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1W200D-01/01金属切削刀具材料2W200D-01/01金属加工刀具材料刀具材料的选择对于切削刃的切削功能是非常重要的。在确定了工件材料之后，一个好的刀具材料选择是至关重要的。现在主要的刀具材料如下:-高速钢（HSS）-涂层和不涂层硬质合金（SOLIDCARBIDE）-金属陶瓷-氮化硅陶瓷刀片-立方氮化硼（CBN）-多晶金刚石（PCD）3W200D-01/01金属切削刀具材料多晶金刚石多晶金刚石CBNCBN陶瓷金属陶瓷镀层硬质合金极细晶粒硬质合金高速钢韧性硬度EZA9912D¨©¨©4W200D-01/01金属切削材料硬度表0102030405060HSSHMP10HMP40KeramikSi3N4CBNPKD硬度[Gpa]5W200D-01/01金属切削材料韧性表050010001500200025003000HSSHMP10HMP40KeramikSi3N4CBNPKD抗弯强度[N/mm2]6W200D-01/01各种刀具材料加工材料的硬度范围CBN陶瓷硬质合金（涂层）25303540455055606570HRc250285325380420485560HB86097011001290143016702000N/mm2工件材料硬度刀具材料7W200D-01/01金属切削材料的红硬性表2505007501000125015000温度[°C]¨硬度[HV10]¨050004000300020001000金刚石CBN陶瓷硬质合金高速钢8W200D-01/01不同材质刀具切削如何使用冷却液•从列表可以看出：•1.金刚石尽管常温下刀具硬度很高,达4800维氏硬度,但切削过程中硬度下降很快,所以切削时需要冷却液来冷却刀具,保证其红硬性.•2.CBN刀具硬度仅次于金刚石硬度,且切削过程中硬度下降很慢,所以在切削硬材料过程中,昀好不要使用冷却液.•3.硬质合金\高速钢刀具硬度低,在切削过程中硬度下降,所以为保证一定硬度,建议使用冷却液,且对准刀具刀尖,冷却液要连续且充分.9W200D-01/01高速钢（HSS）•高速钢：一种含多量碳(C)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等元素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。当切削温度高达600℃以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟60米以上，而得其名。•高速钢按化学成分分为：普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。•有钨系高速钢和钼系高速钢两大类。•钨系高速钢有W18Cr4V,钼系高速钢有W6Mo5Cr4V2等。10W200D-01/01高速钢(HSS)高速钢又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总量达10～25%左右。它在高速切削产生高热情况下(约500℃)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。这就是高速钢昀主要的特性——红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200℃时，硬度便急剧下降，在500℃硬度已降到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。而高速钢由于红硬性好，弥补了碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削工具。11W200D-01/01高速钢制造方法•高速钢的热处理工艺较为复杂，必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为860～880℃。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800～850℃预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加热到淬火温度1220～1250℃，后油冷。工厂均采用盐炉加热。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行2～3次回火，回火温度560℃，每次保温1小时。(1)生产制造方法：通常采用电炉生产，近来曾采用粉末冶金方法生产高速钢，使碳化物呈极细小的颗粒均匀地分布在基体上，提高了使用寿命。(2)用途：用于制造各种切削工具。如车刀、钴头、滚刀、机用锯条及要求高的模具等。12W200D-01/01•硬质合金是一种主要由不同的碳化物和粘结相组成的粉末冶金产品。•硬质合金很硬。其主要碳化物有：•-碳/钨(W/C)•-碳化钛(TiC)•-碳化钽(TaC)•-碳化铌(NbC)•在大部分情况下，钴作为粘结剂使用。硬质合金切削材料在硬质合金工厂，硬质合金需经过混合、压制和烧结。硬质合金的分类根据ISO标准进行。这种分类的依据是工件的材料类别(P,M,K，N)。不同的硬质合金材质有不同的用途，如车削、铣削、孔加工、螺纹加工、切槽等。13W200D-01/01各种硬质合金对性能的影响IncreasingIncreasingIncreasingIncreasingIncreasingWCcontentCocontentTiCcontentTaCcontentgrainsizeHardness+-+++-Compressivestrength+-oo-Abrasionresistance++--++-Hothardness+-+++-Flexuralstrength-++--+Diffusioninertiaoo++oOxidationresistance-o+++oThermalcyclingresistanceo+-+-Edgestrengthoo-+-Modulusofelasticity++-++oAbrasionresistance+-++-Tenacity-+-++14W200D-01/01硬质合金制作过程（1）WCWC=TungstencarbideTiC=TitaniumcarbideTaC=TantalumcarbideNbC=NiobiumcarbideCo=Cobalt硬质合金合金成分粘合剂硬材料+合金材料=硬质合金混合、搅拌混合成合金粉末15W200D-01/01硬质合金制作过程（2）混合温度1500-1800°C碳和钨(WC)研磨后晶粒尺寸0.6-6µm其他硬质合金含量一般在0%到25%,粘合剂一般在3%到15%.16W200D-01/01硬质合金压制过程压制后体积缩小一半压制后金相组织压制填充17W200D-01/01硬质合金烧结过程1350°C-1500°C18W200D-01/01烧结过程时间温度对照表175015001250100075050025002468101214161820时间(h)温度(°C)••••••0DewaxingStartofcompactionLiquidphase1+235+645+6+719W200D-01/01加工不同工件材料的硬质合金金相图加工钢件系列高含量粘合剂加工铸铁系列高含量粘合剂加工不锈钢系列加工铸铁系列低含量粘合剂加工钢件系列高含量粘合剂20W200D-01/01涂层硬质合金刀具材料21W200D-01/01镀层硬质合金材料•镀层硬质合金刀片是采用化学气相沉积方法（化学镀层CVD）或物理气相沉积方法（物理镀层PVD），将耐磨的硬化物，如TiC、TiN、Al2O3、HfN及金刚石薄膜等，镀覆在高强度的硬质合金基体上而产生的新一代硬质合金刀片。•由于它把硬度和韧性高度结合起来，使刀片的性能与非镀层刀片比较，使用寿命能成倍地提高，尤其在难加工材料和重切削领域有着很大的优越性。•同时由于镀层刀片适应范围广泛，因此可大大减少供选择的刀片牌号数量。镀层刀片按镀层成分可分碳化钛镀层、氮化钛镀层、氧体铝镀层、碳氮化钛镀层、金刚石镀层等；按涂层工艺又可分为单镀层、多镀层及复合镀层等。22W200D-01/01•镀层硬质合金材料(HC)对于发展切削材料的耐磨性和提高材料硬度方面具有里程碑的意义。•镀层硬质合金的使用寿命比未镀层的硬质合金高出许多倍。•重要的镀层材料有：–碳化钛(TiC),HV3200,灰色–氮化钛(TiN),HV2000,金色–氧化铝(Al2O3),HV2600,黑色–碳氮化钛(TiCN),HV3000,深紫色•按照应用分类(ISO范围)不同镀层类型的组合与厚度是有可能的，也是很重要的。•镀层厚度:–负型刀片=6~20μm–正型刀片=4~10μm镀层硬质合金材料23W200D-01/01刀具涂层结构及物理性能TiCTiNTi(C,N)Al2O3涂层厚度.=3µm涂层颜色：灰色涂层厚度：max.16µm涂层颜色–蓝灰混合涂层厚度：max.4µm涂层颜色：黑色作用:抵抗后刀面磨损。作用:防止刀具材料流失。作用:抵抗后刀面磨损，防止刀具材料流失作用:抵抗前刀面磨损及氧化。TiNTiC多层涂层：TiC+TiN涂层厚度：6µm复合涂层TiN+Ti(C,N)+Al2O3+TiN涂层厚度：5and16µmTiNTiNAl2O3Ti(C,N)涂层厚度.=3µm涂层颜色：黄色24W200D-01/01硬质合金涂层发展状况图100908070605040302010%©¨19601970198019902000...铣刀片车刀片年代钻刀片可转位刀片涂层技术应用比例比例25W200D-01/01化学涂层方法化学气相沉积可以定义为一种材料合成方法。这种方法使气相的几种组成成分反应并在一些表面上形成一固体膜。CVD系统中的化学反应可划分为还原、氧化、水解、热解等，是在低压CVD反应器中实现的。沉积反应几乎永远是一种不均匀的多相反应。特点：1、化学涂层较物理涂层较厚，一般5~20µm。2、化学涂层结构相对较疏松，没有物理涂层致密，所以同等厚度情况下没有物理涂层耐磨。26W200D-01/01化学涂层过程Ti(C,N)Al2O327W200D-01/01中温、高温控制涂层材料的沉积MT-Ti(C,N)HT-Al2O3HT-TiN基体材料28W200D-01/01化学涂层的结构Ti(C,N)+Al2O3+TiN5µmTi(C,N)+Al2O3+TiN10µm16µmTi(C,N)+Al2O3+TiNTi(C,N)+TiNTi(C,N)+TiN6µm12µm0,02,04,06,08,010,012,014,016,0CoatingthicknessµmDrillingMillingDrillingcastironMillingcastironTurningpos.basesh.Turningneg.basesh.29W200D-01/01物理涂层方法物理气相沉积是一种固态的金属反应成分的过程，例如钛。物理气相沉积一般有真空中蒸发沉积、溅射、离子镀三种将固态镀层材料气化的方法。由于PVD工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身的强度，刀片刃部可磨得十分锋利，从而可降低机床的功率消耗。WQM3530W200D-01/01物理涂层过程450度31W200D-01/01物理涂层WQM35REM-micrographZrCN-顶层TiAlN/TiN-Multilayer基体材料:Ultrafine-grainedhardmetal32W200D-01/01百层镀层的WQM35材料从技术上讲，制备由上百层(每层厚度为50~1000nm)组成的多层涂层，在PVD工艺中容易实现。单层厚度为20~50nm时，这种涂层的耐磨性昀佳。WQM3533W200D-01/01陶瓷刀片34W200D-01/01陶瓷刀片Cermetsareaspecialformofhardmetal.Incontrasttoconventionalhardmetals,theyaremadeoftitaniumcarbideandtitaniumnitride,andthebindingmetalnickel.ThenameCermetisderivedfromthewords“ceramic”and“metal”.Cermetsunitethebenefitsofferedbyboththesematerialsintermsoftheirmetalcuttingcapab