《金属切削原理与刀具设计课件2刀具材料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属切削原理与刀具设计课件2刀具材料.ppt（25页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、,第二章 刀具材料,金属切削原理与刀具,石家庄铁道学院,1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性,2.1 概述,刀具材料对刀具的寿命、加工质量、切削效率和制造成本均有较大的影响刀具切削部分在切削时要承受高温、高压、强烈的摩擦、冲击和振动,2.1 概述,2.1 概述,刀具材料种类很多，常用的有：碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷金刚石（天然和人造）立方氮化硼等,2.2 刀具材料,工具钢,碳素工具钢是指含碳0.65%-1.35%的优质高碳钢。常用T12A。特点：耐热性差 应用：常用于制造各种手工与低速工具。（如锉刀）,2.2.1 工具钢与合金工具钢,合
2、金工具钢,合金工具钢是指在高碳钢中加入Si、W、Mn等合金元素（一般不超过3%-5%），可提高淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。常用9SiCr、CrWMn。应用：常用于制造各种低速工具。（如丝锥、板牙）,高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。别名：（风钢）良好的淬透性，空气中冷却就可得到高硬度。（锋钢）刃容锋利。（白钢）磨光后，表面光亮。,2.2.2 高速钢,特点 1）较高的热稳定性：切削温度高达500-650，与碳素工具钢，合金工具钢相比，切削速度提高1-3倍，耐用度提高10-40倍，可加工有色金属至高温合金（范围广）。2）高强度，韧性：抗弯强度为硬质合金的2
3、-3倍数，是陶瓷的5-6倍，韧性比它们高几十倍。3）一定的硬度（HRC63-70）：耐磨性好，适合各类切削刀具的要求，也可用于在刚性较差的机床上加工。4）可加工性好，热处理变形较小。5)材料性能较硬质合金和陶瓷稳定，在自动机床上使用可靠。因此，尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢仍占现用刀具材料的一半以上。,2.2.2 高速钢,分类,2.2.2 高速钢,普通高速钢 常用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V 高性能高速钢 再加入一些合金、性能高。如W6MoSCr4V2、W6MoSCr4V3，比通用型高速钢具有更好的切削性能，适合于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钍合金和高强度铡等难加工材料。粉末冶金
4、高速钢 制造工艺不同，其性能优于上述的高速钢。,普通高速钢,分钨钢，钨钼钢两类，V不高于40-60%。钨钢 W18Cr4V（1841）此牌号国内普遍使用，性能稳定，刃磨、热处理工艺控制较方便，国外钨价高，很少使用。综合性能好，600，HRC48.5，用以制造各种复杂刀具。优点：（1）淬火时过热倾向小。（2）含钒少，磨加工性好。（3）碳化物含量高，塑性变形抗力较大 缺点：（1）碳化物分布不均匀，剩余碳化物颗粒大（最大30m），影响薄刃刀具或小截面刀具的耐用度。（2）强度和韧性，显得不够，此材料直径30mm，抗弯强度3.5Ga；直径6080mm，抗弯强度22.3Ga，适宜做小截面刀具，此时强度，韧
5、性才是满意的。（3）热塑性差，很难用作热成形法制造的刀具（如热轧钻头）。,2.2.2 高速钢,普通钢高速,钨钼钢 W6M05Cr4V2（6542），因为缺钨而产生优点（1）合金元素少，减少了碳化物数量及分布不均匀性，有利于提高高温塑性、抗弯强度、冲击韧性，抗弯强度比W18高1015%，韧性高5060%。（2）可加大截面刀具，可做尺寸较大，承受冲击力较大的刀具。缺点 淬火温度范围窄，脱碳，过热敏感性大，主要用于热轧刀具（扭槽，麻花钻）,2.2.2 高速钢,应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。高速钢的表面处理与涂层表面化学处理：提高刀具的切削性能 如：（氧氮化
6、处理）：将刀具成品置于氨气和水蒸气的混和体中，540560保温12小时，形成0.003mmFe3O4氧化膜，内层为氧、氮、碳扩散层：厚。HV1000以上，耐用度提高60%-70%。涂层：物理气相沉积TiN涂层 550以下高真空下进行，钛气化与氮反应，生成TiN（0.002mm），HRC80以上，切削力，切削温度下降25%，Vf提高一倍，耐用度显著提高。重磨后，性能仍优于普通高速钢。,2.2.2 高速钢刀具材料,2.2.2 高速钢,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和
7、陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸
8、铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1
9、000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。性能硬度可达8993HRA（74-82HRC）切削温度达8001000切削速
10、度可达100300mmin韧性差，抗弯强度低，不能承受较大的冲击载荷,2.2.3 硬质合金,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性
11、为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合
12、金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取
13、得良好的使用效果。,特点 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。,应用 硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。,2.2.3 硬质合金,分类和使用性能 ISO（国际标准化组织）将切削用硬质合金分三类：P类：用于加工长切屑的黑色金属，如普通碳钢、合金钢等，相当于我国的YT类。牌号有P01、P10、P20、P30、P50等。精
14、加工可用P01，半精加工选用Pl0、P20，粗加工宜用P30。K类：用于加工短切屑的黑色金属，有色金属和非金属材料，相当于我国的YG类。其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等，精加工可用K01，半精加工选用K10，粗加工宜用K30M类：具有较好的综合切削性能，用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属，如普通碳钢、铸钢、冷硬铸铁、耐热钢、高锰钢、有色金属等，相当于我国的YW类。其牌号有M10、M20、M30、M40，精加工可用M10，半精加工选用M20，粗加工宜用M30 现代加工材料中 9095%可用P和K类硬质合金加工，510%可用M类硬质合金加工。,2.2.3 硬质合金,YG：钨钴类
15、硬质合金（WC+Co）硬质合金 主要牌号：YG3x、YG6x、YG6、YG8，分别含Co为3%、6%、6%、8%特点：抗弯强度与韧性比YT高，导热性高，加工性好，刃口容易磨得锋利，硬度差。Co越高韧性越好，用于粗加工，反之Co越低，用于精加工。适宜加工材料：铸铁、有色金属和非金属材料。,2.2.3 硬质合金,YT：钨钛钴类（WC+TiC+Co）主要牌号 YT5、YT14、YT15、YT30数字为TiC含量。碳化钛含量分别为：5%、14%、15%、30%。钴含量分别为：10%、8%、6%、4%。适宜加工材料：钢,2.2.3 硬质合金,超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金
16、刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK800012000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.483.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700800。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精
17、度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK65008000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的
18、不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV 30004500间变动，其耐热性达1200左右，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。,2.2.3 硬质合金,陶瓷刀具材料,陶瓷材料是以AL2O3为主要成份，在高温下，烧结而成的一种刀具材料。常用陶瓷包括：1）纯AL2O3
19、陶瓷 2）AL2O3TiC混和陶瓷,2.2.4 陶瓷刀具材料,特点很高的硬度与耐磨性，HRA9195，高于硬质合金。使用良好时，有很高的耐用度。很高的耐热性，760 HRA87，1200 HRA80，切削速度比硬质合金高25倍，抗弯强度，韧性下降极小。很高的化学稳定性，与金属亲和力小，抗粘结，抗扩散，抗氧化能力强。较低的摩擦系数，切屑不易粘刃，不易产生积屑瘤，加工表面粗糙度较小。,主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。导热率低，1/21/5，不宜温度波动，不 能用切削液。,2.2.4 陶瓷刀具材料,天然金刚石是自然界最硬的材料，耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01m，刀具寿命
20、可达数百小时。因价格昂贵，主要用于高速、精密加工。聚晶金刚石由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，硬度比天然金刚石略低（HK65008000），价格便宜，焊接方便，可磨削性好，已成为金刚石刀具主要材料。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶立方氮化硼（CBN）由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。硬度为HV 30004500，耐热性达1200，化学惰性很好，在1000的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。,2.2.5 超硬刀具材料,2.2.6 刀具材料性能对比,在熟悉工件与刀具材料特性的基础上，使被选用的
21、刀具材料与工件材料相互“匹配”。既做到充分发挥刀具特性，又能较经济的满足加工要求。值得说明的是，加工一般材料大量使用的仍是普通高速钢与硬质合金。只有加工难加工材料才有必要选用新牌号合金或高性能高速钢，加工高硬度材料或精密加工时才需选用超硬材料。孔加工刀具、铣刀和螺纹刀具这一类普通刀具，制造工艺较为简单，精度要求较低，材料费用占刀具成本的比重较大；常采用W6MoSCr4V2、W18Cr4V等通用型高速钢。拉刀、齿轮刀具些复杂刀具，由于制造精度高，制造费用占刀具成本的比重较大，宜采用硬度和耐磨性均较高的高性能高速钢。,2.2.7 刀具材料选择要求,2.3 刀具材料发展方向,1、尽可能根据我国资源情况，发展或代用某些 新材料。2、改善现有刀具材料的切削性能。3、发展界于现有高速钢与硬质合金之间的材料。4、发展通用性广的合金。5、发展复合刀具材料。6、发展耐热、高硬度、高强度，能加工难加工 材料的其他新型刀具材料。,
