金的基本組織：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體，碳溶解到α——鐵中的固溶體叫鐵素體，溶解到γ——鐵中的固溶體叫奧氏體。鐵素體與奧氏體都具有良好的塑性。當(dāng)鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時(shí)，剩余出來的碳將與鐵形成化合物——碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。（1）鐵素體碳溶解到α－鐵中形成的間隙固溶體叫鐵素體。用符號(hào)F來表示。碳在α－鐵中的溶解度很小，在727℃僅為0.0218%。隨著溫度的降低而降低，在室溫下幾乎為零。鐵素體的性能與純鐵相似，具有良好的韌性與塑性，強(qiáng)度和硬度較低。（2）奧氏體碳溶解到γ－鐵中的間隙固溶體叫奧氏體。用符號(hào)A來表示。由于奧氏體的晶格間隙比較大，故其的溶碳能力較強(qiáng)。在1148℃時(shí)的溶碳量可達(dá)2.11％，在727℃時(shí)溶碳量為0.77％。具有良好的塑性與韌性，強(qiáng)度與硬度不高。是大多數(shù)鋼在高溫進(jìn)行鍛造和軋制時(shí)所要求的組織。(3)滲碳體碳與鐵形成化合物——碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。是一個(gè)硬而脆的組織。滲碳體的含碳量為6.69％。熔點(diǎn)為1227℃。滲碳體在適當(dāng)條件下能分解為鐵和石墨。（4）珠光體珠光體是鐵素體與滲碳體的混合物。用符號(hào)P來表示。在緩慢冷卻條件下，其含碳量為0.77％。即相當(dāng)于合金中滲碳體（碳化鐵）約占12%，鐵素體約占88%。含碳量正好是0.77%的鋼就叫做共析鋼，它的組織是珠光體。珠光體的性能介于鐵素體與滲碳體之間:強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定塑性。（5）萊氏體萊氏體是含碳量為4.3％的液態(tài)鐵碳合金，在1148℃時(shí)從液相中同時(shí)結(jié)晶出的奧氏體與滲碳體的混合物。用符號(hào)Ld表示。在低溫下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，又叫低溫萊氏體。萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。4、合金相圖合金狀態(tài)圖即合金結(jié)晶過程的簡(jiǎn)明圖解，反映在平衡條件下不同成分合金在不同溫度下所存在的相及其相平衡關(guān)系，以了解合金在溫度變化時(shí)的相變過程及組織形成的規(guī)律。是分析合金組織、確定熱加工工藝、預(yù)測(cè)材料性能的依據(jù)。

（1）二元合金狀態(tài)圖的建立通過實(shí)驗(yàn)建立的以Pb-Sb合金為例（1）首先配制幾組成分不同的Pb-Sb合金，然后作出它們的冷卻曲線

（2）作出每個(gè)合金的冷卻曲線，并找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)（即停歇點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)）

（3）作一個(gè)以溫度為縱坐標(biāo)（單位為℃），以合金成分為橫坐標(biāo)（單位為重量或原子百分?jǐn)?shù)）的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，并自橫坐標(biāo)上各成分點(diǎn)作垂直線——成分垂線，然后把每個(gè)合金冷卻曲線上的臨界點(diǎn)分別標(biāo)在各合金的成分垂線上。（4）將各成分垂線上具有相同意義的點(diǎn)連接成線，并根據(jù)已知條件分析結(jié)果作標(biāo)記。鉛－銻合金相圖PbSbT/℃Sb%利用相圖判斷合金的性能（1）利用相圖判斷合金力學(xué)性能利用相圖可確定合金在某一溫度下的相平衡關(guān)系，計(jì)算各相相對(duì)量，再根據(jù)各相的性質(zhì)，大致判斷合金性能。（2）利用相圖判斷合金工藝性能

(2)鐵碳合金相圖FeFe3C00.77%2.11%4.3%6.69%91215381148727GSECAD1227F+PPP+Fe3CALL＋A鐵碳合金相圖的意義C點(diǎn)是共晶點(diǎn)S點(diǎn)是共析點(diǎn)（共析鋼）G點(diǎn)是純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)A點(diǎn)是純鐵的熔點(diǎn)D點(diǎn)是滲碳體的熔點(diǎn)鐵碳合金的成分、組織與性能關(guān)系鐵碳合金的室溫組織都是由鐵素體與滲碳體組成。隨著含碳量的增加，鐵素體的含量減少，滲碳體的含量增加，鋼的強(qiáng)度與硬度增加，塑性與韌性下降。結(jié)論：組織決定性能。鐵碳合金相圖的應(yīng)用選用鋼材料的依據(jù)制定鑄、鍛和熱處理等熱加工工藝的依據(jù)。第四節(jié)鋼的熱處理熱處理的定義：將固態(tài)的金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面熱處理。根本原因：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變加熱的目的：獲得奧氏體1、退火將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時(shí)間，然后使它慢慢冷卻，稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發(fā)生相變或部分相變的溫度，經(jīng)過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的：是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化以及細(xì)化晶粒，提高鋼的力學(xué)性能，減少殘余應(yīng)力；同時(shí)可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，又為后續(xù)工序作好準(zhǔn)備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預(yù)先熱處理。退火的方法：完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火

2、正火鋼的正火：正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。目的：它能消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對(duì)于亞共析鋼正火可細(xì)化晶格，提高綜合力學(xué)性能，對(duì)要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經(jīng)濟(jì)的。

3、淬火.鋼的淬火：淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，但要減少其塑性。淬火中常用的淬火劑有：水、油、堿水和鹽類溶液等。4、回火.鋼的回火：將已經(jīng)淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻稱為回火。目的：消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和脆性，以取得預(yù)期的力學(xué)性能?；鼗鸱指邷鼗鼗稹⒅袦鼗鼗鸷偷蜏鼗鼗鹑?。回火多與淬火、正火配合使用。⑴調(diào)質(zhì)處理：淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調(diào)質(zhì)處理。高溫回火是指在500-650℃之間進(jìn)行回火。調(diào)質(zhì)可以使鋼的性能，材質(zhì)得到很大程度的調(diào)整，其強(qiáng)度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機(jī)械性能。⑵時(shí)效處理：為了消除精密量具或模具、零件在長(zhǎng)期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度150-250℃）精加工前，把工件重新加熱到100-150℃，保持5-20小時(shí)，這種為穩(wěn)定精密制件質(zhì)量的處理，稱為時(shí)效。對(duì)在低溫或動(dòng)載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。5、表面熱處理常用的方法：⑴表面淬火、⑵化學(xué)熱處理目的：滿足某些零件表面的高硬度和耐磨性，心部具有足夠的塑性與韌性的需要。⑴表面淬火定義：是將鋼件的表面通過快速加熱到臨界溫度以上，但熱量還未來得及傳到心部之前迅速冷卻，這樣就可以把表面層被淬在馬氏體組織，而心部沒有發(fā)生相變，這就實(shí)現(xiàn)了表面淬硬而心部不變的目的。適用于中碳鋼。加熱方法：火焰加熱、感應(yīng)加熱⑵化學(xué)熱處理定義：是指將化學(xué)元素的原子，借助高溫時(shí)原子擴(kuò)散的能力，把它滲入到工件的表面層去，來改變工件表面層的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到使鋼的表面層具有特定要求的組織和性能的一種熱處理工藝。按照滲入元素的種類不同，化學(xué)熱處理可分為滲碳、滲氮、氰化和滲金屬法等四種。三個(gè)基本過程：分解、吸收、擴(kuò)散滲碳滲碳：滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。滲氮滲氮：又稱氮化，是指向鋼的表面層滲入氮原子的過程。其目的是提高表面層的硬度與耐磨性以及提高疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性等。目前生產(chǎn)中多采用氣體滲氮法。

氰化：又稱碳氮共滲，是指在鋼中同時(shí)滲入碳原子與氮原子的過程。它使鋼表面具有滲碳與滲氮的特性。滲金屬滲金屬：是指以金屬原子滲入鋼的表面層的過程。它是使鋼的表面層合金化，以使工件表面具有某些合金鋼、特殊鋼的特性，如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。生產(chǎn)中常用的有滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硅等。第五節(jié)常用金屬材料牌號(hào)表示方法

機(jī)械零件所用金屬材料多種多樣，為了使生產(chǎn)、管理方便、有序，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同金屬材料規(guī)定了它們牌號(hào)的表示方法，以示統(tǒng)一和便于采納、使用?，F(xiàn)將常用金屬材料牌號(hào)表示方法作一些簡(jiǎn)單介紹。一、鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法(參照GB/T221—2000)1.標(biāo)準(zhǔn)的基本概況GB/T221—2000標(biāo)準(zhǔn)是參照國(guó)外鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法和國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法變化(如Q345代替16Mn)等情況修訂后，于2000年4月1日發(fā)布，并于2000年11月1日開始實(shí)施。2、鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法的基本原則(1)凡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵產(chǎn)品的牌號(hào)均應(yīng)按GB/T221—2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的牌號(hào)表示方法編寫。凡不符合規(guī)定編寫的鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)予以更改，一些新的鋼鐵產(chǎn)品，其牌號(hào)也應(yīng)按此予以編寫牌號(hào)。按合金含量分：低合金鋼（小于5％）、中合金鋼（5％－－10％）、高合金鋼（大于10％）。3、鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法示例及說明(1)生鐵牌號(hào)表示方法生鐵牌號(hào)采用表1中規(guī)定的符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。①阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均含硅量(以千分之幾計(jì))。例如：含硅量為2.75%～3.25%的鑄造用生鐵，其牌號(hào)表示為“Z30”；含硅量為0.85%～1.25%的煉鋼用生鐵，其牌號(hào)表示為“L10”。②含釩生鐵和脫碳低磷粒鐵，阿拉伯?dāng)?shù)字分別表示釩和碳的平均含量(均以千分之幾計(jì))。例如：含釩量不小于0.40%的含釩生鐵，其牌號(hào)表示為“F40”；含碳量為1.20%～1.60%的煉鋼用脫碳低磷粒鐵，其牌號(hào)表示為“TL14”。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)組成中，鎮(zhèn)靜鋼符號(hào)“Z”和特殊鎮(zhèn)靜鋼符號(hào)“TZ”可以省略，例如：質(zhì)量等級(jí)分別為C級(jí)和D級(jí)的Q235鋼，其牌號(hào)表示應(yīng)為Q235CZ和Q235DTZ，但可以省略為Q235C和Q235D。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼有鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，但牌號(hào)尾部不加寫表示脫氧方法的符號(hào)。②專用結(jié)構(gòu)鋼一般采用代表鋼屈服點(diǎn)的符號(hào)“Q”、屈服點(diǎn)數(shù)值和表1中規(guī)定的代表產(chǎn)品用途的符號(hào)等表示，例如：壓力容器用鋼牌號(hào)表示為“Q345R”；耐候鋼其牌號(hào)表示為：Q340NH。③根據(jù)需要，通用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)也可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字(以萬分之幾計(jì)平均含碳量)和標(biāo)準(zhǔn)的元素符號(hào)組成；專用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)，除一般組成外，尚應(yīng)加規(guī)定代表產(chǎn)品用途的符號(hào)。(3)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼牌號(hào)表示方法

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字(以萬分之幾計(jì)表示平均含碳量)或阿拉伯?dāng)?shù)字和元素符號(hào)、規(guī)定的符號(hào)組合成牌號(hào)。①沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，在牌號(hào)尾部分別加符號(hào)“F”和“b”。例如：平均含碳量為0.08%的沸騰鋼，其牌號(hào)表示為“08F”；平均含碳量為0.10%的半鎮(zhèn)靜鋼，其牌號(hào)表示為“10b”。②鎮(zhèn)靜鋼(S、P分別≤0.035%)一般不標(biāo)符號(hào)。例如：平均含碳量為0.45%的鎮(zhèn)靜鋼，其牌號(hào)表示為“45”。③較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，在表示平均含碳量的阿拉伯?dāng)?shù)字后加錳元素符號(hào)。例如：平均含碳量為0.50%，含錳量為0.70%～1.00%的鋼，其牌號(hào)表示為“50Mn”。④高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(S、P分別≤0.030%)，在牌號(hào)后加符號(hào)“A”。例如：平均含碳量為0.45%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其牌號(hào)表示為“45A”。⑤特級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(S≤0.020%、P≤0.025%)，在牌號(hào)后加符號(hào)“E”。例如：平均含碳量為0.45%的特級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其牌號(hào)表示為“45E”。優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼牌號(hào)的表示方法與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法相同(65、70、85、65Mn鋼在GB/T1222和GB/T699兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)分別存在)。(4)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼牌號(hào)表示方法①合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)采用阿拉伯?dāng)?shù)字和標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)元素符號(hào)表示。用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均含碳量(以萬分之幾計(jì))，放在牌號(hào)頭部。合金元素含量表示方法為：平均含量小于1.50%時(shí)，牌號(hào)中僅標(biāo)明元素，一般不標(biāo)明含量；平均合金含量為1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%、……時(shí)，在合金元素后相應(yīng)寫成2、3、4、5……。例如：碳、鉻、錳、硅的平均含量分別為030%、0.95%、0.85%、1.05%的合金結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)S、P含量分別≤0.035%時(shí)，其牌號(hào)表示為“30CrMnSi”。高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼(S、P含量分別≤0.025%)，在牌號(hào)尾部加符號(hào)“A”表示。例如：“30CrMnSiA”。特級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼(S≤0.015%、P≤0.025%)，在牌號(hào)尾部加符號(hào)“E”，例如：“30CrMnSiE”。專用合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)尚應(yīng)在牌號(hào)頭部(或尾部)加規(guī)定代表產(chǎn)品用途的符號(hào)。②合金彈簧鋼牌號(hào)的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。例如：碳、硅、錳的平均含量分別為0.60%、1.75%、0.75%的彈簧鋼，其牌號(hào)表示為“60Si2Mn”。高級(jí)優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，在牌號(hào)尾部加符號(hào)“A”，其牌號(hào)表示為“60Si2MnA”。（5）、易切削鋼牌號(hào)表示方法易切削鋼采用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)元素符號(hào)、規(guī)定的符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均含碳量(以萬分之幾計(jì))。①加硫易切削鋼和加硫、磷易切削鋼，在符號(hào)“Y”和阿拉伯?dāng)?shù)字后不加易切削元素符號(hào)。例如：平均含碳量為0.15%的易切削鋼，其牌號(hào)表示為“Y15”。②較高含錳量的加硫或加硫、磷易切削鋼在符號(hào)“Y”和阿拉伯?dāng)?shù)字后加錳元素符號(hào)。例如：平均含碳量為0.40%，含錳量為1.20%～1.55%的易切削鋼，其牌號(hào)表示為“Y40Mn”。③含鈣、鉛等易切削元素的易切削鋼，在符號(hào)“Y”和阿拉伯?dāng)?shù)字后加易切削元素符號(hào)。例如：“Y15Pb”、“Y45Ca”。（6）、工具鋼牌號(hào)表示方法工具鋼分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼三類。①碳素工具鋼采用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)元素符號(hào)、表1規(guī)定的符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字表示。阿拉伯?dāng)?shù)字表示平均含碳量(以千分之幾計(jì))。a.普通含錳量碳素工具鋼，在工具鋼符號(hào)“T”后為阿拉伯?dāng)?shù)字。例如：平均含碳量為0.80%的碳素工具鋼，其牌號(hào)表示為“T8”。b.較高含錳量的碳素工具鋼，在工具鋼符號(hào)“T”和阿拉伯?dāng)?shù)字后加錳元素符號(hào)。例如：“T8Mn”。c.高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，在牌號(hào)尾部加“A”。例如：“T8MnA”。②合金工具鋼和高速工具鋼合金工具鋼、高速工具鋼牌號(hào)表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法相同。采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合金元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，但一般不標(biāo)明平均含碳量數(shù)字，例如：平均含碳量為1.60%，含鉻、鉬，釩含量分別為11.75%、0.50%、0.22%的合金工具鋼，其牌號(hào)表示為“Cr12MoV”；平均含碳量為0.85%，含鎢、鉬、鉻、釩含量分別為6.00%、5.00%、4.00%、2.00%的高速工具鋼，其牌號(hào)表示為“W6Mo5Cr4V2”。若平均含碳量小于1.00%時(shí)，可采用一位阿拉伯?dāng)?shù)字表示含碳量(以千分之幾計(jì))。例如：平均含碳量為0.80%，含錳量為0.95%，含硅量為0.45%的合金工具鋼，其牌號(hào)表示為“8MnSi”。低鉻(平均含鉻量＜1.00%)合金工具鋼，在含鉻量(以千分之幾計(jì))前加數(shù)字“0”。例如：平均含鉻量為0.60%的合金工具鋼，其牌號(hào)表示為“Cr06”。第二部分刀具材料的種類與性質(zhì)刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機(jī)床，還是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的性能是影響切削加工效率、精度、表面質(zhì)量等的決定性因素之一。在現(xiàn)代化加工過程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技術(shù)；隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，越來越多地采用超硬難加工材料，以提高機(jī)器設(shè)備的使用壽命和工作性能。隨著制造業(yè)的發(fā)展，刀具材料的發(fā)展經(jīng)歷了:高碳鋼-高速鋼-一般硬質(zhì)合金材料到現(xiàn)在的陶瓷材料、PCBN材料、新型硬質(zhì)合金及涂層硬質(zhì)合金、陶瓷刀具、金剛石刀具、立方氮化硼。由于新型刀具材料的應(yīng)用，從而使制造加工業(yè)得到了迅速的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、加工效率的提高和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，對(duì)刀具材料的性能也提出了愈來愈高的要求。第一節(jié)刀具材料必需具備性能性能優(yōu)良的刀具材料，是保證刀具高效工作的基本條件。刀具切削部分在強(qiáng)烈摩擦、高壓、高溫下工作，應(yīng)具備如下的基本要求。1)高硬度和高耐磨性

2)足夠的強(qiáng)度與沖擊韌性

3)高耐熱性

4)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

1)高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度才能切下金屬，這是刀具材料必備的基本要求，現(xiàn)有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削條件較復(fù)雜，材料的耐磨性還決定于它的化學(xué)成分和金相組織的穩(wěn)定性。2)足夠的強(qiáng)度與沖擊韌性

強(qiáng)度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎與刀桿折斷所應(yīng)具備的性能。一般用抗彎強(qiáng)度來表示。沖擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對(duì)矛盾，也是刀具材料所應(yīng)克服的一個(gè)關(guān)鍵。3)高耐熱性

耐熱性又稱紅硬性，是衡量刀具材料性能的主要指標(biāo)。它綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度、抗氧化、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力。4)良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性

為了便于制造，刀具材料應(yīng)有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當(dāng)然在制造和選用時(shí)應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前超硬材料及涂層刀具材料費(fèi)用都較貴，但其使用壽命很長(zhǎng)，在成批大量生產(chǎn)中，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件中的費(fèi)用反而有所降低。因此在選用時(shí)一定要綜合考慮。第二節(jié)常用刀具材料

1、高速鋼

2、硬質(zhì)合金

3、涂層刀具

4、陶瓷刀具5、金剛石刀具

6、立方氮化硼

1、高速鋼

高速鋼是一種加人了較多的鎢、鉻、釩、相等合金元素的高合金工具鋼，有良好的綜合性能。其強(qiáng)度和韌性是現(xiàn)有刀具材料中最高的。高速鋼的制造工藝簡(jiǎn)單，容易刃磨成鋒利的切削刃；鍛造、熱處理變形小，目前在復(fù)雜的刀具，如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。高速鋼可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。普通高速鋼，如W18Cr4v廣泛用于制造各種復(fù)雜刀具。其切削速度一般不太高，切削普通鋼料時(shí)為40—60m／min。高性能高速鋼，如W12Cr4V4Mo是在普通高速鋼中再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用度為普通高速鋼的1．5—3倍粉末冶金高速鋼是70年代投入市場(chǎng)的一種高速鋼，其強(qiáng)度與韌性分別提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我國(guó)尚處于試驗(yàn)研究階段，生產(chǎn)和使用尚少。高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷2、硬質(zhì)合金

在各種刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金起著主導(dǎo)作用，此外，其它刀具材料的性能也得到了顯著改善，擴(kuò)大了各自的應(yīng)用領(lǐng)域，形成了各種刀具材料既有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、使用范圍又相互取代補(bǔ)充的整體格局。正是刀具材料全面、迅速的發(fā)展為當(dāng)今高速、高效的金屬切削加工奠定了基礎(chǔ)。硬質(zhì)合金的性能不斷改進(jìn)，應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，成為切削加工的主要刀具材料，對(duì)推動(dòng)切削效率的提高起到了重要作用。按GB2075-87可分為P、M、K三類，P類硬質(zhì)合金主要用于加工長(zhǎng)切屑的黑色金屬，用藍(lán)色作標(biāo)志；M類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標(biāo)志，又稱通用硬質(zhì)合金，K類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，用紅色作標(biāo)志。P、M、K(后面的阿拉伯?dāng)?shù)字表示其性能和加工時(shí)承受載荷的情況或加工條件。數(shù)字愈小，硬度愈高，韌性愈差。P類相當(dāng)于我國(guó)原鎢鈦鉆類，主要成分為WC十TiC十Co，代號(hào)為YT。K類相當(dāng)于我國(guó)原鎢鉆類，主要成分為WC十Co，代號(hào)為YG。M類相當(dāng)于我國(guó)原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為WC+TiC+TaC(NbC)十Co，代號(hào)為YW。3、涂層刀具涂層刀具是近20年出現(xiàn)的一種新型刀具材料，是刀具發(fā)展中的一項(xiàng)重要突破，是解決刀具材料中硬度、耐磨與強(qiáng)度、韌性之間矛盾的一個(gè)有效措施。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。

品種繁多的PVD涂層刀具涂層刀具的應(yīng)用PCD刀具加工鋁合金缸蓋

WIDIA公司的曲軸高速銑刀

4、陶瓷刀具

陶瓷可能繼高速鋼、硬質(zhì)合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度為750~1000MPa)，耐磨性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗粘結(jié)性能良好，摩擦系數(shù)低且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1200°C時(shí)硬度達(dá)到HRA80。常用的有：氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。

陶瓷刀具能在切削加工的以下方面，顯示出其優(yōu)越性：1、可加工傳統(tǒng)刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度達(dá)HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，因而可免除退火加工所消耗的電力；并因此也可提高工件的硬度，延長(zhǎng)機(jī)器設(shè)備的使用壽命；2、不僅能對(duì)高硬度材料進(jìn)行粗、精加工，也可進(jìn)行銑削、刨削、斷續(xù)切削和毛坯拔荒粗車等沖擊力很大的加工；3、刀具耐用度比傳統(tǒng)刀具高幾倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數(shù)，保證被加工工件的小錐度和高精度；4、可進(jìn)行高速切削或?qū)崿F(xiàn)“以車、銑代磨”，切削效率比傳統(tǒng)刀具高3-10倍，達(dá)到節(jié)約工時(shí)、電力、機(jī)床數(shù)30-70%或更高的效果。5、金剛石刀具眾所周知，金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導(dǎo)熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700度，否則會(huì)發(fā)生石墨化現(xiàn)象，工具會(huì)很快磨損。因?yàn)榻饎偸诟邷叵潞蚖、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會(huì)發(fā)生反應(yīng)，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會(huì)發(fā)生化學(xué)磨損，所以，金剛石不能用于加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000oC的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時(shí)存在，起到了互補(bǔ)的作用、可以覆蓋當(dāng)前與今后發(fā)展的各種新型材料的加工，對(duì)整個(gè)切削加工領(lǐng)

金剛石刀具材料聚晶金剛石(PCD)：PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)．不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)。高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利。它可加丁各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。PCD焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜CVD厚膜抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差，人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差。厚膜金剛石不同于PCD之處是沒有結(jié)合劑，是純金剛石，所以它的硬度高得多，與天然金剛石不同，它具有各向同性，成本低，因此在許多方面將取代PCD。人工合成單晶金剛石人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差金剛石刀具分類(以車刀為例）6、立方氮化硼

立方氮化硼(CBN)是純?nèi)斯ず铣傻牟牧稀Ｋ?0世紀(jì)50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結(jié)性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼結(jié)塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高溫高壓下燒結(jié)而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300、1500度)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定件(遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石)和導(dǎo)熱性，低的摩擦系數(shù)。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬