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1、第2章 刀 具 材 料v2.1 刀具材料应具备的性能和种类v2.2 工 具 钢 v2.3 高 速 钢v2.4 硬 质 合 金v2.5 其他刀具材料2.1 刀具材料应具备的性能和种类v2.1.1 刀具材料应具备的性能 刀具在切削过程中，和工件直接接触的切削部分要承受极大的切削力，尤其是切削刃及紧邻的前、后刀面，长期处在切削高温环境中工作。并且切削中的各种不均匀、不稳定因素，还将对刀具切削部分造成不同程度的冲击和振动。如：切削钢材时，切屑对前刀面的挤压应力高达2FPa3FPa；高速切削钢材时切屑与前刀面接触区的温度常保持在800900，中心区甚至超过1000。为了适应如此繁重的切削负荷和恶劣的工作
2、条件，刀具材料应具备以下几方面性能。2.1 刀具材料应具备的性能和种类v1.足够的硬度和耐磨性 硬度是刀具材料应具备的基本性能。刀具硬度应高于工件材料的硬度，常温硬度一般须在60HRC以上。耐磨性是指材料抵抗磨损的能力，它与材料硬度、强度和组织结构有关。材料硬度越高，耐磨性越好；组织中碳化物和氮化物等硬质点的硬度越高、颗粒越小、数量越多且分布越均匀，则耐磨性越高。v2.足够的强度与韧性 切削时刀具要承受较大的切削力、冲击和振动，为避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。材料的强度和韧性通常用抗弯强度 和冲击值 表示。2.1 刀具材料应具备的性能和种类v3.较高的耐热性和传热性 耐热性：
3、指刀具材料在高温下保持足够的硬度、耐磨性、强度和韧性、抗氧化性、抗黏结性和抗扩散性的能力(亦称为热稳定性)。热硬性：材料在高温下仍保持高硬度的能力称为热硬性(亦称高温硬度、红硬性)，它是刀具材料保持切削性能的必备条件。刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，允许的切削速度越高。刀具材料的传热系数大，有利于将切削区的热量传出，降低切削温度。2.1 刀具材料应具备的性能和种类v4.较好的工艺性和经济性 为了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能，如热轧、锻造、焊接、热处理和机械加工等性能。v 注意：上述几项性能之间可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其强度和韧性较低)。没有一种刀具材料能具备所有性
4、能的最佳指标，而是各有所长。所以在选择刀具材料时应合理选用。各种刀具材料的主要物理力学性能见表2-1。2.1.2 刀具材料的分类 刀具材料可分为工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料(包括金刚石、立方氮化硼等)五大类。2.1 刀具材料应具备的性能和种类2.2 工 具 钢 2.2.1 碳素工具钢 碳素工具钢是含碳量为0.65%1.3%的优质碳素钢，常用钢号有T7A、T8A、T10A、T12A等。特点：工艺性能良好，经适当热处理，硬度可达60HRC64HRC，有较高的耐磨性，价格低廉。但热硬性差，在200300时硬度开始降低，故允许的切削速度较低(5m/min10m
5、/min)。应用：用于制造手用刀具、低速及小进给量的机用刀具。2.2 工 具 钢v2.2.2 合金工具钢 特点：合金工具钢是在碳素工具钢中加入适当的合金元素铬(Cr)、硅(Si)、钨(W)、锰(Mn)、钒(V)等炼制而成的(合金元素总含量不超过3%5%)，提高了刀具材料的韧性、耐磨性和耐热性。其耐热性达325400，所以切削速度(10m/min15m/min)比碳素工具钢提高了。应用：用于制造细长的或截面积大、刃形复杂的刀具，如铰刀、丝锥和板牙等。2.2 工 具 钢2.3 高 速 钢v 高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。在工厂中常称为白钢或锋钢。v 2.3.1 高速
6、钢的特点v 与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性很高，在切削温度高达500650时，仍能保持60HRC的高硬度，因此允许切削速度可提高l2倍(25m/min30m/min)。同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。2.3 高 速 钢v 与硬质合金相比，其最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。其退火硬度为207HBS255HBS，与优质中、高碳钢的退火硬度相近，能够用一般材料刀具顺利切削加工出各种复杂形状；在加热状态下(9001100)能反复锻打制成所需的毛坯；高速钢的抗弯强度是硬质合金的35倍，冲击韧性是硬质合金的610倍；经过仔细研磨，高速钢刀具钝圆半径可小于，其
7、锋利性比硬质合金优良。v 总之，高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多。v 应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。2.3 高 速 钢v2.3.2 常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类：普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。1.普通高速钢 特点：工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于40m/min60m/min。普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。(1)钨系高速钢。这类高速钢的典型牌号为W18Cr4V(简称W18)，含C量为0.7%0
8、.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此类高速钢综合性能较好，可制造各种复杂刃型刀具。2.3 高 速 钢v (2)钨钼系高速钢。它是以Mo代替部分W发展起来的一种高速钢，典型牌号是W6Mo5 Cr4V2(简称M2)，含碳量为0.8%0.9%，含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。v 与W18Cr4V相比，优点是碳化物含量相应减少，而且颗粒细小分布均匀，因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略有提高，适于制造尺寸较大、承受冲击力较大的刀具(如滚刀、插刀)；又因Mo的存在，使其热塑性非常好，故特别适于轧制或扭制钻头等热成形刀具。其主要缺点是可磨削性略低于W18Cr4V。2.3 高 速 钢v2.高性能高
9、速钢 高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co(钴)、Al(铝)等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的耐用度为普通高速钢的1.53倍。应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。(1)钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)。这是一种含Co超硬高速钢，常温硬度达67HRC69HRC，具有良好的综合性能。Co能提高高温硬度，相应地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。2.3 高 速 钢 (2)铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)。铝高速钢是我国研制的无钴高速钢，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、碳的含量，以提高钢的耐热性和
10、耐磨性，并使其强度和韧性不降低。v3.粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢：是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，或压制成钢坯然后经轧制(或锻造)成材的一种刀具材料。特点：与熔炼高速钢相比，由于碳化物细小，分布均匀，热处理变形小，因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均得到显著改善。应用：适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。2.3 高 速 钢2.4 硬 质 合 金v.4.1 硬质合金的组成与特点 硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金属黏结剂按粉末冶金工艺制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、Ta
11、C、NbC等，常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni等。硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点。因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性均超过高速钢，其缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，；由于硬质合金的常温硬度很高，很难采用切削加工方法制造出复杂的形状结构，故可加工性差。硬质合金的性能取决于化学成分、碳化物粉末粗细及其烧结工艺。2.4 硬 质 合 金v2.4.2 常用硬质合金的分类、性能及应用 硬质合金按化学成分可分为四类：钨钴类(YG类)、钨钴钛类(YT类)、含添加剂的硬质合金(YW类)、TiC基硬质合金(YN类)。其中前面三类的主要成分为WC，可统称为WC基硬质合金。(1)钨钴类硬质合金。YG3
12、、YG6X和YG8等。YG代表钨钴类硬质合金，后面数字表示Co的含量，细颗粒的硬质合金有较高的抗弯强度和耐磨性。应用：加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料。加工铸铁等脆性材料时，切屑呈崩碎状，对切削刃的冲击较大，切削力与切削热都集中在刀尖附近。而YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导热性较高，故可满足要求。2.4 硬 质 合 金 (2)钨钴钛类硬质合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示钨钴钛类硬质合金，数字表示TiC的含量。与YG类硬质合金相比，YT类硬质合金中由于含有硬度较高的TiC，故该类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高，但其导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和
13、可焊性却有所降低。应用：加工形成长屑的钢材等塑性材料。注意：当加工淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料时，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如选用YT类硬质合金易造成崩刃，故选用YG类硬质合金更为合适。2.4 硬 质 合 金 (3)含添加剂的硬质合金。是在YG类、YT类硬质合金的基础上加入适当的添加剂(合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬质合金新品种。如：YA6、YW1和YW2等几种，其中YW类又称为通用硬质合金。特点：有更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。应用：用于钢料和难加工材料的半精加工和精加工。(4)TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC为主体，Ni与Mo为黏结剂，并加入少
14、量其他碳化物而形成的一种硬质合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，但热导率低和韧性较差。应用：适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。2.4 硬 质 合 金2.5 其他刀具材料v2.5.1 陶瓷材料 陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成的。如：纯Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷两种。优点：有很高的硬度和耐磨性；有很好的耐热性，在1200高温下仍能进行切削；有很好的化学稳定性和较低的摩擦因数，抗扩散和抗黏结能力强。缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/31/2；导热系数低，仅为硬质合金的1/51/2。应用：钢、铸铁
15、及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。2.5 其他刀具材料v2.5.2 金刚石 有三种：天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具和金刚石复合刀具。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结上一层厚度约0.5mm的金刚石，形成了金刚石与硬质合金的复合刀片。特点：很好的耐磨性，用于加工硬质合金、陶瓷和高铝硅合金等高硬度、高耐磨材料，刀具耐用度比硬质合金提高几倍甚至几百倍；金刚石有非常锋利的切削刃，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；金刚石抗黏结能力强，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其耐热性差，切削温度不得超过700
16、800；强度低、脆性大，对振动很敏感，只宜微量切削；与铁的亲合力很强，不适于加工黑色金属材料。应用：用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削。2.5 其他刀具材料v2.5.3 立方氮化硼 立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的，是20世纪70年代出现的新材料，硬度高达8000HV9000HV，仅次于金刚石，耐热性却比金刚石好得多，在高于1300时仍可切削，且立方氮化硼的化学惰性大，与铁系材料在12001300高温下也不易起化学作用。应用：立方氮化硼作为一种新型超硬磨料和刀具材料，用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢和冷硬铸铁
17、等难加工材料，具有非常广阔得发展前途。2.5 其他刀具材料v2.5.4 涂层刀片 涂层刀片是在韧性和强度较高的硬质合金或高速钢的基体上，采用化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PVD)、真空溅射等方法，涂覆一薄层(512)颗粒极细的耐磨、难熔、耐氧化的硬化物(TiC、TiN、TiC-Al2O3)后获得的新型刀片。具有较高的综合切削性能，能够适应多种材料的加工。2.5 其他刀具材料小小 结结v本章主要内容是刀具材料应具备的性能、常用刀具材料的种类以及常用刀具的牌号、特点、性能和应用。v刀具材料应具备的性能包括足够的硬度和耐磨性、足够的强度与韧性、较高的耐热性、较好的工艺性、较好的传热性、经
18、济性。v工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢。碳素工具钢主要用于制造手用刀具、低速及小进给量的机用刀具。合金工具钢比碳素工具钢有较高的淬透性、韧性、耐磨性和耐热性。主要用于制造细长刀具或截面积大、刃形复杂的刀具。v高速钢按切削性能可分为普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢还具有较高的硬度、耐磨性以及强度和韧性。与硬质合金相比，高速钢的最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。高速钢仍是主要用于制造形状复杂的刀具。高性能高速钢和粉末冶金高速钢适于制造切削难加工材料的各种精密刀具和形状复杂刀具。v硬质合金刀具材料有YG类、YT类、YW类、YN类四种。具有高
19、硬度、高耐磨性、高耐热性、抗弯强度低、可加工工艺性差等特点。YG类硬质合金主要用于加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料以及淬硬钢、高强度钢、奥氏体不锈钢等难加工材料。YT类硬度合金主要用于加工形成长屑的钢材等塑性材料。YW类主要用途是加工钢料和难加工材料的半精加工和精加工。v陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性及耐热性，抗扩散和抗粘结能力强。最大缺点是强度低、韧性差。适用于钢、铸铁及塑性大的材料的半精加工和精加工，尤其对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料零件加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。v金钢石和立方氮化硼属于超硬刀具材料主要用于精加工。金刚石目前主要用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细车削及镗孔，注意不能加工铁等黑色金属。立方氮化硼用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢、冷硬铸铁等难加工材料。v涂层刀片有效解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，大大提高刀具的切削性能，且具有较好的通用性，但价格较高。