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1、1金属切削原理与刀具Principle of Metal Cutting and Cutting ToolsPrinciple of Metal Cutting and Cutting Tools主讲：张东民主讲：张东民第二章 刀具材料第二章 刀具材料22.1 刀具材料应具备的性能2.2 高速钢2.3 硬质合金2.4 涂层刀具2.5 其它刀具材料2.6 刀具材料的发展第二章 刀具材料第二章 刀具材料主要内容主要内容3刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具切削性能的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具切削性能
2、的优劣，不仅取决于刀具切削部分的几何参数，还取决于刀具切削部分所选配的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有 目前广泛应用的刀具材料有 高速钢高速钢和 和 硬质合金硬质合金。42.1 刀具材料应具备的性能（1）高的硬度和耐磨性（1）高的硬度和耐磨性影响耐磨性的因素：硬度；硬质点性质 数量和分布；显微组织；抗粘结性HV1000HRA9195HRC 6070金刚石陶瓷高速钢HV8000 9000立方氮化硼(CBN)HRA8994硬质合金HRC6065工具钢第二章 刀具材料第二章 刀具材料5（2）足够的强度和韧性（2）足够的强度和韧性抗弯强度b(GPa或者Kg/mm2)冲击韧性ak(KJ/m2或者Kg/
3、cm2)（3）高的耐热性(热稳定性)与化学稳定性（3）高的耐热性(热稳定性)与化学稳定性高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能，允许切削速度高。表2-1各种刀具材料的物理力学性能图2-1不同刀具材料的硬度与温度的关系6常用刀具材料的耐热性常用刀具材料的耐热性常用刀具材料的耐热性常用刀具材料的耐热性7（4）良好的热物理性能（导热性）、耐热冲击性好（4）良好的热物理性能（导热性）、耐热冲击性好利于切削热传导，降低切削区温度，延长刀 具寿命。断续切削（如铣削）或使用切削液时，经受 热冲击（温度变化剧烈），产生热裂纹。（5）良好的工艺性（5）良好的工艺性有锻造、焊接、热处理、磨削加工性能等，便于刀具
4、的制造。（6）经济性。资源丰富，价格低廉。（6）经济性。资源丰富，价格低廉。8常用刀具材料的种类?碳素工具钢（T10A）、合金工具钢（9SiCr,CrWMn）?高速钢?硬质合金?陶瓷?金刚石?立方氮化硼常用刀具材料：高速钢、硬质合金超硬材料9刀具材料PVD物理气相沉积聚晶立方氮化硼PCBN10112.2 高速钢(HHS)?高速钢HHS：W、Mo、Cr和和V含量较高的合金工具钢，许用切削速度高于一般的合金工具钢。?W、Mo溶于基体，提高红硬性；W、Mo、Cr等形成高硬度的碳化物，提高硬度和耐磨性。?热处理后硬度可达6266HRC,抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。切削温度
5、在500650C时仍能进行切削。?由于热处理变形小、能锻易磨，所以特别适合于制造结构和刃型复杂的刀具适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等第二章 刀具材料第二章 刀具材料1213高速钢HHS的分类?按用途可分为：通用高速钢和高性能高速钢。W18M2以前以前14?按制造工艺可分为:熔炼高速钢、粉末冶金高速钢熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和和表面涂层高 速钢。表面涂层高 速钢。?按基本化学成份可分为:钨系钨系(W18Cr4V,W18)和（钨）钼系（钨）钼系(W6Mo5Cr4V2,M2)。15常用高速钢的牌号与性能常用高速钢的牌号与性能?通用型高速钢（1）钨钢W
6、18Cr4V(18-4-1，W18钢)由于钨价高，热塑性差，碳化物分布不均匀等原因，目前国内外已很少采用。（2）（钨）钼钢，用钼取代部分钨，W6Mo5Cr4V2（M2）。我国W9Mo3Cr4V2（W9）?高性能高速钢高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒、钴或铝等合金元素，使其常温硬度可达6770HRC，耐磨性与热稳定性进一步提高。可以用于加工不锈钢、高温合金、耐热钢和高强度钢等难加工材料。典型牌号有M42、501。?粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，然后再热压锻轧制成。适用于制造精密刀具、大尺寸(滚刀、插齿刀)刀具、复杂成形刀具、
7、拉刀等。高速钢的主要物理力学性能见表2-2(p21)。16钨系高速钢工艺性好，通用性好；但硬 度不高W18Cr4V钼系高速钢韧性好、碳化物细小均匀；但易脱碳，淬火温度范围窄W6Mo5Cr 4V2高钴高速钢高温硬度高，基体强度高，耐磨性好；但价格昂贵。W2Mo9Cr 4VCo8高碳高钒高速钢高温硬度高，韧性好，耐磨 性好；但价格昂贵，难刃 磨。W12Cr4V4 Mo高钒含铝高速钢 耐磨性好，硬度高，可磨性 差W6Mo5Cr 4V2Al稀土高速钢晶粒细小，碳化物分布均 匀，韧性最好；但价格较 贵W14Cr4V MnRe常用高速钢的牌号与性能常用高速钢的牌号与性能W18M2M42M2Al501通 用
8、高 性 能17HHS的选择?根据工件材料的性质：一般选择通用型，难加工材料选高钴、高钒高速钢。?根据工件的形状和刀具的类型：简单刀具可选择高钒高速钢，复杂刀具可选择钨系、钼系低钴高速钢（不可选高钒高速钢），钻头选钼系高速钢。?根据加工方式：断续加工选用韧性较好的钼系高速钢和稀土高速钢。若选用高钴、高钒高速钢必须采用适当的热处理，提高其韧性。18一、硬质合金的特点 一、硬质合金的特点 由高硬度高熔点的金属碳化物和金属粘结剂组成，经过粉末冶金方法制造。硬质合金=硬质相硬质相（TiC、WC、TaC、NbC）+粘结相粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）硬质合金2.3 硬质合金硬质合金19?硬
9、质合金以其优良的性能被广泛用作刀具材料。大多数车刀、端铣刀等均由硬质合金制造。?硬质合金刀具常温硬度为8993HRA，化学稳定性好，热稳定性好，耐磨性好，耐热性达8001000C。?硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍。?金属碳化物具有高硬度、高熔点、化学稳定、热稳定等特点，因而硬质合金的耐磨性和红硬性较好，刀具的耐用度较高。同类硬质合金粘结剂含量越多刀具的韧性越好，但硬度越低。2021硬质合金的分类：钨钴类硬质合金（YG）钨钴钛类硬质合金（YT）添加稀有金属硬质合金（YA、YW）碳化钛基硬质合金（YN）硬质合金（WC+Co）（WC+TiC+Co）(YW)（WC+TiC+TaC+（
10、NbC）+Co）（TiC+WC+Ni+Mo）二、常用硬质合金的分类及其性能二、常用硬质合金的分类及其性能?常用硬质合金的牌号与性能见表常用硬质合金的牌号与性能见表2-3（p25)K、P、M221、钨钴类硬质合金、钨钴类硬质合金YG，属，属K类：类：硬质相（硬质相（WC）+粘结相（粘结相（Co）常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含 量占3%、6%、8%）应用：?合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。合金中含钴量愈高，韧性愈好，适合于粗加工，反之用于精加工。YG(K)类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。
11、类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性，适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。主要用于加工铸铁及有色金属，主要用于加工铸铁及有色金属，不适合加工钢料，因在不适合加工钢料，因在640时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。YG3（精加工）YG6（半精加工）YG8（粗加工）Co的含量 韧性 强度 HRC 耐磨性Co的含量 韧性 强度 HRC 耐磨性 脆性232、钨钴钛类硬质合金（、钨钴钛类硬质合金（YT）,属属P类：类：硬 质 相（硬 质 相（WC+TiC）+粘结相（粘结相（Co）常用牌号：）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字
12、表示（数字表示TiC的 百分含量）应用：的 百分含量）应用：?以以WC为基体为基体,添加添加TiC，用，用Co作粘结剂烧结而成。合金中作粘结剂烧结而成。合金中TiC含量提高含量提高，Co含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于含量就低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降，适合于精加工精加工。主要用于加工钢料主要用于加工钢料，一般不用与加工含，一般不用与加工含Ti的材料，如的材料，如1Cr15Ni9Ti,Ti与与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。的亲合力较大，使刀具磨损较快。YT5（粗加工）YT14、
13、YT15（半精加工）YT30（精加工）TiC含量 硬度 耐磨性 脆性 韧性 TiC含量 硬度 耐磨性 脆性 韧性 243、添加稀有金属硬质合金：钨钛钽（铌）类硬质合 金（、添加稀有金属硬质合金：钨钛钽（铌）类硬质合 金（YW），属），属M类类在钨钴钛类硬质合金（在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入）中加入TaC(NbC),可提高其抗弯 强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强 度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁 及有色金属，也可用于加工钢材，常成为可提高其抗弯 强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强 度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁
14、及有色金属，也可用于加工钢材，常成为通用硬质合金通用硬质合金，主 要用于加工难加工材料。，主 要用于加工难加工材料。4、碳化钛基硬质合金（、碳化钛基硬质合金（YN）这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。抗弯强度和韧性低于这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。抗弯强度和韧性低于WC基合金，主要用于钢材、铸铁的精 加工、半精加工，也有粗加工。基合金，主要用于钢材、铸铁的精 加工、半精加工，也有粗加工。25钨钴类钨钴钛类通用类符号YGYTYW成分WCCoWC、TiCCo
15、WC、TiC、TaC(NbC)Co牌号YG8YT14YW3硬度/红硬性低/低高/高较高/高强度和韧性大小大导热性大小抗氧化和粘结性低高高工件材料脆性材料塑性材料塑性、脆性材料 均可刀具磨损后刀面磨损前刀面磨损前、后刀面磨损切削力重载、大切削力硬质合金的选用硬质合金的选用铣箱体（铸铁）：粗加工（YG8）、精镗工序（YG3X）粗车45#钢（YT5）、精车40Cr外圆（YT30）2627常用刀具材料常用刀具材料种类种类常 用 牌 号常 用 牌 号主 要 性 能主 要 性 能主 要 应 用主 要 应 用碳素工具钢碳素工具钢含碳量较高的 优质碳钢含碳量较高的 优质碳钢T8A、T10A、T12A淬火后硬度
16、高（达淬火后硬度高（达63 65HRC）、价廉，但耐热性差（）、价廉，但耐热性差（200以下）以下）制造小型、手动和低 速切削工具，如手用 锯条和锉刀等制造小型、手动和低 速切削工具，如手用 锯条和锉刀等合金工具钢合金工具钢碳素工具钢中 加入少量碳素工具钢中 加入少量Cr、Si、W、Mn 等元素等元素9SiCr、CrWMn、CrW5、GCr15淬透性、耐热性（淬透性、耐热性（220250）有所提高，热处理变形小，）有所提高，热处理变形小，制造手用铰刀、圆板 牙、丝锥、刮刀等制造手用铰刀、圆板 牙、丝锥、刮刀等高速钢高速钢含含Cr、W、V 等元素较多的 合金工具钢等元素较多的 合金工具钢W18C
17、r4V、W6Mo5Cr4V2它的耐热性大大提高（它的耐热性大大提高（540 650），从而耐磨性也有所提 高，强度、韧度和工艺性都较好），从而耐磨性也有所提 高，强度、韧度和工艺性都较好广泛用于制造较为复 杂的各种刀具，如麻 花钻、铣刀、拉刀和 齿轮刀具等，也可用 以制作车刀、刨刀等 简单刀具。广泛用于制造较为复 杂的各种刀具，如麻 花钻、铣刀、拉刀和 齿轮刀具等，也可用 以制作车刀、刨刀等 简单刀具。硬质合金硬质合金钨钴类【由 钨钴类【由 WC和和Co组 成】组 成】以高硬度、高 熔点的金属炭 化物（以高硬度、高 熔点的金属炭 化物（WC、TiC等）作基 体，以等）作基 体，以Co等 为粘结
18、剂的粉 末冶金制品等 为粘结剂的粉 末冶金制品YG3、YG6、YG8(数字表示含 钴量的百分数数字表示含 钴量的百分数)【相当于【相当于ISO标 准的标 准的K类】类】其相对塑韧性好，但切削塑性材 料时耐磨性差，其相对塑韧性好，但切削塑性材 料时耐磨性差，Co含量少的，相 对较脆、较耐磨含量少的，相 对较脆、较耐磨适用于加工铸铁、青 铜等脆性材料适用于加工铸铁、青 铜等脆性材料钨钴钛类【由 钨钴钛类【由 WC、TiC和 和 Co组成】组成】YT5、YT15、YT30(数字表示 数字表示 TiC含量的百分 数含量的百分 数)【相当于【相当于ISO 标准的标准的P类】类】其耐热性，耐磨性均优于其耐
19、热性，耐磨性均优于YG类，但韧性较差。类，但韧性较差。TiC含量愈多，则耐 热性、耐磨性愈高，韧性愈小。含量愈多，则耐 热性、耐磨性愈高，韧性愈小。适用加工一般钢件适用加工一般钢件钨钛钽（铌）钴类【由 钨钛钽（铌）钴类【由 WC、TiC、TaC（NbC）YW1、YW2【相当于【相当于ISO标 准的标 准的M类】类】兼有兼有YG、YT类的大部分优良性 能，被称为通用合金，但价高类的大部分优良性 能，被称为通用合金，但价高既可加工铸铁也可加 工钢，适合耐热钢、高锰钢和不绣钢的加 工既可加工铸铁也可加 工钢，适合耐热钢、高锰钢和不绣钢的加 工28刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾，一般刀具 材料的寿命
20、主要是受磨损的影响，采用表面涂覆处 理的办法，妥善解决这一问题。涂层既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧 性。在韧牲较好的刀具基体上（硬质合金或高速钢），涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物。在韧牲较好的刀具基体上（硬质合金或高速钢），涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物。2.4 涂层刀具涂层刀具涂层刀片涂层刀具涂层刀片涂层刀具29涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法（CVD），沉积温度1000 C；涂层高速钢刀具采用物理气相沉 积法（PVD），沉积温度500 C。刀具表面 沉积极 薄（512 m）的一层高硬度、耐磨和难熔的金 属化合 物（TiC或TiN）。涂层呈金黄色涂层呈金黄色。30涂层材料涂层材
21、料常用的涂层材料有TiC、TiN、Al203及其复合材料 及其复合材料 等，涂层厚度随刀具材料不同而异。?TiC硬度比TiN高，抗耐磨性能好，对于剧烈磨损的刀具，TiC涂层好。?TiN涂层与金属亲和力小，抗氧化性好，在高温时能产生氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，并能有效降低切削温度。?Al203涂层在高温下稳定性好。31?由于涂层涂层的硬度高硬度高，摩擦系数低，使刀具刀具的磨损磨损显著降低降低，涂层还具有抗氧化能力抗氧化能力和抗粘结性能好的抗粘结性能好的特点，延迟了刀具前面月牙洼的形成。因此切削速度切削速度可提高提高 30%50%,刀具寿命刀具寿命可提高提高数倍至十倍。?适合于各
22、种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。?单涂层、双涂层或多涂层单涂层、双涂层或多涂层：TiC-TiN、TiC-Al203、TiC-Al203 TiN机夹可转位机夹可转位多层涂层刀具32涂层刀具涂层刀具3334涂层与未涂层高速钢刀具磨损35?以为Al2O3或Si3N4为主要成分，添加少量粘结剂高温烧结而成的一种微晶显微组织的刀具材料。陶瓷刀具牌号-赛隆（Sialon）?特点：硬度很高（高于硬质合金）、耐磨性好、耐热性高（1200 C能切削）、化学稳定性高、与金属亲和力小，抗粘结和抗扩散能力好。摩擦系数低、加工表面粗糙度小。切削速度比硬质合金提高切削速度比硬质合金提高2-5倍倍
23、。强度和韧性差，脆性大，易崩刃，刃磨困难强度和韧性差，脆性大，易崩刃，刃磨困难。?用途：可加工钢、铸铁，主要用于精加工和半精加工精加工和半精加工，大件零件和高精度零件加工。一、陶瓷第二章 刀具材料第二章 刀具材料2.5 其它刀具材料其它刀具材料金属陶瓷cermet：为使陶瓷既耐高温又不容易破碎，在制作陶瓷的粘土里加些金属粉，制成金属陶瓷。由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材料。36氮化硅陶瓷刀具使传统的工艺概念发生变化，利用陶瓷刀具可直接以车、铣代替磨削，可用单一工序代替多道工序，大大缩短工艺流程37二、金刚石?金刚石分天然和人造天然和人造两种，都是碳的同素异形体。天然金刚石价格昂贵
24、。人造金刚石是在高温高压条件下由石墨转化而 成。金刚石复合刀片金刚石复合刀片（PVD、CVD金刚石涂层）、整体聚晶?目前已知最硬物质，硬度接近 10000HV。金刚石刀具能精密切削有色金属及其合金、硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高 耐磨材料。不适合加工铁族材料不适合加工铁族材料，因为金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力，在高温条件下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构，刀具 极 易损坏。38?特点：硬度最高、耐磨性好、摩擦系数最低、导热系数最大、强度和韧性不高，热稳定性差（700C-800C），刃磨困难，和铁、钛有很强的化学亲和力。?用途：主要用于有色金属及其合金、非金属材料的半
25、精加工、精加工和超精加工。不用于加工黑色金属、钛及其合金。39金刚石砂轮金刚石砂轮天然金刚石刀具天然金刚石刀具40三、立方氮化硼（CBN）?由较软的六方氮化硼经过高温高压法加入催化剂转化而成。其硬度高达 8000 9000HV,耐磨性好，耐热性好，高达 1400 。立方氮化硼复合刀片、整体聚晶立方氮化硼复合刀片、整体聚晶?特点：硬度很高、耐磨性好、耐热性高、化学稳定、摩擦系数低。可直接加工淬火钢、铸铁、高温合金等，可以使工件产生残余压应力。?主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁进行半精加工和精加工。聚晶立方氮化硼PCBN41切削刀具用立方氮化硼刀片切削刀具用立方氮化硼刀片立方氮化硼刀具立方氮化
26、硼刀具42应当指出，加工一般材料大量使用的仍是应当指出，加工一般材料大量使用的仍是普 通高速钢及硬质合金普 通高速钢及硬质合金，只有在加工难加工材料 时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工，只有在加工难加工材料 时，才考虑选用新牌号合金或高性能高速钢，在加工高硬度材料高硬度材料或或精密加工精密加工时，才考虑选用 超硬材料。时，才考虑选用 超硬材料。先进刀具真比便宜刀具更划算先进刀具真比便宜刀具更划算在零部件制造成本中，刀具成本仅占3%5%，即使刀具购买价格下降30%，企业能省下的零部件制造成本不过是1%；但如果切削能力可通过选用性能优异的刀具而得到改善，进而将加工效率提高20%（如采用
27、新的刀具材料牌号），企业能节省的零部件制造成本可达15%。432.6 刀具材料发展在各种刀具材料的发展中，涂层硬质合金和 硬质合金将起着主导作用；HSS将萎缩，HSS-E（高性能高速钢）发展将受到扼制，粉末高速 钢、DH（低合金高速钢）将有长足的进步；陶 瓷刀具、CBN、PCD（多晶复合金刚石）等超硬 材料将增大应用比例，扩大各自的应用领域。这样将形成各种材料既有独特的优点和应用范 围，既互相发展、互相竞争，又相互配合有所 取代补充的整体格局。第二章 刀具材料第二章 刀具材料44刀具材料的性能4546本章小结本章小结1.刀具材料应具备的性能2.常用刀具材料：高速钢和硬质合金特 点、性能、典型牌号、选用3.涂层刀具特点、超硬刀具特点本章习题：P32页页2、4、5、7