刀具材料论文

1现代工程材料成形与机械设计制造基础——《关于新型刀具材料论文》目录摘要:...........................................................................................................1关键词：....................................................................................................2简析刀具材料和性能................................................................................2一、刀具材料应具备的性能..............................................................3二、现代新型刀具材料......................................................................4（一）高速钢................................................................................4（二）硬质合金............................................................................5（三）涂层刀具............................................................................7（四）陶瓷....................................................................................9（五）超硬刀具材料....................................................................9展望强度最高的物质——石墨烯，氮化碳（β—C3N4）..................11摘要:随着工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和形状不断复杂化和多样化，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精2密加工、绿色制造的发展和付诸实用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计，在今后很长时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。以下让我来论述了刀具和刀具材料回顾早期机械制造中的刀具材料，重点阐述现代产品加工中所用新型刀具材料（高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料）的性能及其应用范围。对二十一世纪新型刀具材料发展的动向作出预测和展望。关键词：刀具材料；新型；常用刀具；展望。刀具材料的发展在人类的生活、生产和战争中有着很大的重要性。在古代，“刀”和“火”是两项最伟大的发明，它们的发明和应用是人类登上历史舞台的重要标志。刀具材料的进步曾推动着人类社会文化和物质文明的发展。例如，在人类历史中曾有过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代等。材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。其中，刀具材料的性能起着关键作用。20世纪是刀具材料大发展的历史时期。各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计，在今后很长时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。简析刀具材料和性能3刀具材料应具备的性能刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量、以及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右;20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米;当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上;被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。一、刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。高硬度和高耐磨性刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。足够的强度与冲击韧性强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。4冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。高耐热性耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。良好的工艺性和经济性为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。二、现代新型刀具材料（一）高速钢在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受成形加工，故能用以制造各种刀具。在刀具材料总消耗量中高速钢几近一半。传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。在钨系高速钢中，除MC，M2C，M23C外，M6C是其主要的碳化物，即Fe3W3C和Fe4W2C。在钨钼系高速钢中，M6C为Fe3（W，Mo）3C和Fe4（W，Mo）2C。所有的高速钢中，铬含量分数均保持在3.5%~4.5%，5它是增大高速钢淬透性的主要元素。在钢中形成Cr23C6。钒含量分类增加，钢的耐磨性随之提高，但使刀具接受刃磨困难，且脆性增加。钒的碳化物为VC与V4C3。含V1%~2%的高速钢用得最多；V3%者用得较少，且忌作形状复杂的刀具。加入钴元素后，可形成超硬高速钢。钴不形成碳化物，但能提高淬火温度，增强二次硬化效果，提高高温硬度。美国的M42（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）和瑞典的HSP-15（W9Mo3Cr4VCo10）都是性能优良的高钴超硬高速钢。中国缺钴资源，钴价昂贵。因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢。Co5Si（W12Mo3Cr4V3Co5Si）是属于少钴者，新研制的Co3N（W12Mo3Cr4VCo3N）亦为少钴，性能都不错。铝元素在钢中能生成Al2O3、AlN；且起钉扎作用，阻止位错，从而提高了材料的硬度和强度。中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面，做出了较大贡献。用粉末冶金方法制造高速钢，可消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性，钒含量高时亦能较好地刃磨。粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢。国内掌握这方面的技术。国外有粉末高速钢产品，钒含量高达6%~8%。在高速钢的基体上，用物理气相沉积（PVD）法涂覆耐磨材料薄层（如TiN，TiAlN等），可显著提高刀具寿命和加工表面质量，降低切削力。这种涂层高速钢刀具已得到广泛应用。（二）硬质合金硬质合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，通常分为：6切削铸铁的钨钴系列（K类，YG类），切削钢材的钨钛钴系列（P类，YT类），还有通用系列（M类，YW类）。新型硬质合金有下列6类。1．添加TaC和NbC的硬质合金添加后能有效地提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化的能力。此外，还能增强抗塑性变形的能力。在合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。在新型P，M，K类硬质合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。在新型P，M，K类硬质合金中，很多是添加了TaC、NbC的。2．细晶粒和超细晶粒硬质合金粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性，适当增加钴含量后还可以提高抗弯强度。普通刀具牌号和合金平均晶粒尺寸为2~3μm，细晶粒合金为1~2μm，亚微细晶粒合金为0.5~1μm，超细晶粒合金为0.5μm以下。早先的细晶粒和超细晶粒结构多用于K类合金，近年来P类、M类合金也向细化晶粒的方向发展。我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。3．TiC基和Ti（C，N）基硬质合金金属陶瓷YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量达65%~97%，并以Co为黏结剂，TiC基合金则以TiC为主要成分，占60%~80%以上，仅含少量WC，以Ni-Mo作黏结剂。与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削钢材时摩擦因数小，抗黏结与抗扩散的能力较强，但其韧性的抗塑变的能力稍弱。Ti（C，N）基合金具有与TiC基合金相同的优点，但其韧性和抗塑变能力高于TiC基合金。这类合金多用以加工未淬火的7钢材。4．添加稀土元素的硬质合金加少量铈、钇等稀土元素，可以有效地提高合金的韧性与抗弯强度，耐磨性亦有一定提高。这是因为稀土元素强化了硬质相和黏结相，净化了晶界，并改善了碳化物固溶体对黏结相的湿润性。这类合金最适用于粗加工刀具牌号，亦可用于半精加工牌号；在矿山工具、顶锤、拉丝模用硬质合金中亦有广阔发展前景。我国稀土元素资源丰富，在硬质合金中添加稀土的研究有所领先。P，M，K类合金都已研制出添加稀土的牌号。5．表面涂层硬质合金CVD或PVD等方法，在硬质合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti（C，N），Al2O3等薄层，形成涂层硬质合金。非涂层硬质合金的力学、物理性能是硬质相和黏结相的综合性能，故其硬度和耐磨性低于硬质相自身的性能。而少层硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂层材料自身的性能，故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面质量。近20年来，涂层硬质合金刀具有了很大发展，在工业先进国家已在可转位刀具中占50%~60%以上。涂层硬质合金的基体仍为WC基的硬质合金，要求有较高的韧性。随着基体的不同，这类合金可作P类、M类或K类硬质合金使用，且适用范围较宽。6．梯度硬质合金是近年来发展起来的新品种，各层成分可根据需要加以调节。（三）涂层刀具8涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金的切削速度从80m/min提高到180m/min。1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m/min。1981年又出现了碳化钛-氧化铝-氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m/min。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20%-40%。硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9µm，表面硬度可达2500-4200HV。目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方面发展非常迅速。处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70%-80%，在铣削方面已达到50%以上。但是涂层刀具不适宜加工9高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。（四）陶瓷陶瓷刀具材料分为3类。1．氧化铝基陶瓷一般在Al2O3基体中