02刀具材料.ppt

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第二章刀具材料,刀具材料一般是指刀具切削部分的材料,2,基本内容、重点,基本内容：

金属切削对刀具材料性能的6项要求；常用刀具材料性能及应用（高速钢、硬质合金）。

重点：

金属切削对刀具材料性能的6项要求；常用刀具材料性能及应用（高速钢、硬质合金）；根据切削加工实际情况选用常用刀具材料。

3,刀具材料,第一节刀具材料概述在切削过程中，刀具担负着切除工件上多余金属以形成已加工表面的任务。

刀具的切削性能好坏，取决于刀具切削部分的材料、几何参数以及结构的合理性等。

刀具材料对刀具寿命、加工生产效率、加工质量以及加工成本都有很大影响，因此必须合理选择。

刀具材料的发展受着工件材料发展的促进和影响。

4,刀具材料应具备的性能,一、刀具材料应具备的性能高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性高的耐热性（热稳定性）良好的物理特性良好的工艺性经济性,5,刀具材料应具备的性能,1.高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料应具备的基本特性。

刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。

切削金属所用刀具的切削刃的硬度，刀具材料常温硬度一般要求大于60HRC。

耐磨性是材料抵抗磨损的能力。

一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。

组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。

但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。

6,刀具材料应具备的性能,2.足够的强度和韧性为承受切削负荷、振动和冲击，刀具材料必须具备足够的强度和韧性。

3.高的耐热性（热稳定性）耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。

它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。

刀具材料的高温硬度愈高，则刀具的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。

除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。

7,刀具材料应具备的性能,4.良好的物理特性刀具材料应具备良好的导热性、大的热容量以及优良的热冲击性能。

5.良好的工艺性能为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等等。

6.经济性经济性是刀具材料的重要指标之一刀具材料的发展应结合本国资源。

有的刀具（如超硬材料刀具）虽然单件成本很贵，但因其使用寿命很长，分摊到每个零件的成本不一定很高。

因此在选用时要考虑经济效果。

此外，在切削加工自动化和柔性制造系统中，也要求刀具的切削性能比较稳定和可靠，有一定的可预测性和高度的可靠性。

8,常用刀具材料,二、常用刀具材料工具钢包括碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）。

高速钢硬质合有钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金和钨钛钽（铌）类硬质合金。

陶瓷超硬刀具材料金刚石及立方氮化硼等。

9,常用刀具材料硬度与韧性关系,10,常用刀具材料,碳素工具钢和合金工具钢因耐热性低而常用于手工工具。

陶瓷、金刚石及立方氮化硼目前仅用于超硬工件的加工。

目前最常用的是高速钢硬质合金各种刀具材料的物理力学性能见下表,11,常用刀具材料的物理力学性能,12,高速钢,第二节高速钢高速钢全称高速合金工具钢，也称白钢、锋钢。

它是一种加入较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金钢。

热处理后硬度可达6367HRC，抗弯强度约3.3GPa，有较高的热稳定性、耐磨性、耐热性。

切削温度在550650时仍能进行切削。

允许的切削速度比合金工具钢提高12倍。

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，如成形车刀、铣刀、钻头、切齿刀、螺纹刀具和拉刀等。

13,高速钢,高速钢的分类按用途可分为普通高速钢和高性能高速钢。

按制造工艺可分为熔炼高速钢、粉末冶金高速钢和表面涂层高速钢。

按基本化学成份可分为钨系和钨钼系。

14,普通型高速钢,一、普通型高速钢这类高速钢含碳量为0.70.9，合金元素主要成分有W、Mo、Gr、V等。

主要牌号：

钨钢：

W18Cr4V（1841）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。

钨钼钢：

它是钨钢中部分钨用钼取代而获得的一种高速钢。

典型牌号W6Mo5Cr4V2（6542），简称M2钢。

强度、韧性、热塑性好，但热处理时易脱炭、氧化，且淬火温度范围窄等，用于热轧刀具或热成形刀具。

另一种是W9Mo3Cr4V（9341）简称W9。

其碳化物均匀界于M2与W18之间，热稳定性优于M2。

15,高性能高速钢,二、高性能高速钢高性能高速钢是指在普通型高速钢中增加碳、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。

典型牌号高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2高钒高速钢W6Mo5Cr4V3钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5、W18Cr4VCo5超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8（M42）W6Mo5Cr4V2Al（501）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。

16,粉末冶金高速钢,三、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。

优点可有效地解决一般熔炼高速钢在铸造时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织。

这就使这种钢有良好的力学性能。

强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.53倍。

这种钢的磨加工性很好，磨削表面粗糙度可显著减小。

由于粉冶钢物理力学性能的高度各向同性，可减小淬火时的变形（只及熔炼钢的1/21/3）。

粉冶钢的耐磨性可提高20%30%。

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、拉刀等。

17,高速钢的主要物理力学性能,18,硬质合金组成与性能,第三节硬质合金一、硬质合金组成与性能硬质合金硬质合金是由高硬度和高熔点的金属碳化物（碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC、碳化铌NbC等）和金属粘结剂（Co、Mo、Ni等）用粉末冶金工艺制成。

19,硬质合金组成与性能,特点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8001000。

硬质合金刀具允许的切削速度比高速钢刀具高510倍，切削钢时，切削速度可达220m/min。

硬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。

20,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硬质合金分为：

P类（WCTiCCo），用于加工长切屑（塑性）黑色金属。

相当我国YT类硬质合金；K类（WCCo），用于加工短切屑（脆性）黑色金属、有色金属和非金属材料。

相当于我国的YG类；M类（WCTiCTaC（NbC）Co），可加工长切屑和短切屑黑色金属和有色金属。

相当于我国的YW类。

21,常用硬质合金的分类及其性能,K类：

钨钴类硬质合金（WCCo），代号为YG这类合金是由WC和Co组成。

我国生产的常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，含Co量分别为3%、6%、6%、8%。

YG（K）类硬质合金，有较好的韧性、磨削性、导热性。

硬度为8991.5HRA，抗弯强度为1.11.5GPa比YT类高。

适合于加工产生崩碎切屑及有冲击载荷的脆性金属材料。

如黑色金属、有色金属以及非金属材料，低速时也可加工钛合金等耐热钢。

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。

为了提高WCCo合金的常温、高温硬度及耐磨性可在其成分中加入TaC（NbC），组成WCTaC（NbC）Co合金，如YG6A、YG8N。

22,常用硬质合金的分类及其性能,P类：

钨钛钴类硬质合金（WCTiCCo），代号为YT它以WC为基体，添加TiC，用Co作粘结剂烧结而成。

常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30，TiC含量分别为5%、14%、15%和30%，相应的钴含量为10%、8%、6%及4%这类合金的硬度为89.592.5HRA，抗弯强度为0.91.4GPa。

随着合金成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强度则降低。

主要用于加工钢料；不宜加工不锈钢和钛合金；适合于精加工。

YT类硬质合金的突出优点是耐热性好。

23,常用硬质合金的分类及其性能,M类：

钨钛钽（铌）类硬质合金（WCTiCTaC（NbC）Co），代号为YW。

它在YT（P）类硬质合金中加入TaC或NbC，这样可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度等。

常用牌号有YW1、YW2。

它既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。

以上三类硬质合金的主要成分都是WC，故可统称为WC基硬质合金。

24,常用硬质合金的分类及其性能,TiC（N）基硬质合金这类合金是TiC为主要硬质相，以Ni或Mo为粘结相制成的合金。

它比WC基合金有高的耐磨性、耐热性和高的硬度（近似陶瓷），但抗弯强度和冲击韧性较差。

通常适用于钢和铸铁的半精加工和精加工。

代表牌号为YN05和YN10。

25,常用硬质合金的牌号与性能表,26,硬质合金的选用,硬质合金的选用YG类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。

YT类硬质合金适于加工钢料。

YW类硬质合金则主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。

硬质合金中含钴量增多（WC、TiC含量减少）时，其抗弯强度和冲击韧度增高（硬度及耐热性降低），适合于粗加工。

含钴量减少（WC、TiC含量增加）时，其硬度、耐磨性及耐热性增加（强度及韧性降低），适合于作精加工用。

在加工含钛的不锈钢（如1Cr18Ni9Ti）和钛合金时，不宜采用YT类硬质合金。

27,硬质合金的选用,28,涂层刀具材料,三、涂层刀具材料在韧牲较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。

涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法（CVD法），沉积温度1000左右；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法（PVD法），沉积温度500左右。

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3及其复合材料等，涂层厚度随刀具材料不同而异。

29,涂层刀具材料,TiC涂层硬度高、耐磨性好、抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减小摩擦及刀具磨损。

TiN涂层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。

TiCTiN复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。

第二层涂TiN，减少表面层与工件间的摩擦。

30,涂层刀具材料,TiC-Al2O3复合涂层第一层涂TiC，与刀具基体粘牢不易脱落。

第二层涂Al2O3可使刀具表面具有良好的化学稳定性和抗氧化性能。

目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。

31,陶瓷刀具材料,第四节陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料以氧化铝或以氮化硅为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。

优点硬度高，耐磨性、耐高温性能好，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗粘结和抗扩散能力强；缺点脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃，所以使用范围受到限制；可用于钢、铸铁类零件的车削、铣削加工。

32,金刚石刀具材料,第五节超硬刀具材料一、金刚石刀具材料金刚石是碳的同素异形体，在高温、高压下由石墨转化而成，是目前人工制造出的最坚硬物质。

优点由于硬度极高，其显微硬度达到10000HV，耐磨性好，切削刃口锋利，刃部表面摩擦系数较小，不易产生粘结或积屑瘤。

33,金刚石刀具材料,缺点热稳定性差，切削温度超过700800时，就会完全失去其硬度；强度低，脆性大，对振动敏感，只宜微量切削，与铁有强烈的化学亲合力，不能用于加工钢材。

应用：

可用于加工硬质合金、陶瓷等硬度达6570HRC的材料；也可用于加工高硬度的非金属材料，如玻璃等；还可加工有色金属，如铝硅合金材料以及复合难加工材料的精加工或超精加工。

34,立方氮化硼,二、立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是一种人工合成的新型刀具材料，它由六方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转化而成。

特点它有很高的硬度（其显微硬度为80009000HV）及耐磨性，热稳定性好，化学惰性大，与铁系金属在1300时不易起化学反应，导热性好，摩擦系数低。

可用于高温合金、冷硬铸铁、淬硬钢等难加工材料的加工。

35,刀具材料的发展,三、刀具材料的发展百余年来，刀具材料由碳素钢、高速钢、硬质合金、涂层刀具材料、陶瓷而至超硬刀具材料的发展使车削加工的切削速度提高了100多倍，而且主要新刀具材料出现的周期也越来越短。

36,刀具材料的发展,理想刀具材料应该同时具有金刚石那样高的硬度和耐磨性立方氮化硼或陶瓷那样高的热稳定性和化学惰性硬质合金那样高的强度和抗冲击能力但在可预见的将来还不可能找到具有这样理想性能的刀具材料。

目前使用的主要刀具材料仍然是硬质合金及高速钢。

37,不同刀具材料的切削用量范围,不同刀具材料的切削用量范围,38,刀具材料应用场合总结,刀具材料应用场合总结,39,刀具材料应用场合总结,刀具材料应用场合总结,