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1第一章常用刀具材料介绍一．刀具材料的基本性能在切削过程中，刀具切削部分是在很大的切削力、较高的切削温度及剧烈摩擦等条件下工作的，同时，由于切削余量和工件材质不均匀或切削时形不成带状切屑，还伴随冲击和振动，因此刀具切削部分的材料应具备以下几方面的性能：1．高的硬度刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，以便切入工件。一般常温时硬度在60HRC以上,对某些难切除材料，刀具的硬度要求在HRC65以上。2．高的耐磨性刀具在切削加工中经受剧烈摩擦，要求其磨损要小，通常刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。3．高的耐热性耐热性（又称红硬性）是指刀具在高温下能够保持其硬度的性能。它是衡量刀具材料切削性能的主要指标。4．足够的强度和韧性在切削过程中，刀具要经得起所承受的各种应力和冲击，才能防止刀具的崩刃或脆性断裂。5．良好的工艺性刀具材料应具备良好的可加工性和垫处理性。此外，还应考虑到刀具材料的经济性。经济性差的刀具材料难以推广使用。二．刀具材料的种类及选用常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷材料等，其中应用最多的是高速钢和硬质合金。1.碳素工具钢碳素工具钢是指含碳量为0.65%-1.35%的优质高碳钢，淬火硬度可达HRC60～65。刀具刃磨时容易达到锋利，价格低廉。这类钢由于耐热性很差（200-250℃），允许的切削速度很低（V≤10m/min），只适宜做一些低速手动工具，如板牙、手工锯条、锉刀等。常用的牌号是T7A、T8A……T13A等。2.合金工具钢合金工具钢是指含铬、钨、硅、锰等合金元素的低碳合金钢。其碳的质量分数为0.85%-1.5%，合金元素的总质量分数在5%以下。合金工具钢有较高的耐热性（300-400℃），可以允许有较高的切削速度下工作；此外这类钢淬透性较好，热处理变形小，耐磨性较好，因此可以用于截面积较大要求热处理变形较小，对耐磨性及韧度有一定要求的低速切削刀具，如板牙、丝锥、铰刀、拉刀等。以上两种材料作为刀具使用的较少。最常用的牌号有9SiCr、CrWMn等。23.高速钢高速钢又称锋钢、白钢、钨钢。是一种加入了较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它的耐磨性、热硬性都比前两者明显提高，热硬性温度可达550～600℃。高速钢允许的切削速度远不及硬质合金，但由于其抗弯强度、冲击韧性比硬质合金高，而且有切削加工方便、刃磨容易、可以铸造及热处理等优点，所以常用来制造形状复杂的刀具，如丝锥、钻头、拉刀、铣刀齿轮刀具等。常用的牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。高速钢性能知识点高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢、高性能高速钢两类；按其化学成份可分为钨系高速钢和钼系高速钢两类。（1）通用高速钢通用高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。常用的有两个品种。1）W18Cr4V属于钨系高速钢。其淬火后硬度为HRC63～66，由于它的含釩量低，磨削性能好，热处理工艺控制方便，在60～70年代用得比较普遍。但是它的抗弯强度与冲击韧性比钼系高速钢差，因而使用寿命短，现在这种高速钢很少使用。2）W6Mo5Cr4V2属于钼系高速钢，与W18Cr4V相比，淬火硬度与耐磨性相近。它的抗弯强度、冲击韧性和高温塑性较高；但磨削性能差，淬火温度范围也狭窄。因它的使用寿命长、介格低，所以被推广使用。（2）高性能高速钢是在通用高速钢中加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性、耐磨性。这种高速钢的切削速度可达50～100m/min,具有比通用高速钢更高的生产率与刀具寿命；同时还能切削不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。1）高釩高速钢（W12Cr4V4Mo）这种高速钢由于含釩（V）、碳（C）量增加，提高了耐磨性，刀具寿命比通用高速钢提高了2～4倍，这是它的主要特点。但是。随着含釩量的提高（3～5%），使磨削性能变差，刃磨困难，目前较少使用。2）高碳高速钢（95W18Cr4V）、含钴高速钢（W6Mo5Cr4V2Co8）及含铝高速钢3（W6Mo5Cr4V2Al）等高速钢，都是高性能高速钢，耐磨性、热塑性等较好，近年来使用较广。高速钢的分类知识点4.硬质合金硬质合金是有难溶金属碳化物（WC、TiC）和金属粘接剂（如Co）的粉末，在高压下成形，并经1500℃的高温烧结而成。钴起粘结作用。硬质合金的硬度为74～81.5HRC，有较好的耐磨性和热硬性。硬质合金在800～1000℃仍然保持良好的热硬性，允许切削速度远远超过高速钢。但其抗弯强度远比高速钢低，承受冲击能力差，刃口也不如高速钢锋利。硬质合金的制造工艺性比较差，因为它的硬度比较高，所以不能进行机械加工。但是硬质合金的加工范围比较广，脆性金属、钢材、有色金属等均可加工，是目前应用比较广的一种刀具材料。硬质合金知识点4常用硬质合金按其化学成分和使用特性可分为四类：钨钴类（YG）、钨钛钴类（YT）、钨钛钽铌钴类（YW）、碳化钛基类（YN）及涂层硬质合金。1)钨钴合金类（YG）这是由WC和Co组成的合金。这类硬质合金相对于钨钴钛合金来说，韧性较好，常用来加工脆性材料（如铸铁、青铜等）或冲击性较大的工件。但由于它的热硬性不及钨钴钛类，在640℃时严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降，所以一般不用于加工塑性材料，如碳钢等。常用的牌号有YG3X、YG6、YG8等。YG8用于粗加工，YG6和YG3X用于半精加工和精加工。2)钨钛钴合金类（YT）这是由WC、TiC和Co组成的合金。由于在合金中加入了碳化钛（TiC）,从而提高了合金的耐磨性，但是抗弯强度、磨削性能和导热系数有所下降；低温脆性较大，不耐冲击，因此这类合金不适宜加工脆性金属，而适于高速切削一般钢材。钨钛钴类硬质合金中，常有牌号有YT5、YT14、YT15和YT30。合金中增加了碳化钛的含量（TiC）,同时减少了钴（Co）的含量，因而提高了合金的硬度和耐磨性，但抗弯强度和导热系数随着降低。因些，当切削条件比较平稳，要求强度和耐磨性高时，应选用TiC含量较多的牌号；反之，当刀具在切削过程中承受冲击、振动而容易引起崩刃时，应选用TiC含量少的牌号3）钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW）在合金中加入适量的碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）稀有难熔金属碳化物，可提高合金的高温硬度、强度、耐磨性、粘结温度和抗氧化性，同时韧性也有所增加，具有较好的综合切削性能，人们称之为“万能合金”，但是这类合金的价格比较贵，所以主要用于加工难切削材料。4）碳化基类硬质合金（YN）它是由碳化钛作为硬质相，镍、钼作为胶结剂而组成的，所以硬度高达HRA90～95，有高的耐磨性，并具有较高的切削性能，在1000℃以上高温下，它仍能进行切削加工，因此它能采用较高的切削速度（300～400/min）,适合对较高硬度的合金钢、工具钢、淬硬钢进行连续切削的精加工5）涂层硬质合金是60年代开始出现的，它是采用化学气相沉积法或其它方法，在硬质合金表面涂覆约3～5um耐磨的难熔金属化合物，可提高刀片的综合切削性能，与普通刀片相比，寿命可提高1～4倍。刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具发展中产生了深远的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↑YT5（粗加工）YT14、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↑5影响，涂层刀具己经成为现代刀具的标志，目前，在国外涂层刀具己达70%以上，而国内涂层刀具的使用也越来越多。硬质合金是用的较多的一种刀具材料。常用的硬质合金材料的牌号的选用可见表3-1。表1-1常用硬质合金牌号的选用牌号用途YG3铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工。要求切削量不承受冲击载荷。YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工、半精加工。YG6铸铁、有色金属及其合金的半精加工与粗加工。YG8铸铁、有色金属及其合金的粗加工；也能用于断续切削。YT30碳素钢、合金钢的精加工。YT15碳素钢、合金钢连续切削时的粗加工、半精加工及精加工，也可用YT14于断续切削时的精加工。YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削。YW1不銹钢。高强度钢与铸铁的半精加工与精加工。YW2不銹钢、高强度钢与铸铁的粗加工与半精加工。YN05低碳钢、中碳钢、合金钢的高速精车、工艺系统刚性较好的细长轴精加工。YN10碳钢、合金钢、工具钢、淬硬钢连续表面的精加工。5．陶瓷它的主要成份是氧化铝（Al2O3）,刀具用陶瓷一般是以氧化铝为基本成分的陶瓷，是在高温下烧结而成的。其硬度可达91～95HRA，耐磨性比硬质合金高十几倍，适于加工冷硬铸铁和淬硬钢；在1200℃高温下仍能切削，高温硬度可达80HRA，在540℃时为90HRA，切削速度比硬质合金高2～10倍；具有良好的抗粘性能，使它与多种金属的亲和力小；化学稳定性好，即使在融化时，与钢也不起相互作用；抗氧化能力强。但缺点是脆性大、抗弯强度和冲击韧性低、导热性差。当前用的较多的是纯氧化铝陶瓷（俗称白陶瓷）和氧化铝—碳化钛混合陶瓷（俗称黑陶瓷）。⑺超硬刀具材料超硬刀具材料是金刚石和立方氮化硼的统称，用于超精加工及硬脆材料的加工。它们可用来加工任何硬度的工件材料，包括淬火硬度达65～67HRC的工具钢，有很好的切削性能，切削速度比硬质合金刀具提高10～20倍，且切削时温度低。加工超硬材料时，工件表面粗糙度的值很小，甚至可部分代替磨削加工，经济效益显著提高。陶瓷刀具还可以实现干切削，从而省去了切削液。6陶瓷刀具材料知识点6．金刚石刀具（PCD）金刚石具有极高的硬度，比硬质合金及陶瓷的硬度高几倍，是至今为止已发现的最硬材料。磨削时金刚石的研磨能力很强，耐磨性比一般砂轮高100～200倍，且随着工件材料硬度增大而提高。金刚石具有很高的导热性，切削刃可刃磨得非常锋利，被加工表面粗糙度值小，可在纳米级稳定切削。金刚石刀具具有较低的摩擦系数，保证较好的工件质量。但人造金刚石脆性大、抗冲击能力差，对振动敏感，要求机床精度高、平稳性好。金刚石刀具主要用于高速精细车削或镗削各种有色金属及其合金，也可加工各种非金属材料。但由于金刚石刀具的耐热性较差，并且与铁元素具有较强的亲和力，因此金刚石刀具一般不适合于加工铁系金属加工。77.立方氮化硼刀具（CBN）立方氮化硼刀具的硬度及耐磨性，仅次于金刚石；热稳定性比金刚石高1倍，可高速切削高温合金，切削速度比硬质合金高3～5倍；有优良的化学稳定性，适于加工的工件材料有硬度在HRC45以上的淬硬钢和耐磨铸铁；导热性比金刚石差但比其他材料高得多，抗弯强度和断裂韧性介于硬质合金和陶瓷之间。用CBN刀具，可加工以前只能用磨削方法加工的特种钢，它还非常适合数控机床加工。各种刀具材料的物理力学性能见表3-2。表1-2各种刀具材料的物理力学性能材料种类相对密度或硬度/HRC抗弯强度冲击韧性ak/热导率λ/耐热性/℃切削速度密度/（g/cm3)(HRV)HVσbb/Gpa(MJ/m2)W/(m.K)大致比值碳素工具钢7.6～7.860～652.16一≈41.87200～2500.32～0.4工（81.2～84）具合金工具钢7.7～7.960～652.35一≈41.87300～4000.48～0.6钢（81.2～84）高速钢8.0～8.863～701.96～4.410.098～16.75～550～6001～1.2（83～86.6）0.58825.1钨钴类14.3～15.3（89～91.5）1.08～2.160.019～75.4～8003.2～4.8硬0.05987.9质钨钛钴类9.35～13.2（89～92.5）0.882～0.0029～20.9～9004～4.8合1.370.006862.8金含有碳化一（≈92）≈1.47一一1000～6～10钼、铌类1100碳化钛基类5.56～6.3（92～93.3）0.78～1.08一一11006～10氧化铝陶瓷3.6～4.7（91～95）0.44～0.6864.19～20.9312008～12陶氧化铝碳化0.71～0.880.0049～11006～