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作者:千赢国际  来源:千赢国际  时间:2019-09-19 04:27  点击:


  表2-1 各种刀具材料的物理力学性能 HRC 65 60 HRA 83.6 81 HV 798 687 刀具材料 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢 代表牌号 T10A 9SiCr W18Cr4V 硬度HRA(HRC) 81~83(60~64) 81~83.5(60~65) 82~87(62~69) 耐热性(度) ~200 250~300 540~650 切削速度之比 0.2~0.4 0.5~0.6 1 硬质合金 YG8 YT15 89.5~91 89.5~92.5 800~900 900~1000 6 6 陶瓷 AM 91~94 1200 12~14 返回本 章目录 第二节 高 速 钢 ? 高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。 ? 高速钢的特点 ? 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500℃~650℃时,仍能保持60HRC的高硬 度,因此切削速度可提高l~3倍,刀具耐用度提高10~40倍。 同时,高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。 ? 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207HBS~255HBS,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(900℃~1100℃)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2~3倍,冲击韧性是硬质合金的6~10倍;经过仔细研磨, 高速钢刀具钝圆半径可小于,其锋利性比硬质合金优良。 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。 ? 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。 ? ? 常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类:通用型高速钢(普通高速钢)、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。 一、 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/min~60m/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%,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。 缺点:碳化物分布不均匀,强度和韧 性稍差,不宜做大截面的刀具,热塑性较差。 ? 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W6Mo5Cr4V2(简称M2),含碳量为0.8%~0.9%,含W6%、 Mo5%、Cr4%、V2%。 ? 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。 ? 二、高性能高速钢 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1.5~3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67HRC~69HRC,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) 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 耐热性和耐磨性,并使其强度和韧性不降低。 ? 三、 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。 第三节 一. 硬质合金的组成与特点 硬质合金 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、TaC、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,在800℃~ 1000℃仍能完成切削加工。缺点是抗弯强度低,冲击韧性差,可加工性 差。 二、 常用硬质合金的分类、性能及应用 YG (K) 类 YT (P)类 加工长切屑的 黑色金属 WC+ TiC+ Co YW (M)类 加工长或短切屑的 黑色金属和有色金属 分 类 加工短切屑黑色金属 有色金属、非金属 WC+ Co WC+ TiC+TaC(NbC)+Co WC+ Co (YG)类硬质合金:常用牌号YG3X、YG6X、YG6、YG8等,数 字表示Co含量的百分率,Co的含量少者,较脆较耐磨。YG类硬质合金有 粗晶粒、中晶粒( YG6、YG8 )、细晶粒( YG3X、YG6X )和超细晶 粒之分。 在含Co量相同时,细晶粒比中晶粒的硬度和耐磨性要高些,但 抗弯强度和韧性则要低一些。 超细晶粒硬质合金能在较高硬度时获得很高的抗弯强度,YS2(YG10H)。 为了提高WC+ Co (YG)类合金的常温、高温硬度及耐磨性,在其成分中加 入1%~3%的TaC(NbC),组成WC+ TaC(NbC)+Co 合金,如YG6A(YA6)。 WC+ TiC+ Co (YT)类硬质合金:常用牌号YT5、YT14、YT15、YT30等, TiC含量分别为5%、14%、15%、30%,相应的Co含量为10%、8%、6%、 4%。随着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 降低。YT类的突出优点是耐热性好。 WC+ TiC+ TaC(NbC)+ Co (YW)类硬质合金:YT类硬质合金中加入 TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性,提高合金的高温硬度 和高温强度,提高抗氧化能力和耐磨性。常用牌号YW1和YW2。(YW1: WC 84%,TiC 6%,TaC 4%,Co 6% 相当于M10; YW2:WC 82%,TiC 6%,TaC 4%,Co 8% 相当于M20 ) 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。 常用硬质合金牌号及应用范围 牌号 YG3X YA6 YG6X YG6 YG8 硬度、 抗弯 耐磨 强度、 性、 韧性、 切削 进给 速度 量 应 用 范 围 铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工,无冲击 冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工 铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工, 铸铁、有色金属、高温合金的半精加工和粗加工 铸铁、有色金属、高温合金粗加工,可用于断续切削 YT30 YT15 YT5 YW1 YW2 硬度、 抗弯 耐磨 强度、 切削 韧性、 速度 进给 同 上 碳素钢、合金钢的精加工 碳钢、合金钢连续切时粗、半精加工,断续切精加工 碳素钢、合金钢的粗加工,可用于断续切削 高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的精、半精加工 高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的半精与粗加工 (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。 第四节 涂层刀具 ? 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上, 利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可 涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作 为一个化学屏障和热屏障,减少了刀具与工件间的扩散和化学反应,从而 减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、 耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性,切削时可比未涂层刀具提高 刀具寿命3~5倍以上,提高切削速度20%~70%,提高加工精度0.5~1级,降 低刀具消耗费用20%~50%。因此,涂层刀具已成为现代切削刀具的标志, 在刀具中的使用比例已超过50%。目前,切削加工中使用的各种刀具,包 括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成 形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。 涂层刀具 ? 涂层刀具有四种:涂层高速钢刀具,涂层硬质合金 刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀 片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶 瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料,目 的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上), 可减少刀片的崩刃及破损,扩大应用范围。 涂层刀具 ? 涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种:物理气相沉积(PVD) 法和化学 气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃,涂层厚度为2~5μm;后者的沉积温 度为900℃~1100℃,涂层厚度可达5~10μm,并且设备简单,涂层均匀。因PVD 法未超过高速钢本身的回火温度,故高速钢刀具一般采用PVD法,硬质合金大多 采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时,由于其沉积温度高,故涂层与基体之 间容易形成一层脆性的脱碳层(η相),导致刀片脆性破裂。近十几年来,随着涂 覆技术的进步,硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术, 开发了复合的涂层工艺,称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等 离子体来促进化学反应,可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至 180℃~200℃),使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应, 可保持刀片原有的韧性。据报道,这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超 硬涂层特别有效。 第五节 其他刀具材料 一、陶瓷 常用的刀具陶瓷有两种:Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。 Al2O3基陶瓷的特点:高硬度(91~95HRA)、高耐磨性、高耐热性、很高的 化学稳定性,较低的摩擦系数。最大的缺点是:抗弯强度很低,冲击韧性很差。 Si3N4基陶瓷具有高的强度和韧性,能够承受较大的冲击负荷。由于Si3N4基 陶瓷具有较高的导热系数、较低的热膨胀系数,其耐热冲击性能大大优于Al2O3基 陶瓷,切削时可以使用切削液。 总体 优点:有很高的硬度、耐磨性、耐热性,在1200℃高温下仍能进 行切削;很好的化学稳定性、较低的摩擦因数。 缺点:强度低、韧性差,抗弯强度仅为硬质合金的1/3~1/2;导热系 数低,仅为硬质合金的1/5~1/2。 应用:钢、铸铁及塑性大的材料(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。 陶瓷刀具的制备 原材料处理 配比进行配料 细化球磨 干燥 过筛 烧结成型 磨削加工,电火花线切割 陶瓷刀具产品 陶瓷刀具的种类 1.氧化铝—碳化物系陶瓷 2.氮化硅基陶瓷刀具 二、 金刚石 有三种:天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金刚 石复合刀片。 特点:具有极高的硬度和耐磨性,其显微硬度达到10000HV,是目 前已知的最硬物质。刃口极锋利、可切下极薄的切屑、摩擦系数在所有 刀具材料中是最小的、抗黏结能力强。金刚石的热稳定性较低,切削温 度超过700~800度时,就会完全失去硬度。 金刚石刀具不适于加工钢铁材料,金刚石(C)和铁有很强的化学亲和力,在高 温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构,刀具极易破坏。 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,不适合加工钢铁。 三、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。硬度仅次于金刚石,显微硬度达到8000~9000HV,耐热性好(达 1400度),化学稳定性好,与铁族金属直至1200~1300度时也不易起化学 作用,因此可用于加工淬硬钢和冷硬铸铁。 应用: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 硬铸铁等难加工材料。 第六节 刀具材料的发展 ? 目前国内外用于切削加工刀具材料主要有:金刚石刀具、立方氮化硼刀 具、陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等。它们各有优势, 又彼此竞争,适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。 ? 从资源、价格和性能等方面看,陶瓷刀具具有很大的优势,尤其是其资 源优势,因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不竭,因此,陶瓷刀 具将会得到更大的发展。 ? 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一,涂层刀具的出现 ,使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力 ,预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。 ? 超细晶粒的硬质合金和粉末高速钢在小尺寸整体复杂刀具加 工领域还将占主要地位; ? 超强、超硬纳米刀具是最诱人的切削刀具,加速研究发展, 有可能在未来5-10年成为现实。 ? 随着科学技术的发展,对工程材料提出了愈来愈高的要求,轻质强 韧材料的使用日渐增多,各种新型航空航天材料、核能材料、复合 材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、先进金属或非 金属材料等的应用日益广泛,工件材料的品种成倍增长。 ? 如一种或几种材料对应设计一把专用刀具,不但会造成刀具的设计 、制造、管理和选用等许多麻烦问题,而且各种制造、管理费用也 高。因此,开发通用性好、适应性强,能够在多种条件下均能正常 工作的刀具是刀具业的一个发展方向。 ? 难加工材料的加工一直是切削加工中的难题,随着制造 业的发展,21世纪这些材料的用量将迅速增加,加工矛 盾将更加突出。与此同时,新的工程材料也不断问世, 而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求 。因此,切削刀具的发展应能适应难加工材料和新型材 料加工的需要。 ? 环境污染已成为全世界共同关注的焦点,保护环境,实现人类的可 持续发展是21世纪的必然趋势。机械制造业作为国家的制造装备部 ,每年都在消耗大量的能源和资源,对环境也造成了很大污染。目 前,欧美等工业发达国家已清醒的认识到切削液对环境的危害,相 继制定出严格的工业排放标准,进一步限制了切削液的使用。 ? 解决这一问题的最有效途径是采用少、无切削液的对环境友好的绿 色干加工技术。因此,开发各种无需切削液的干式切削刀具也是刀 具发展的一个重要方向。开发具有高温自润滑功能的刀具进行高速 干切削是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择,具有广阔应用 前景。 ? 高速切削技术是切削技术发展的方向,其优势在于只需切一刀就可 高速切除大量的多余材料而又达到很高的加工精度和表面质量。而 高速切削技术所依赖的关键技术之一就是相应的高速切削刀具。能 适应高速干切削的刀具材料将会得到进一步发展。研发适应硬切削 、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是当前研究的热点。 ? 具有“三高”(即:高速、高精和高可靠性)性能刀具的研究开发将是 今后数控刀具研究开发的重点。纳米复合与涂层、梯度功能和多种 增韧补强机制协同作用的刀具的设计与开发将是数控刀具研究发展 的方向。

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