《金属切削原理》第2章[刀具材料]

15785774997721第二章刀具材料第一节刀具材料应具备的性能刀具的工作条件：高压、高温、强烈摩擦、振动、冲击、热冲击一、刀具材料应具备的性能1、高硬度和耐磨性硬度≥62HRC耐磨性与硬度、化学成分、强度、显微组织、摩擦区温度有关2、足够的强度和韧性动静载荷下变形小、不崩刃折断3、高耐热性高温下保持耐磨性、硬度、化学成分、强度、韧性的能力（高温硬度表示）一般以高温硬度表示4、良好的热物理性能和耐热冲击性能导热系数热膨胀系数5、良好的工艺性6、经济性二、刀具材料的分类工具钢碳素工具钢合金工具钢高速钢硬质合金陶瓷超硬材料人造金刚石立方氮化硼第二节工具钢一、碳素工具钢含碳量0.65～1.35％的优质高碳钢T7AT8AT10AT12A工艺性好可热处理耐磨性好淬火硬度可达HRC58～64价格低耐热性差250～300℃硬度下降（马氏体分解）碳化物分布不均匀淬火变形大淬透性差v5～10m/min锉刀、丝锥、锯条、板牙等低速手动工具二、合金工具钢高碳钢中加入合金元素（Si、Cr、W、Mn、V）总量不超过3～5％9SiCrCrWMnCrMnCrW59Mn2V提高韧性、耐磨性、耐热性耐热性325～400℃15785774997722v10～15m/min丝锥、板牙、铰刀、搓丝板等低速机用工具三、高速钢（白钢、锋钢、风钢）含有较多合金元素（W、Cr、Mo、V等）的高合金工具钢HRC63～67500～650℃强度高工艺性好高性能HSS高耐热性HSS高碳HSS9W6Mo5Cr4V2（提高耐热、耐磨）高钒HSSW6Mo5Cr4V3钴HSSW2Mo9Cr4VCo8超硬HSS铝HSSW6Mo5Cr4V2Al粉末冶金HSS（可加大含碳量、细小均匀结晶组织、磨加工性好、物理力学性能高度各向同性、减小淬火变形、碳化物不易剥落）四、合金元素的作用W、Fe、Cr、V与C形成化合物提高耐磨性W溶于基体，增加高温硬度Mo作用同W（1％Mo＝2％W）并可细化碳化物，提高韧性Co、Al、Si、Nb（铌）提高高温硬度V提高耐磨性（不宜超过3％）第三节硬质合金一、组成及特点1、组成高硬度、高熔点的重金属碳化物（WC、TiC、TaC钽、NbC铌）粉末和金属结合剂（Co、Ni）粉末冶金而成2、特点高硬度HRA89～91强度韧性低高耐热性800～1000℃热稳定性好v是HSS的4～10倍二、影响硬质合金性能的因素金属碳化物的种类、性能、数量、粒度、结合剂数量1、种类和性能硬度TiC＞WC＞TaC熔点TaC＞TiC＞WC强度WC＞TiC＞TaC导热WC＞TiC＞TaC2、数量、粒度、结合剂数量碳化物↑→硬度↑强度↓结合剂↑→硬度↓强度↑粒度↓→结合剂层厚度↓→硬度↑强度↓157857749977233、碳化物分布均匀→防止热应力和机械冲击产生裂纹TaC→碳化物颗粒细化分布均匀三、种类及牌号1、WC基类（常用）1）钨钴类WC－CoYG数字为Co含量YG3YG6YG8硬度↓强度↑2）钨钛钴类WC－TiC－CoYT数字为TiC含量YT5YT15YT30硬度↑强度↓3）钨钴钽（铌）类WC－TaC（NbC）－CoYGAYG6A4）钨钛钴钽（铌）类WC－TiC－TaC（NbC）－CoYW通用硬质合金YW1YW22、TiC基类TiC－NiMoYN钢件精加工YN10YN053、钢结硬质合金TiC或WC30～40％HSS70～60％粉末冶金性能介于HSS与Y之间可锻造、热处理、切削加工、制作复杂刀具四、性能特点1、硬度、强度Co↑→硬度↓强度↑韧性↑Co相同硬度YT＞YG强度韧性YG＞YT硬度细晶粒＞粗晶粒强度细晶粒＜粗晶粒含TaC（NbC）→硬度↑强度↑2、导热系数YG＞YT（因WC＞TiC）YG：Co↑→导热系数↓YT：TiC↑→导热系数↓3、线膨胀系数YT＞YG15785774997724TiC↑→线膨胀系数↑4、抗粘结性YT＞YG五、硬质合金的选用（P26表2－4）第四节涂层刀具一、材料TiC（灰）：硬度高、耐磨性好、线膨胀系数与基体相近，粘结牢固TiN（金）：硬度稍低、结合稍差、摩擦系数小、抗粘结磨损Al2O3（亮白）：类刚玉结构，高硬度，高耐磨，高温稳定TiAlN（灰蓝）：Al含量小于50％，高温Al渗出，形成耐高温氧化膜AlTiN（灰蓝）：Al含量超过50％TiCN（灰蓝）：金刚石（暗灰）：高硬度，高耐磨，高温不稳定MoS2（黑灰）：高耐热性，极低摩擦系数WC/C（深灰）：中耐热性，极低摩擦系数AlCrN：良好的抗氧化性和热硬度目前商业应用的还有TiB2、CrSiN、ZrN、CrN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx和NbN等材料二、分类1、层数分类单涂层多涂层2、厚度分类微米级涂层纳米级涂层3、材料性质分类硬涂层：在韧性较好的刀具材料上涂敷高性能的难熔金属化合物，改善材料性能软涂层：主要成分为具有低摩擦系数的固体润滑材料，如：MoS2、WC/C、WS2、BN、CaF2和TaS2等。用于对刀具摩擦有非常高要求的加工，软涂层形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有很低的摩擦系数，一般在硬涂层表面上以第二涂层的方式沉积。特点：摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、物性变化小、能适应1200℃以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围，适于在高温、高速和大载荷等特殊环境条件下使用。机理：由于具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，并且各层之间有较低的剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，在固体润滑膜内部，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。三、涂层工艺工艺出现时间用途CVDHT-CVD（高温化学气相沉积）上世纪六十年代TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层，其涂层与基体结合强度高，薄膜厚度可达7～9μm。15785774997725PCVD（低温化学气相沉积）450℃～650℃上世纪八十年代末TiN、TiCN、TiC等涂层MT-CVD（中温化学气相沉积）上世纪九十年代中期可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达8～10μm。这种涂层结构具有极高的耐磨损性、抗热震性及韧性。适合于高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用。PVDPVD（物理气相沉积）500℃以下上世纪七十年代末可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。上世纪九十年代中期硬质合金刀具PVD涂层技术已取得了突破工艺对比CVD工艺PVD工艺温度工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度的下降PVD工艺处理温度低，在600℃以下对刀具材料的抗弯强度没有影响应力薄膜内部为拉应力状态,使用中易导致微裂纹的产生薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层污染排放的废气、废液会造成工业污染,对环境影响较大对环境没有不利影响1、化学气相沉积（CVD）工艺温度高，对刀具材料有影响，常用于整体硬质合金刀具涂层。不适合钎焊的硬质合金刀片和高速钢刀具，因为过高的沉积温度(1400°F)会损坏钎焊的硬质合金刀片和高速钢刀具。高温CVD低温CVD中温CVD2、物理气相沉积（PVD）工艺温度低，可用于HSS刀具涂层真空溅射5～12μm单涂层双涂层三涂层四、性能刀具不能重磨、焊接。金刚石涂层刀具在加工非金属复合材料和塑料时，刀具寿命可比不涂层的硬质合金刀具提高10～20倍或更高。通过去除刀具表面的钴粘结剂，留下的显微孔隙成为金刚石涂层生长的支撑点第五节其它材料一、陶瓷1、特点：高硬度，高耐磨性高化学稳定性低摩擦系数高耐热性抗热冲击性差，强度韧性低2、分类：1）、高纯氧化铝陶瓷Al2O3＋微量添加剂冷压烧结HRA91～922）、复合氧化铝陶瓷Al2O3＋TiC＋Ni（Mo）热压HRA93～9415785774997726200℃时HRA80惰性大用于精加工半精加工3）、复合氮化硅陶瓷Si3N4＋TiC＋Co热压硬度与复合氧化铝陶瓷相近加工冷硬铸铁、淬硬钢二、人造金刚石高硬度HV10000（YHV1300～1800）热稳定性低，700～800℃碳化不能加工铁族元素三、立方氮化硼（表面粗糙度可代替磨削）硬度高HV8000高热稳定性1300～1500℃惰性大化学惰性。