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1、一 刀具材料 金属切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外 还要求刀具材料对工件要有良好的切削性能 在金属切削加工中 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率 工件的加工精度和已加工表面质量 刀具消耗和加工成本 正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一 特别是对某些难加工材料的切削 刀具材料的选用显得尤为重要 一 刀具材料应具备的基本性能 刀具切削部分是在高温 高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的 因此 刀具材料应具备以下基本性能 硬度高硬度是指材料抵抗其他物体压入其表面的能力 刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度 一般高于一倍至几倍 否则在高温高压下 就不能保持刀具锋利的几何形状 目前 切
2、削性能最差的刀具材料 碳素工具钢 其硬度在室温条件下也应在62HRC以上 高速钢的硬度为63 70HRC 刀具切削部分的材料在切削时要承受很大的切削力和冲击力 例如 车削45钢时 当ap 4mm f 0 5mm r时 刀片要承受约4000N的切削力 因此 刀具材料必须要有足够的强度和韧性 一般用刀具材料的抗弯强度 bb 单位为Pa N m 表示它的强度大小 用冲击韧度 k 单位为J m 表示其韧性的大小 它反映刀具材料抗脆性断裂和崩刃的能力 2足够的强度和韧性 刀具材料的耐磨性是指抵抗磨损的能力 一般说 刀具材料硬度越高 耐磨性也越好 刀具材料的耐磨性和耐热性有着密切的关系 其耐热性通常用它在
3、高温下保持较高硬度的性能即高温硬度来衡量 或叫热硬性 高温硬度越高 表示耐热性越好 刀具材料在高温时抗塑性变形的能力 抗磨损的能力也越强 耐热性差的刀具材料 由于高温下硬度显著下降而会很快磨损乃至发生塑性变形 丧失其切削能力 3耐磨性和耐热性好 刀具材料的导热性用热导率 单位为w m K 来表示 热导率大 表示导热性好 切削时产生的热量容易传导出去 从而降低切削部分的温度 减轻刀具磨损 此外 导热性好的刀具材料其耐热冲击和抗热龟裂的性能增强 这种性能对采用脆性刀具材料进行断续切削 特别在加工导热性能差的工件时尤为重要 4导热性好 为了便于制造 要求刀具材料有较好的可加工性 如热塑性 锻压成形
4、焊接工艺性 切削加工性和热处理工艺性等 5 工艺性好 6 经济性好 经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一 也是正确选用刀具材料 降低产品成本的主要依据之一 一 刀具材料应当具备的性能 1 硬度 必须高于工件材料 HRC62 2 耐磨性 抵抗刀具磨损的能力 3 强度和韧性 承受切削力 冲击和振动的能力 强度 抗弯强度 韧性 冲击值 4 耐热性 在高温下保持以上性能的能力 5 导热性和膨胀系数 导热性 传递热量的能力 膨胀系数 刀具热变形大小 6 工艺性 便于制造 加工 二 刀具材料的分类 刀具材料可分为工具钢 高速钢 硬质合金 陶瓷 超硬材料五大类 其主要力学物理性能见表2 1 但目前应用最多
5、的是高速钢和硬质合金 据统计 我国目前高速钢用量约占刀具的60 以上 硬质合金的用量约占30 以上 随着难加工材料应用的增加 陶瓷刀具和超硬刀具材料的使用量日益增长 返回 1碳素工具钢 碳素工具钢是含碳量较高的优质钢 含碳量为07 1 2 如T10A等 淬火后硬度较高 价廉 但耐热性较差 表2 2 在碳素工具钢中加入少量的cr w Mn si等元素 形成合金工具钢 如9SiCr等 可适当减少热处理变形和提高耐热性 表2 2 由于这两种刀具材料的耐热性较低 常用来制造一些切削速度不高的手工工具 如锉刀 锯条 铰刀等 较少用于制造其他刀具 2 2 2 高速钢 高速钢是一种含钨 w 钼 Mo 铬 c
6、r 钒 V 等合金元素较多的合金工具钢 以重量计其碳的质量分数为0 7 1 5 铬的质量分数约为4 钨的质量分数和钼的质量分数为10 20 钒的质量分数为1 5 由于合金元素与碳化合形成较多的高硬度碳化物 如碳化钒 硬度高达2800HV 且晶粒细小 分布均匀 而且合金元素和碳原子结合力很强 提高了马氏体受热时的稳定性 高速钢具有较高的硬度 热处理硬度可达HRC62 67 和耐热性 切削温度可达550 600 C 与碳素工具钢和合金工具钢相比切削速度可提高1 3倍 故得名 高速钢 提高耐用度10 40倍 铅在钢中提高了淬透性 使小型刀具在空气中冷却就能淬硬 且能刃磨得锋利 故高速钢又有 风钢 或
7、 锋钢 之称 可加工包括有色金属 高温合金在内的范围广泛的材料 高速钢具有高的强度 抗弯强度为一般硬质合金的2 3倍 为陶瓷的5 6倍 和韧性 抗冲击振动的能力较强 适宜制造各类刀具 高速钢刀具制造工艺简单 能锻造 容易磨出锋利的刀刃 因此在复杂刀具 钻头 丝锥 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 的制造中 高速钢占有重要的地位 高速钢分类 按用途不同 可分为通用型高速钢和高性能高速钢 按制造工艺方法不同 可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢 1 通用型高速钢 钨系高速钢 钨钼系高速钢 钨系高速钢 其代表是W18Cr4V 简称w18 是我国最常用的一种高速钢 由于含钒量较少 磨削性能好 其刃口容易磨得锋利
8、平直 综合性能好 通用性强 常温硬度可达63 66HRC 在600 高温时能保持的硬度48 5HRC左右 特别是热处理工艺性好 淬火时过热倾向小 抵抗塑性变形能力强 可用于精加工的复杂刀具 如螺纹车刀 成形车刀 宽刃精刨刀 拉刀 齿轮刀具等 W18钢的缺点是碳化物分布常不均匀 剩余碳化物颗粒较大 如锻造不均 则会影响薄刃刀具的寿命 制造较大截面刀具时 强度显得不够 抗弯强度仅为2 2 3GPa 只有在制造小截面刀具时 才获得满意的强度 3 3 4GPa 此外 W18钢热塑性较差 不适合作热轧刀具 钨钼系高速钢 W6M05Cr4V2 简称M2 是我国常用的典型钨钼系高速钢种 用1 的钼可代替2
9、的钨 钼的加入使钢中合金元素减少 从而减小了碳化物数量及其分布的不均匀性 细化了晶粒 与W18钢相比 M2钢抗弯强度提高约17 冲击韧度提高约40 以上 而且大截面刀具也具有同样的强度和韧性 可用于制造截面较大的刀具 或承受较大冲击力的刀具 如插齿刀 以及结构较薄弱的刀具 如麻花钻 丝锥等 M2钢的热塑性很好 磨削加工性也好 特别适用于制造轧制或扭制钻头等热成形刀具 是目前各国使用较多的一种高速钢 M2钢的缺点是热硬性和高温硬度略低于W18钢 故高温切削性能稍逊 此外 热处理时脱碳倾向大 较易氧化 淬火温度范围较窄 高性能高速钢是在普通高速钢的基础上 用调整其基本化学成分和掭加一些其他合金元素
10、 如钒 钴 铅 硅 铌等 的办法 着重提高其耐热性和耐磨性而衍生出来的 主要用来加工奥氏体不锈钢 高温合金 钛合金和超高强度钢等难加工材料 这类高速钢的不同牌号只有在各自的规定切削条件下使用才能达到良好的切削性能 2 高性能高速钢 常用牌号 高碳高速钢 9W18Cr4V 9W18 9W6Mo5Cr4V2 CM2 其碳的质量分数从普通高速钢的0 7 0 8 增加到0 9 l 0 使常温硬度提高到66 68HRC 60 c时高温硬度提高到51 52HRC 适用于耐磨性要求高的铰刀 锪钻 丝锥以及加工较硬材料 220 250HBS 的刀具 含铝高速钢铝高速钢W6M05cr4V2A1 简称501 和W
11、10M04Cr4V3Al 简称5F一6 是我国独创的新钢种 这种钢常温硬度为67 69HRC 600 C高温时硬度为54 55HRc 切削性能相当于钻高速钢M42 刀具寿命比W18cr4V显著提高 至少1 2倍 而价格却相差不多 用这种钢做的齿轮滚刀允许l67m s的切削速度 钴高速钢M42 W2MO9Cr4VCO8 和W10MO4Cr4V3CO10高速钢中加入钴可提高钢的热稳定性 促进回火时碳化物的析出 增加弥散硬化效果 提高回火硬度 从而提高常温和高温硬度及抗氧化能力 由于钴的热导率较高 加入钻可以改善高速钢的导热性 并降低摩擦因数 从而提高切削速度 高钒高速钢W6Mo5Cr4V3 W12
12、Cr4V4Mo高钒高速钢质量分数在3 5 由于形成大量高硬度耐磨的碳化钒弥散在钢中 提高了高速钢的耐磨性 且能细化晶粒和降低钢的过热敏感性 3 粉末冶金高速钢 是20世纪70年代开发的新型刀具材料 其工艺方法是用高压惰性气体 氩气或氮气 或高压水雾化高速钢水得到细小的高速钢粉末 再经热压制成刀具毛坯 与熔炼高速钢相比具有以下优点 a 能解决碳化物偏析普通熔炼高速钢在铸锭时会产生粗大碳化物共晶偏析 碳化物晶粒尺寸大到80 20 m 而粉末冶金高速钢碳化物晶粒为2 5 m 且无碳化物偏析 从而提高了钢的强度 韧性和硬度 其硬度可达69 70HRC b能保证各向同性由于粉末冶金的工艺特点 保证了粉末
13、冶金高速钢的各向同性 从而减小了热处理内应力和变形 适合制造各种精密和复杂刀具 c磨削加工性好钒的质量分数5 的粉末冶金高速钢的磨削加工性 相当于钒的质量分数为2 的普通高速钢 磨削效率比熔炼高速钢高2 3倍 表面粗糙度值显著减小 d 能制造超硬高速钢粉末冶金高速钢新工艺 为在现有高速钢中加入高碳化物 TiC和NbC 和制造超硬高速钢新材料提供了可能性 e能节约钢材和工时用粉末冶金直接压制刀坯时 可大大减小加工余量 节约钢材和工时 3硬质合金 硬质台金是用高耐热性和高耐磨性的金属碳化物 碳化钨WC 碳化钛TiC 碳化钽TaC 碳化铌NbC等 与金属粘结剂 钴 镍 钼等 在高温下烧结而成的粉末冶
14、金制品 其硬度为HRA89 93 能耐850 1000 的高温 具有良好的耐磨性 允许使用的切削速度可达100 300m min 可加工包括淬硬钢在内的多种材料 因此获得广泛应用 但是 硬质台金的抗弯强度低 冲击韧性差 刃口不锋利 较难加工 不易做成形状较复杂的整体刀具 因此目前还不能完全取代高速钢 常用的硬质台金有钨钴类 YG类 钨钛钴类 YT类 和通用硬质台金 YW类 三类 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 碳化钨 WC 碳化钛 TiC 碳化钽 TaC 碳化铌 NbC 在大部分情况下 钴作为粘结相使用 硬质合金钢 硬质合金牌号的表示方
15、法 Y G6 X 硬的汉语拼音第一个字母 G6 钨钴类合金及钴含量 T15 钨钴钛类合金及TiC含量 W 钨钴钛T钽类合金 N 钨钛镍钼合金 附加字母分别表示X 细晶粒C 粗晶粒N 加铌元素A 加钽元素 3 硬质合金的性能 5 抗冷焊性与钢发生冷焊的温度高于高速钢 1 硬度硬度随WC TiC成正比 随粘结剂含量成反比 2 抗弯强度和韧性随粘结剂含量成正比 3 导热系数 TiC WC 4 线膨胀系数 硬质合金 高速钢 1 钨钴类 YG YG类硬质台金主要由碳化钨 WC 和钴 Co 组成 常用的牌号有YG3 YG6 YG8等 YG类硬质台金的抗弯强度和冲击韧性较好 不易崩刃 很适宜切削切屑呈崩碎状
16、的铸铁等脆性材料 YG类硬质台金的刃磨性较好 刃口可以磨得较锋利 故切削有色金属投合金的效果也较好 由于YG类硬质合金的耐热性和耐磨性较差 因此一般不用于普通钢材的切削加工 但它的韧性好 导热系数较大 可以用来加工不锈钢和高温台金钢等难加工材料 2 钨钛钴类 YT类 YT类硬质台金主要由碳化钨 碳化钛和钴组成 常用的牌号有YT5 YTl5 YT30等 它里面加入了碳化钛后 增加了硬质台金的硬度 耐热性 抗粘接性和抗氧化能力 但由于YT类硬质合金的抗弯强度和冲击韧性较差 故主要用于切削切屑一般呈带状的普通碳钢及合金钢等塑性材料 3 通用硬质台金 YW类 钨钛钽 铌 钴类硬质台金 YW类 它是在普通硬质合金中加入了少量的稀有高熔点金属碳化钽 TaC 或碳化铌 NbC 能阻止WC晶粒在烧结过程中长大 起到细化晶粒的作用 从而提高了硬质合金的韧性和耐热性 使其具有较好的综合切削性能 YW硬质合金主要用于不锈钢 耐热钢 高锰钢的加工 也适用于普通碳钢和铸铁的加工 因此被称为通用型硬质台金 常用的牌号有YWl YW2等 不同硬质合金牌号的性能和应用范围见表2 3 2 3 TiC62 4 硬质合金的
