常用金属材料

数控车床操作单元10：常用金属材料•一、常用金属材料的分类•二、金属材料的性能•三、常用钢铁材料的分类和牌号•四、45钢的主要性能和用途•五、常用刀具材料一、常用金属材料的分类•黑色金属和有色金属•黑色金属:钢铁（铁碳合金—碳钢、铸铁、合金钢等）•有色金属：黑色金属以外的金属及其合金－铜、铝、锡、铅、锌及其合金二、金属材料的性能•金属材料的性能包括：使用性能和工艺性能•使用性能：力学性能、物理性能、化学性能•力学性能－强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度•物理性能－导电性、导热性等•化学性能－抗氧化性、耐腐蚀性等•工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能三、常用钢铁材料的分类和牌号•碳钢－碳含量ωc＜2.11%的铁碳合金•铸铁－碳含量ωc＞2.11%的铁碳合金•合金钢－为改善钢的组织、性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢•（一）碳钢的分类和牌号•（二）合金钢的分类和牌号•（三）铸铁（一）碳钢的分类和牌号•1.碳钢的分类•⑴按碳的含量分类•低碳钢ωc≤0.25％•中碳钢0.25％≤ωc≤0.60％•高碳钢ωc＞0.60%•⑵按钢的质量分类•普通钢钢中S≤0.050％，P≤0.045％•优质钢钢中S≤0.035％，P≤0.035％•高级优质钢钢中S≤0.030％，P≤0.030％•⑶按用途分类•碳素结构钢主要用于制造工程结构和机械零件。•碳素工具钢主要用于各种刀具、量具和模具。•专用钢锅炉钢、船用钢、易切钢等•⑷按钢液脱氧程度分类•沸腾钢（F）•镇静钢（Z）•半镇静钢（b）2.碳钢的牌号•⑴普通碳素结构钢•Q235－A.F•脱氧方法(沸腾钢)•质量等级(分A、B、C、D四级，•D级最高)•屈服点σs数值(235MPa)•屈服点的字母⑵优质碳素结构钢•用两位数字表示,数字表示钢中碳的平均含量的万分数•08153545•碳的平均含量0.45%⑶碳素工具钢•T8AT8•高级优质碳素工具钢•碳的平均含量的千分数•碳的汉语拼音（二）合金钢的分类和牌号•1.合金钢的分类•⑴按合金元素含量分类•低合金钢钢中合金元素总含量≤5%，•中合金钢钢中合金元素总含量5%～10%•高合金钢钢中合金元素总含量＞10%•⑵按合金元素种类分类•根据主加合金元素，分别称为铬钢、锰钢、硅锰钢。。。。。。•⑶按主要用途分类•合金结构钢合金工具钢特殊性能钢•⑷按金相组织分类•珠光体钢、马氏体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。。。。。。2.合金钢的牌号•合金结构钢—两位数字加元素化学符号加数字••合金元素平均含量的百•分数(小于1.5%不标出)•合金元素•碳平均含量的万分数•60Si2Mn—碳平均含量为0.60%,硅含量为2%,锰含量小于1.5%的硅锰钢•合金工具钢—一位数字加元素化学符号加数字••合金元素平均含量的百•分数(小于1.5%不标出)•合金元素•碳平均含量的千分数（≥1％时不标注）•9Mn2V--碳平均含量为0.9%,锰含量为2%,钒含量小于1.5%的锰钒合金工具钢（三）铸铁•分类：白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等•常用灰铸铁的牌号：•HT150•最低抗拉强度•灰铁四、45钢的主要性能和用途•1．主要性能•碳含量0.42～0.5%•屈服点σs360MPa•抗拉强度σb610Mpa•伸长率δ16%断面收缩率ψ40%•硬度240HBS•冲击韧度50J.cm-22．主要用途•强度和韧度均较好,经过调质处理后可获得良好的综合力学性能.•主要用于受力较大的重要的机械零件:•曲轴、连杆、齿轮、机床主轴、键等对刀具切削部分材料的要求1）高的硬度和耐磨性2）足够的强度和韧性3）较好的热硬性4）良好的工艺性5）经济性五、常用刀具材料常用刀具材料刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。◆高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。特点：1）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍；2）韧性高，比硬质合金高几十倍；3）硬度HRc63以上，且有较好的耐热性；4）可加工性好，热处理变形较小。应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。常用刀具材料◆硬质合金硬质合金是用高硬度、高熔点的金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）粉末和金属粘结剂（如Co、Ni、Mo等）经高压成型后，再在高温下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，允许的切削速度远高于高速钢，且能切削诸如淬火钢等硬材料。硬质合金的不足是与高速钢相比，其抗弯强度较低、脆性较大，抗振动和冲击性能也较差。硬质合金因其切削性能优良而被广泛用来制作各种刀具。在我国，绝大多数车刀、面铣刀和深孔钻都采用硬质合金制造，目前，在一些较复杂的刀具上，如立铣刀、孔加工刀具等也开始应用硬质合金制造。超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。用等离子CVD法开发的金刚石涂层刀具，其基体材料为硬质合金或氮化硅陶瓷，用途和聚晶金刚石相同。由于可在形状复杂的刀具（如硬质合金麻花钻、立铣刀、成形刀具及带断屑槽的刀片等）上进行涂层，故具有广阔的发展前途。聚晶立方氮化硼是由单晶立方氮化硼微粉在高温高压下聚合而成。由于成份及粒度的不同，聚晶立方氮化硼刀片的硬度在HV3000～4500间变动，其耐热性达1200℃左右，化学惰性很好，在1000℃的温度下不与铁、镍和钴等金属发生化学反应。主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金及喷焊材料等。用于高精度铣削时可以代替磨削加工。由于陶瓷、金刚石和立方氮化硼等材料韧性差、硬度高，因此要求使用这类刀具的机床刚性好、速度高、功率足够、主轴偏摆小，并且要求机床一夹具一工件一刀具系统的刚性好。只有这样才能充分发挥这些先进刀具材料的作用，取得良好的使用效果。◆陶瓷刀具材料陶瓷材料比硬质合金具有更高的硬度（HRA91～95）和耐热性，在1200℃的温度下仍能切削，耐磨性和化学惰性好，摩擦系数小，抗粘结和扩散磨损能力强，因而能以更高的速度切削，并可切削难加工的高硬度材料。主要缺点是性脆、抗冲击韧性差，抗弯强度低。刀具材料的发展刀具材料的发展与切削加工高速化的关系切削速度（m/min）2000100050020010050201018001850190019502000年代碳素工具钢合金工具钢WC系硬质合金高速钢WC-TiC系硬质合金涂层硬质合金TiAlN涂层硬质合金DLC涂层硬质合金TiC-TiN金属陶瓷聚晶立方氮化硼（PCBN）陶瓷聚晶金刚石（PCD）天然金刚石PCBNPCD氧化物陶瓷氮化物陶瓷硬质合金涂层WC硬质合金涂层超细粒状硬金属涂层高速钢TiN涂层高速钢断裂韧性刀具材料的耐磨性与断裂韧性