(4.2.4)--3.4切削刀具材料及其发展-陶瓷刀具.ppt

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1、切削刀具切削刀具切削刀具切削刀具材料的种材料的种材料的种材料的种类类类类切削刀具的切削刀具的切削刀具的切削刀具的发展简史发展简史发展简史发展简史切削刀具应切削刀具应切削刀具应切削刀具应具备的性能具备的性能具备的性能具备的性能金刚石刀金刚石刀金刚石刀金刚石刀具具具具立方氮化立方氮化立方氮化立方氮化硼刀具硼刀具硼刀具硼刀具涂层刀具涂层刀具陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具1234567专题三专题三 切削刀具的发展切削刀具的发展硬质合金刀硬质合金刀具具8高速钢刀高速钢刀具具切削刀具的切削刀具的发展展望发展展望910七、陶瓷刀具七、陶瓷刀具 粘结相粘结相Mo,Ni,Co氧化物氧化物Al2O3,ZrO2碳

2、化物碳化物TiC,SiC氮化物氮化物Si3N4,BN,TiN硼化物硼化物TiB2，ZrB2（1）陶瓷刀具的性能特点）陶瓷刀具的性能特点 1.1.硬度高、耐磨性硬度高、耐磨性：陶瓷刀具的硬度虽然不及：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCDPCD和和PCBNPCBN高，但大大高于高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到硬质合金和高速钢刀具，达到HRA93-95HRA93-95。陶瓷刀具的最佳切削速度可陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高以比硬质合金刀具高3-103-10倍。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的倍。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现高硬材料，实现“以车代磨以车代磨”，陶瓷刀具

3、适合于高速切削和硬切削，陶瓷刀具适合于高速切削和硬切削 。2.2.耐温性、耐热性耐温性、耐热性：陶瓷刀具在：陶瓷刀具在12001200以上的高温下仍能进行切削，具以上的高温下仍能进行切削，具有很好的高温力学性能，在有很好的高温力学性能，在12001200时的硬度仍达到时的硬度仍达到HRA80HRA80。随温度的升随温度的升高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。3.3.AlAl2 2O O3 3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现连续使用。因此，陶瓷刀具可

4、以实现干切削干切削，从而可省去切削液，从而可省去切削液 。3.3.化学稳定性化学稳定性：陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、化学稳定性好，：陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘结磨损可减小刀具的粘结磨损 4.4.摩擦系数摩擦系数：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度，加工表面质量好切削温度，加工表面质量好 5.5.原料丰富原料丰富：硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀：硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅、碳化物等是地壳

5、中最丰富的元具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅、碳化物等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽，用之不竭的，对发展陶瓷刀具材料十分有利。因此，素，是取之不尽，用之不竭的，对发展陶瓷刀具材料十分有利。因此，开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义 （1）陶瓷刀具的性能特点）陶瓷刀具的性能特点（3）陶瓷刀具的制备工艺）陶瓷刀具的制备工艺 原料原料处理处理混料混料球磨球磨干燥干燥过筛过筛处理处理烧结烧结成型成型处理处理加工加工检验检验处理处理陶瓷刀片陶瓷刀片（4 4）陶瓷刀具的增韧补强）陶瓷刀具的增韧补强缺点：缺点：强度和韧性低，

6、抗机械和热冲击能力差。强度和韧性低，抗机械和热冲击能力差。解决办法：解决办法：1.原材料高纯化原材料高纯化2.粉末微细化粉末微细化(目前可达到目前可达到纳米级纳米级)3.采采用用增增韧韧补补强强(如如：颗颗粒粒增增韧韧、晶晶须须增增韧韧、相相变变增增韧韧、协协同同增增韧韧等等)4.新型烧结工艺新型烧结工艺(如热等静压等如热等静压等)5.复合化复合化6.梯度化梯度化（5 5）新型陶瓷刀具硬切削实例）新型陶瓷刀具硬切削实例八、硬质合金刀具八、硬质合金刀具 强韧强韧TiC基刀具基刀具TiC基刀基刀具具TiN基刀具基刀具TiCN基刀基刀具具钨钴钛钨钴钛类类钨钴钨钴类类添加稀有添加稀有碳化物类碳化物类硬

7、质合金刀具硬质合金刀具碳碳(氮氮)化钛基化钛基硬质合金刀具硬质合金刀具碳化钨基碳化钨基硬质合金刀具硬质合金刀具硬质合金的制造硬质合金的制造混料、球磨（使均匀）混料、球磨（使均匀）压制成型压制成型硬质合金的特点硬质合金的特点p硬质合金是由高硬、难熔的金属碳化物如：硬质合金是由高硬、难熔的金属碳化物如：WCWC、TiCTiC、TaCTaC、NbCNbC等和金属粘结剂如：等和金属粘结剂如：CoCo、NiNi等经粉末冶金法制成的。特点：等经粉末冶金法制成的。特点：p硬度高（硬度高（89899393HRAHRA）、）、耐磨性好（耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时耐磨性好（耐用度可提高几倍到几十倍，

8、在耐用度相同时切削速度可提高切削速度可提高4 41010倍）；耐热性高（在倍）；耐热性高（在80080010001000时仍可切削）；抗弯强度低时仍可切削）；抗弯强度低（0.90.91.51.5GPaGPa）；）；断裂韧性低。因此承受切削振动和冲击负荷能力差。断裂韧性低。因此承受切削振动和冲击负荷能力差。p当硬质合金碳化物含量高，其硬度、耐热性和耐磨性增加，强度、韧性降低；粘结当硬质合金碳化物含量高，其硬度、耐热性和耐磨性增加，强度、韧性降低；粘结剂增加，其性能相反变化。剂增加，其性能相反变化。p碳化物（也叫硬质相）颗粒越小、分布越均匀，耐磨性越好、硬度增加，但强度减碳化物（也叫硬质相）颗粒越

9、小、分布越均匀，耐磨性越好、硬度增加，但强度减小。小。硬质合金微观结构硬质合金微观结构a)细晶粒细晶粒 b)粗晶粒粗晶粒YG10硬质合金（硬质合金（1500倍）倍）九、高速钢刀具九、高速钢刀具 钨钼钢钨钼钢钨钢钨钢高钒高钒HSS刀具刀具高碳高碳HSS刀具刀具铝铝HSS刀具刀具钴钴HSS刀具刀具高速钢刀具高速钢刀具高性能高高性能高速钢刀具速钢刀具通用型高通用型高速钢刀具速钢刀具高速钢刀具的性能特点高速钢刀具的性能特点 p高速钢高速钢(HSS)是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。p高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具

10、有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。占据主要地位。pHSS刀具的其发展方向包括：发展各种少钨的通用型高速钢，扩大使用各种无钴、少刀具的其发展方向包括：发展各种少钨的通用型高速钢，扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，推广使用粉末冶金高速钢钴的高性能高速钢，推广使用粉末冶金高速钢(PM HSS)和涂层高速钢。和涂层高速钢。十、切削刀具的发展展望十、切削刀具的发展展

11、望p目前国内外用于切削加工刀具材料主要有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具目前国内外用于切削加工刀具材料主要有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等。陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等。它们各有优势，又彼此竞它们各有优势，又彼此竞争，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围争，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。p从资源、价格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优从资源、价格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优势，势，因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不竭因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不竭，因此，陶瓷刀具将会得，因

12、此，陶瓷刀具将会得到更大的发展。到更大的发展。p对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，预计今，预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。十、切削刀具的发展展望十、切削刀具的发展展望p随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，轻质强韧材料随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，轻质强韧材料的使用日渐增多，各种新型航空航天材料、核能

13、材料、复合材料、生物材的使用日渐增多，各种新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、先进金属或非金属材料等的应用日料、功能材料、纳米材料、稀土材料、先进金属或非金属材料等的应用日益广泛，工件材料的品种成倍增长。益广泛，工件材料的品种成倍增长。p如一种或几种材料对应设计一把专用刀具，不但会造成刀具的设计、制造、如一种或几种材料对应设计一把专用刀具，不但会造成刀具的设计、制造、管理和选用等许多麻烦问题，而且各种制造、管理费用也高。管理和选用等许多麻烦问题，而且各种制造、管理费用也高。因此，开发因此，开发通用性好、适应性强，能够在多种条件下均能正常工作的刀具是刀具

14、业的通用性好、适应性强，能够在多种条件下均能正常工作的刀具是刀具业的一个发展方向。一个发展方向。十、切削刀具的发展展望十、切削刀具的发展展望p环境污染已成为全世界共同关注的焦点，保护环境，实现人类的可持续环境污染已成为全世界共同关注的焦点，保护环境，实现人类的可持续发展是发展是2121世纪的必然趋势。机械制造业作为国家的制造装备部，每年都世纪的必然趋势。机械制造业作为国家的制造装备部，每年都在消耗大量的能源和资源，对环境也造成了很大污染。目前，欧美等工在消耗大量的能源和资源，对环境也造成了很大污染。目前，欧美等工业发达国家已清醒的认识到切削液对环境的危害，相继制定出严格的工业发达国家已清醒的认

15、识到切削液对环境的危害，相继制定出严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用。业排放标准，进一步限制了切削液的使用。p解决这一问题的最有效途径是采用少、无切削液的对环境友好的绿色干解决这一问题的最有效途径是采用少、无切削液的对环境友好的绿色干加工技术。因此，加工技术。因此，开发各种无需切削液的干式切削刀具也是刀具发展的开发各种无需切削液的干式切削刀具也是刀具发展的一个重要方向。一个重要方向。开发具有高温自润滑功能的刀具进行高速干切削是一种开发具有高温自润滑功能的刀具进行高速干切削是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择，具有广阔应用前景。环境效益和经济效益俱佳的工艺选择，具有广阔应用前景。十、

16、切削刀具的发展展望十、切削刀具的发展展望p高速切削技术是智能制造技术发展的方向，其优势在于只需切一刀就可高速高速切削技术是智能制造技术发展的方向，其优势在于只需切一刀就可高速切除大量的多余材料而又达到很高的加工精度和表面质量。而高速切削技术切除大量的多余材料而又达到很高的加工精度和表面质量。而高速切削技术所依赖的关键技术之一就是相应的高速切削刀具。能适应高速干切削的刀具所依赖的关键技术之一就是相应的高速切削刀具。能适应高速干切削的刀具材料将会得到进一步发展。材料将会得到进一步发展。研发适应硬切削、干式切削和高速切削的高性能研发适应硬切削、干式切削和高速切削的高性能刀具材料是当前研究的热点。刀具材料是当前研究的热点。p具有具有“三高三高”(即：即：高速、高精和高可靠性高速、高精和高可靠性)性能刀具的研究开发将是今后数性能刀具的研究开发将是今后数控刀具研究开发的重点。控刀具研究开发的重点。纳米复合与涂层、梯度功能和多种增韧补强机制协纳米复合与涂层、梯度功能和多种增韧补强机制协同作用同作用的刀具的设计与开发将是数控刀具研究发展的方向。的刀具的设计与开发将是数控刀具研究发展的方向。本节内容：3.2切削刀具分类、刀具发展展望。下节内容：专题四高速切削加工技术期 待 大 家 的 积 极 参 与！