常用刀具材料分类特点及应用(共19页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上常用刀具材料分类、特点及应用学院： 机械科学与工程学院 班级： 2011级卓越班 姓名： 王博 学号： 8 2014.5.7专心-专注-专业目录摘要要使金属切削工序获得满意的效果，切削刀具材料和牌号的选择是重要的考虑因素。因此必须基本了解每种切削刀具材料及其性能，以便为每一切削应用做出正确选择。本文旨在对目前常用刀具的材料进行分类，刀具材料的特点及应用进行总结，并根据每种切削刀具材料的性能给出应用建议。关键词 刀具材料分类 刀具材料特点 刀具材料性能 刀具材料应用1.刀具材料的基本要求(1)高硬度和耐磨性 刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬

2、度；刀具材料硬度一般都在60HRC以上。 耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。(2)高强度与强韧性 刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力；如车削45钢，在背吃刀量ap4，进给量f 0.5/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性； 一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力(3)较强的耐热性 刀具材料耐

3、热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强(4)优良导热性 刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。 刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强(5)良好的工艺性和经济性 刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能；经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本2.常用刀具材料、特点及应用 刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质

4、合金、陶瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表2-1。 表2-1 常用刀具材料的主要性能种类常用牌号硬度HRC（HRA）抗弯强度（GPa）热硬性（C）工艺性能用途碳素工具钢T8A、T10A、T12A6064（8183）2.452.75200250可冷热加工成形，刃磨性能好用于手动工具，如锉刀、锯条、錾子等合金工具钢9siCr、CiWMn6065（8184）2.452.75250300可冷热加工成形，刃磨性能好，热处理变形小用于低速成形刀具，如丝锥、板牙、铰刀等高速钢W9Mo3Cr4V、W6Mo5CrV26369（8287）3.434.41550600可冷热加工成形，刃磨性能好，

5、热处理变形小用于机动复杂的中速刀具，如钻头、铣刀、齿轮刀具等硬质合金（YG类）K类（YT类）P类（YW类）M类6981（8993）1.082.168001100粉未冶金成形，只能磨削加工不能热处理，多镶片使用，较脆 用于机动简单的高速切削刀具，如车刀、刨刀、铣刀刀片陶瓷SG4、AT6（9394）15002100HV0.41.1151200压制烧结成形只能磨削加工，不需热处理脆性略大于硬质合金多用于车刀，适宜精加工连续切削立方碳化硼（CBN）FD、LBN-Y73007400HV0.570.8112001500高温高压烧结成形，硬度高于陶瓷，极脆，可用金刚石砂轮磨削，不需热处理用于加工高硬度、高强

6、度材料（特别是铁族材料）人造金刚石10000HV0.421.0700800硬度高于CBN，极脆用于有色金属的高精度、低粗糙度切削，也用于非金属精密加工，不切削铁族金属2.1高速钢图2-1 普通高速钢常见用途1.概念：高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢2.性质： 高速钢具有良好的热稳定性； 高速钢具有较高强度和韧性； 高速钢具有一定的硬度(6370HRC)和耐磨性3.分类 普通高速钢 钨系高速钢（简称W18） 优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。 缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具 钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢） 优点：减小了

7、碳化物数量及分布的不均匀性 缺点：高温切削性能和W18相比稍差 高性能高速钢 优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.53倍； 缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差； 适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料粉末冶金高速钢 优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达6970HRC； 保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形； 磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高23倍； 耐磨性好。 适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。2.2硬质合金 图2-2 常见硬质合金刀片1.组

8、成硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成2.性能特点优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好 ,热硬性好，切削速度高缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/31/2，冲击韧性只有高速钢的1/41/35。性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定3.普通硬质合金的种类、牌号及适用范围按其化学成分的不同可分为： （1）钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类）;合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工，适于加工铸铁、不锈钢、淬硬钢、高强度钢、奥氏体钢等。 （2）钨钛钴类（WC+Ti

9、C+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类 ）此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。 合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低，粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。适用于加工合金钢、钢锻件、冲压件及铸件的表皮加工等。但是由于刀具中含有钛元素，为防止元素亲和粘刀，不宜加工钛合金。 （3）钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工 (4)碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）（合

10、金代号YN，对应于国标P01类）用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。适用于高锰钢、不锈钢、耐热钢等难加工钢材的半精加工和精加工。 (5)细晶粒、超细晶粒硬质合金 细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢；适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工奥氏体不锈钢、钛合金等高硬度难加工材料2.3涂层刀具2.3.1硬质合金 当前在所有切削刀具刀片中，涂层硬质合金占80-90%。它作为刀具材料的成功之处在于其耐磨性和韧性的独特组合，以及各种复杂形状的成形能力。 涂层硬质合金将硬质

11、合金和涂层结合在一起。它们共同形成一种适用于其应用的特定牌号。涂层硬质合金牌号为众多刀具和应用的首选。图2-3 硬质合金涂层刀片2.3.2化学气相沉积（CVD） 1.定义和性质 CVD涂层是在700-1050高温的环境下通过化学反应获得的。CVD涂层具有高耐磨性，并对硬质合金具有极强的粘附性。 最先推出的CVD涂层硬质合金为单层碳化钛涂层 (TiC)。之后发明了氧化铝涂层 (Al2O3) 和氮化钛 (TiN)涂层。现代的碳氮化钛涂层 (MT-Ti(C,N) 或MT-TiCN，也称为MT-CVD)提高了其与硬质合金的粘附性，更好地保护硬质合金，从而提高了牌号的性能。现代CVD涂层将MT-Ti(C

12、,N)、Al2O3 和TiN结合在一起。通过显微结构优化和后处理，涂层在附着力、韧性和耐磨性方面获得不断改进。 MT-Ti(C,N) - 其硬度提供了耐磨料磨损性能，从而可降低后刀面磨损。 CVD-Al2O3 具有化学惰性，热传导率低，使其可耐月牙洼磨损。它也充当热障，可提高抗塑性变形的能力。 CVD-TiN - 提高耐磨性，并用于磨损检测。2.应用 CVD涂层牌号是许多重点考虑耐磨性的应用的首选。此类应用包括：用于钢材的普通车削和镗削，较厚的CVD涂层可提供耐月牙型磨损性能；用于不锈钢的普通车削；用作铣削刀具牌号时，加工ISO P、ISO M、ISO K材料。对于钻削，CVD牌号通常用于周边

13、刀片。2.3.3物理气相沉积（PVD） 1.定义和性质 涂层在较低温度 (400-600C) 下形成。在该过程中，气相的金属与气体，比如氮，发生反应，从而在切削刀具表面形成硬质氮化涂层。 PVD涂层由于高硬度而增加了牌号的耐磨性。它们的压应力也增加了切削刃韧性和抗梳状裂纹的能力。 主要的PVD涂层种类如下所述。现代的PVD涂层通常由以下不同涂层组成多层涂层和（或）复合涂层。复合涂层由相当多数量的极薄涂层构成，每层厚度通常为纳米级，从而使涂层硬度更高。 PVD-TiN - 氮化钛是最早使用的PVD涂层。它性能全面，呈金黄色。 PVD-Ti(C,N) - 碳氮化钛比氮化钛硬，它增加了后刀面耐磨性。

14、 PVD-(Ti,Al)N - 铝氮化钛具有高硬度和耐氧化性，从而提高材料的总体耐磨性。 PVD氧化涂层 - 利用其化学惰性，增强材料的耐月牙洼磨损性能。 2.应用 对于要求耐磨且锋利的切削刃以及加工粘软材料，推荐使用PVD涂层牌号。这种应用很普遍，包括所有整体硬质合金立铣刀和钻头，以及切槽、螺纹加工和铣削的大多数牌号。PVD涂层牌号广泛用于精加工，并在钻削中用作重要刀片牌号2.4金属陶瓷1.定义和性质 金属陶瓷是以钛基硬质微粒为主体的硬质合金。金属陶瓷的英文名称cermet是由ceramic (陶瓷) 和metal (金属) 两个单词分别截取部分合并而成的。最初金属陶瓷是由TiC和镍合成的。

15、现代金属陶瓷不含镍，通常以碳氮化钛Ti(C,N)微粒为主要成分，少量第二硬质相 (Ti,Nb,W)(C,N) 和富钨钴粘合剂。 Ti(C,N) 增加了牌号的耐磨性，第二硬质相提高了抗塑性变形的能力，钴的含量控制韧性。与烧结硬质合金相比，金属陶瓷提高了耐磨性，降低了与工件的粘结趋势。另一方面，其压缩强度也较低，耐热冲击性较差。金属陶瓷也可以使用PVD涂层，以提高耐磨性。2.应用 金属陶瓷牌号用于有粘结趋势的应用，以应对积屑瘤问题。其自锐性使其在长时间切削后依然保持较低的切削力。在精加工工序中，这有助于获得长寿命和小公差，并加工出光亮的工件表面。 典型应用有不锈钢、球墨铸铁、低碳钢和铁素体钢的精加

16、工。金属陶瓷还可用于改善加工铁系材料时遇到的多种问题。 GC1525 韧性涂层金属陶瓷牌号，用于间断切削，车削。 CT5015 耐磨金属陶瓷牌号，用于连续切削，车削。 CT530 铣削牌号，可获得光亮的表面质量。 CT525 切断和切槽牌号，用于精加工。2.5陶瓷刀具图2-4 氧化铝陶瓷刀具1.定义和性质 在高切削速度下，所有陶瓷切削刀具都具有出色的耐磨性。提供适用众多应用的系列陶瓷牌号。 氧化陶瓷为氧化铝基 (Al2O3)，加入氧化锆 (ZrO2) 以抑制裂纹。这使材料的化学性质非常稳定，但缺乏耐热冲击性。(1) 混合陶瓷是将立方碳化物或碳氮化物 (TiC,Ti(C,N)加入氧化铝基陶瓷中，

17、这提高了韧性和热传导性。(2) 晶须增强陶瓷使用碳化硅晶须 (SiCw)，极大提高了韧性并使冷却液的使用成为可能。晶须增强陶瓷是加工镍基合金的理想选择。(3) 氮化硅陶瓷 (Si3N4) 代表另一类陶瓷材料。它们细长的晶粒使其成为具有高韧性的自增强型材料。氮化硅陶瓷牌号成功地用于灰铸铁加工，但由于缺乏化学稳定性，使其在其它工件材料上的应用受到限制。(4)赛阿龙陶瓷 (SiAlON) 牌号将氮化硅网状组织的强度与增强的化学稳定性结合在一起。赛阿龙陶瓷牌号是加工耐热优质合金 (HRSA) 的理想选择。2.应用 陶瓷牌号适用应用范围和材料种类广泛。它不仅常用于高速车速工序，而且用于切槽和铣削工序。在

18、正确使用时，每种陶瓷牌号的特定性能可帮助获得高生产效率。何时和如何使用陶瓷牌号的知识，对于获得成功非常重要。陶瓷通常的局限性包括耐热冲击性和断裂韧性。 CC620 氧化陶瓷，用于稳定和干切工况下灰铸铁的高速精加工。 CC6050 混合陶瓷，用于硬材料的轻负荷连续精加工。 CC650 混合陶瓷，用于灰铸铁和硬材料的高速精加工，以及低韧性要求的耐热优质合金的半精加工工序。 CC670 晶须增强陶瓷，具有出色的韧性，用于镍基合金的车削、切槽和铣削。在恶劣工况下也可以用于硬零件车削。 CC6190 硅陶瓷，用于铸铁、珠光体球墨铸铁和硬铸铁从粗车到精车以及高速干式 CC6090 铣削。 GC1690 带

19、涂层的氮化硅陶瓷，用于铸铁的轻型粗加工到精车。 CC6060 赛阿龙陶瓷牌号，用于稳定工况下车削预加工的耐热优质合金时获得最佳性能。由于耐沟槽磨损性优良，所以可预测磨损。 CC6065 增强型赛阿龙陶瓷，用于对刀片有一定韧性要求的耐热优质合金的车削工序。2.6立方氮化硼1.定义和性质图2-5 立方氮化硼刀具 立方氮化硼CBN材料具有出色的热硬性，可以在非常高的切削速度下使用。它还表现出良好的韧性和耐热冲击性。 现代CBN牌号多为陶瓷与CBN的复合材料，CBN含量大约40-65。陶瓷粘合剂增加了CBN的耐磨性，但是也降低了抗化学磨损性能。另外一种为高含量CBN牌号，CBN占85%到约100%。这

20、些牌号使用金属粘合剂，以提高它们的韧性。 将CBN焊接到硬质合金载体上，形成刀片。Safe-Lok技术大大增强了负前角刀片上CBN切削刀尖与载体的结合强度。2.应用 CBN牌号被大量用于淬硬钢 (硬度超过HRc 45) 的精车。对于硬度高于HRc 55的材料，CBN是唯一可替代传统磨削方法的切削刀具。较软的钢 (低于HRc 45)，铁素体的含量较高，这对CBN的耐磨性有负面影响。 CBN也可以用于灰铸铁车削和铣削工序的高速粗加工。 CB7015 使用陶瓷粘合剂的PVD涂层CBN牌号，用于淬硬钢的连续车削和轻型间断切削。 CB7025 使用陶瓷粘合剂的CBN牌号，用于淬硬钢的间断切削并满足切削时

21、的高韧性要求。 CB7050 使用金属粘合剂的高含量CBN牌号，用于淬硬钢的重载间断切削和灰口铸铁的精加工2.7聚晶金刚石1.定义和性质 PCD是由金刚石粒子和金属粘合剂烧结而成的复合物。金刚石是已知所有材料中最硬的，因此也是耐磨料磨损性最强的。作为切削刀具，它具有良好的耐磨料磨损性，但缺乏高温下的化学稳定性，很容易溶解于铁中。2.应用 PCD刀具仅限于加工非铁材料，如：高硅铝、金属基复合材料 (MMC) 和碳纤维增强塑料 (CFRP)。使用大量冷却液的PCD也可用于钛材料的超级精加工。CD10 PCD牌号用于有色和非金属材料车削和铣削的精加工和半精加工工序3.参考文献1. 张庆，刀具材料的应用和发展，热处理2006 年第21 卷第4 期2. 叶伟昌，郑良红，叶毅，高速钢刀具材料的发展与应用，机械制造1999年第六期3. 姚辉，吴琼，金岩，赵俊华，常用高速切削刀具材料的性能分析与应用. 材料开发与应用. 2012年8月4. 陈日曜，金属切削原理. 机械工业出版社. 第二版5. 肖诗纲编著. 现代刀具材料. 重庆：重庆大学出版社，1991