3技能训练应知篇之刀具材料

技能训练应知篇项目三、刀具材料在切削过程中，刀具直接承担切除工件余量和形成已加工表面的任务。刀具切削性能的优劣，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。其中，刀具材料对刀具的使用寿命、加工质量、加工效率和加工成本影响极大。应当重视刀具材料的正确选择和合理使用，重视新型刀具材料的研制。第一节刀具材料应具备的性能刀具由切削部分和夹持部分组成。刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具的切削能力直接影响生产率、加工质量和加工成本等。刀具的切削性能，主要取决于刀具材料。刀具切削时，切削部分要与切屑、工件相互接触，承受很大的压力和强烈的摩擦、高温、切削力、冲击和振动。工作环境十分恶劣，因此，刀具材料必须具备以下性能：1．高的硬度和耐磨性以满足刀具抵抗机械摩擦磨损的需要。硬度一般在HRC60以上。耐磨性是材料硬度、强度、化学成分、显微组织等的综合效果。2．足够的强度和韧性以满足刀刃在承受重载荷及机械冲击时不致破损的需要。为避免崩刃和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。3．高的耐热性以满足刀具热稳定性的需要。高温下应有高硬度、耐磨性、强度和韧性，才能完成切削。4．良好的导热性和较小的膨胀系数是提高加工精度的需要。导热系数大，有利于降低切削温度；线膨胀系数小，加工误差小。5．稳定的化学性能和良好的抗粘结性能是提高刀具抗化学磨损的需要。良好的性能能保障刀具在高温、高压下保持抗扩散、抗氧化能力，与工件材料亲和力小，粘结磨损小。6．良好的工艺性能和经济性是便于使用和推广的需要。良好的工艺性能满足各种加工的需要；良好的综合经济性使得刀具价格不高，获取方便，有利于推广使用。刀具材料的种类很多，常用的刀具材料主要有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金（包括超细晶粒硬质合金、涂层刀具）、陶瓷和超硬刀具材料（金刚石、立方氮化硼）等四大类。目前最常用的刀具材料是各类高速钢和各种硬质合金，其中硬质合金刀具的使用量占刀具使用总量的60%以上。碳素工具钢和合金工具钢是早期使用的刀具材料，由于耐热性很差，现在主要用于手工工具或低速切削刀具，已较少使用。第二节高速钢一、高速钢的特点高速钢是加入了钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。具有较好的耐磨性和较高的热硬性，可在500650℃的温度下进行切削加工；还具有高的强度和高的冲击韧性，以及较好的工艺性能，刃磨时能获得锋利的刃口，被称为锋钢，另有钨钢和白钢之称。1．高速钢中添加元素的作用特点高速钢具有较高的硬度和较好的耐磨性，主要是在原有材料中添加的W、Mo、Cr、V等合金元素与C化合形成了高硬度碳化物，并经近熔点淬火和低温回火热处理的结果。（1）钨（W）W和C的原子结合力很强，WC能够提高马氏体受热时的分解稳定性，使高速钢在550~600℃时仍能保持高硬度，增加了高速钢的热硬性。（2）钼（Mo）与W作用基本相同，1%的钼可替代2%的钨。钼能细化碳化物晶粒，提高钢中碳化物均匀性，提高高速钢的韧性。（3）铬（Cr）在高速钢中的主要作用是提高淬透性，也可以提高回火稳定性，并能抑制碳化物晶粒的长大。（4）钒（V）V与C的结合力比W的更强，以稳定的VC形式存在，VC晶粒细小，分布均匀，硬度很高。钒使钢的热硬性提高的作用比W更强烈，并能阻止高温时晶粒长大。2．高速钢的分类高速钢根据切削性能，可分为普通高速钢和高性能高速钢；根据化学成分，可分为钨系、钨钼系和钼系高速钢；根据制造方法，可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。二、普通高速钢普通高速钢工艺性能好，切削性能可满足一般工程材料的常规加工要求。常用的品种有：1．W18Cr4V钨系高速钢也称18-4-1，其中W、Cr、V的质量分数（即质量含量，下同）分别为18%、4%、和1%。它具有较好的综合性能和刃磨工艺性，可制造各种复杂刀具，但强度和韧性不够，精加工寿命不高，且热塑性差，正在减少应用。2．W6Mo5Cr4V2钨钼系高速钢也称6-5-4-2，其中W、Mo、Cr、V的质量分数分别为6%、5%、4%和2%。它具有较好的综合性能和刃磨工艺性。由于Mo的作用，其碳化物呈细小颗粒且均匀分布，故刀具抗弯强度和冲击韧性都高于钨系高速钢，并具有较好的热塑性，适于制作热轧刀具和大尺寸刀具。但有脱碳敏感性大和淬火温度窄、热处理工艺较难掌握等缺点。3．W9Mo3Cr4V钨钼系高速钢也称9-3-4-1，W、Mo、Cr、V的质量分数分别为9%、3%、4%和1%。这是根据我国资源研制的牌号。其抗弯强度与韧性均比6-5-4-2好。高温热塑性也好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切削性能。三、高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢中增加碳、钒（C、V），添加钴、铝（Co、Al）等合金元素的新钢种。耐磨性和耐热性有显著提高，其常温硬度可达HRC67~70，能被用于不锈钢、耐热钢和高强度钢等难加工材料的切削加工。主要有以下几种：1．W6Mo5Cr4V3高钒高速钢由于将含钒（V）量提高到3%~5%，从而提高了钢的耐磨性。一般用于切削高强度钢。但其刃磨性能比普通高速钢差。2．W2Mo9Cr4VCo8钴高速钢它具有良好的综合性能，加入钴后可提高钢的高温硬度和抗氧化能力，因此可以提高切削速度。用于切削高温合金、不锈钢等难加工材料。但含钴量高，故价格昂贵。3.W6Mo5Cr4V2Al铝高速钢铝高速钢是我国独创的新型高速钢种，它是在普通高速钢中加入了少量的铝，可提高了高速钢的耐热性和耐磨性，具有良好的切削性能和较持久的使用寿命，且价格低廉。但其磨削性差、淬火温度范围窄、氧化脱碳倾向大、热处理工艺要求较严格。四、粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是把高频感应炉熔炼好的高速钢钢水置于保护气罐中，用高压惰性气体（如氩气）雾化成细小的粉末，然后用高温（1100℃）、高压（100MPa）压制、烧结而成。它克服了一般熔炼方法产生的粗大共晶偏析，热处理变形小，韧性、硬度较高，耐磨性好。用它制成的刀具，可切削各种难加工材料。和熔炼高速钢比较，粉末冶金高速钢具有如下优点：（1）可获得细小均匀的结晶组织，完全避免了碳化物偏析，提高了钢的硬度和强度；（2）钢的物理力学性能各向同性，可减少热处理变形与应力，可用于制造精密刀具；（3）钢中的碳化物细小均匀，使磨削加工性得到显著改善；（4）粉末冶金高速钢提高了材料的利用率。粉末冶金高速钢目前应用较少，其原因主要在于其成本较高，其价格相当于硬质合金。因此主要用来制成各种精密刀具和形状复杂的刀具，如拉刀、切齿刀具，以及加工高强度钢、镍基合金、钛合金等难加工材料用的刨刀、钻头、铣刀等刀具。五、高速钢刀具的表面涂层高速钢刀具表面涂层处理的目的是为了在刀具表面形成硬度高、耐磨性好的表面层，提高刀具的切削性能。涂层的方法有蒸汽处理、低温气体氮碳共渗、辉光离子渗氮等。此外还可采用真空溅射的方法在刀具表面沉积一层TiC或TiN（约10μm），使刀具表面形成一层高硬度的薄膜。涂层高速钢基体是强度、韧性好的高速钢，表层是具有高硬度、高耐磨性的耐磨材料。刀具的切削力小，切削温度可下降约25%，切削速度、进给量和使用寿命得到显著提高。几种常用高速钢牌号与物理力学性能见下表。第三节硬质合金一、硬质合金的组成与性能硬质合金是由高硬度、高熔点的碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化铌NbC、碳化钽(tăn)TaC等金属碳化物粉末，用钴Co、钼Mo或镍Ni等金属作粘结剂，经高温、高压、烧结而成的粉末冶金制品。常用的硬质合金中含有大量的WC、TiC，硬度、耐磨性、耐热性均高于高速钢。常温硬度达HRA89~94，热硬温度高达800~1000℃。切削钢的速度可达220m/min。硬质合金的物理力学性能取决于合金的成分、粉末颗粒粗细以及合金烧结工艺。其中，金属碳化物所占比例大，硬质合金的硬度就高，耐磨性也好；反之，若粘结剂的含量高，硬质合金的硬度就会面降低，抗弯强度和冲击韧性就有所提高。当粘结剂的含量一定时，金属碳化物晶粒越细，硬质合金硬度越高。合金中加入TaC、NbC有利于细化晶粒，提高了硬质合金的耐热性，使热硬温度提高到1000~1100℃，使切削钢的速度能够提高到200~300m/min。但是，硬质合金的抗弯强度低、韧性差，怕冲击振动，工艺性能较差，不易做成形状复杂的整体刀具。二、普通硬质合金的分类和使用性能普通硬质合金按其化学成分与使用性能分为四类：即钨钴类、钨钴钛类、钨钴钛钽（铌）类和碳化钛基类。1．钨钴类（WC-Co，GB为YG类）硬质合金相当于ISO标准的K类，主要由硬质相WC和粘结剂Co组成，常温硬度为HRA88～91，切削温度可达800～900℃，抗弯强度和冲击韧性较好，不易崩刃，适宜加工铸铁等脆性材料、有色金属和纤维层压等非金属材料，一般不用于普通碳钢等塑性材料的切削加工。常用牌号主要有YG3、YG6、YG8等。2．钨钴钛类（WC-Tic-Co，YT类）硬质合金相当于ISO标准P类，主要由硬质相WC、TiC和粘结剂Co组成，常温硬度为HRA89~93，切削温度可达800~1000℃，YT类硬质合金中加入了TiC，使其硬度、耐热性、抗粘结性和抗氧化能力均有所增加，从而提高了刀具的切削速度和刀具耐用度。但YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差，故主要用于一般呈带状长切屑的普通碳钢及其合金钢等塑性材料的切削。合金中含TiC量较多者适合精加工；反之，含TiC较少者适合粗加工。常用的牌号主要有YT5、YT15、YT30等。3．钨钴钛钽（铌）类（WC-TaC（NbC）-Co，YW类）硬质合金相当于ISO标准的M类，它是在普通硬质合金中加入了TaC或NbC等稀有难熔金属碳化物，从而提高了硬质合金的的韧性和耐磨性，使其具有较好的综合切削性能。YW类硬质合金主要用于不锈钢、耐热钢的加工，也适用于普通碳钢和铸铁的切削加工，可覆盖YG类（K类）和YT类（P类）硬质合金的应用范围，被称为通用型硬质合金，常用的牌号有YW1、YW2等。4．碳化钛基类（WC-TiC-TaC(NbC)-Co，YN类）硬质合金相当于ISO标准的P类，又被称为金属陶瓷，它是以硬质相TiC为主要成分，以Ni和Mo为粘结剂的硬质合金，具有很高的硬度，与工件材料的亲和力较小，可采用较高的切削速度。因此，它适用于高速精加工普通钢、工具钢和淬火钢。但YN类硬质合金抗塑性变形能力差，抗崩刃性差，只适合连续切削。各种硬质合金的牌号及其应用范围见下页的表3-2。表1-1各种硬质合金的应用范围牌号应用范围YG3X铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工、不能承受冲击载荷YG3铸铁、有色金属及其合金的精加工、半精加工、不能承受冲击载荷YG6X普通铸铁、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和粗加工YG8铸铁、有色金属及其合金、非金属材料的粗加工，也可用于断续切削YG6A冷硬铸铁、有色金属及其合金的半精加工，亦可用于高锰钢、淬硬钢的半精加工和精加工YT30碳素钢、合金钢的精加工YT15YT14碳素钢、合金钢在连续切削时的粗加工、半精加工，亦可用于断续切削时精加工YT5碳素钢、合金钢的粗加工，可用于断续切削YW1高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的半精加工和精加工YW2硬度、耐磨性、切削速度抗弯强度、韧性、进给量高温合金、高锰钢、不锈钢等难加工材料及普通钢料、铸铁、有色金属及其合金的粗加工和半精加工3-2常用三、其他硬质合金及其使用性能1．超细晶粒硬质合金相对于WC粒度为几个微米的普通硬质合金，超细晶粒硬质合金中细化了WC的粒度，其中WC的粒度在0.2~1μm之间，大多数是在0.5μm以下。由于晶粒的细化使得这种硬质合金兼备高硬度和高强度的性能，可用于间断切削，特别是难加工材料的间断切削；适用于高速钢刀具耐用度不够，一般硬质合金又易崩刃的场合，非常适宜象切断和端面车削这类切削速度变化范围很宽的加工需求。由于超细晶粒硬质合金材料制成的刀具具有很高的刀刃强度，允许使用高速钢刀具的几何角度和切削用量（vc50~60m/min）进行切削加工，适合制作小尺寸的钻头和铣刀等复杂形状的