1.2.3 刀具材料

    在金属切削过程中,刀具切削部分承担切削工作。刀具材料性能的优劣,将是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的基本因素,因此在 设计和选择刀具时必须合理选择刀具材料。

    (齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 刀具材料应具备的性能

    刀具是在较高温度、较大压力、剧烈摩擦、有时还承受冲击和振动的条件下工作的 , 因此刀具切削部分材料应具备以下基本要求 :

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 硬度 刀具材料的硬度必须高于被切工件的硬度, 常温硬度必须在 HRC60 以上。

    2) 耐磨性 刀具在切削时承受着剧烈的摩擦, 因此刀具材料应具有较强的耐磨性 , 它取决于材料本身的硬度、化学成分和金相组织。

    3) 强度和韧性 刀具切削时要承受切削力、冲击和振动 , 所以应具有足够的强度和韧性。

    4) 耐热性 指在高温下保持材料硬度的性能 , 用高温硬度或红硬性表示。耐热性越好, 允许的切削速度越高 。因此它是衡量刀具材料性能的重要指标。

    5) 具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、磨削性能、热处

理性能、焊接性能等要好 , 且又要资源丰富 , 价格低廉。

    (2) 刀具材料的种类

    刀具切削部分材料主要有碳素工具钢、合金工具钢、 高速钢、硬质合金、陶瓷 和 超硬材料 等 , 其主要物理力学性能见 表1.1

    齿轮, 齿轮箱, 汽车齿轮, gears, gearboxes 1) 高速钢、高速钢是在合金工具钢中加入了较多的 W、M o 、 Cr、V 等合金元素的高合金

    工具钢,其合金元素与碳化合 形成高硬度的碳化物 ,使高速钢具有很好的耐磨性。钨和碳的原子结合力很强,增加了钢的高温硬度。钼的作用与钨基本相同,并能细化碳化物的晶粒,减少钢中碳化物的不均匀性,提高钢的韧性。

    高速钢是综合性能较好、应用范围最广泛的一种刀具材料。其抗弯强度较高,韧性较好,常温硬度在63~66HRC,刃磨时切削刃易锋利,故生产中常称为“锋钢”。其红硬温度可达600~660 ℃左右,切削中碳钢时切削速度可达 30m/min。它具有较好的工艺性能,可以制造刃形复杂的刀具,如 成形车刀、 铣刀、钻头、 丝锥、 拉刀 和 齿轮 ( GEARS )刀具等 。 加工材料范围也很广泛 , 如碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料 等。

    高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢两大类 。

    ① 普通高速钢 普通高速钢按化学成分又分为钨系高速钢和钼系高速钢两类。

    钨系高速钢 中最常见的牌号是 W18Cr4V,具有较好的综合性能和可磨削性能,可制造各种复杂刀具和精加工刀具,在我国应用非常广泛。

    钼系高速钢 中最常见的牌号是 W6Mo5Cr4V2,具有较好的综合性能。由于钼的作用,其 碳化物 呈细小颗粒且均匀分布,故抗弯强度和冲击韧性都高于钨 系高速钢 ,并具有较好的热塑性,适于制作热扎刀具。但有脱碳敏感性大和淬火温度窄、较难掌握热处理工艺等缺点。

    ② 高性能高速钢、高性能高速钢 是在普通高速钢的基础上加入钴、钒、铝等合金元素,进一步 提高耐热性和耐磨性 的新型 高速钢 ,此类, 高速钢 主要用于 高温合金 、钛 合金、 不锈钢等难加工材料的切削加工。主要有以下几种:

    A.高钒、高速钢、高钒、高速钢 是将含钒量提高到 3%~5%,其典型牌号有W6M o 5C r 4V3。由于碳化钒量的增加,从而提高了钢的耐磨性 。一般用于切削高强度钢。但其刃磨性能比 普通高速钢 差。

    B.钴 高速钢 是在高速钢加入钴, 可提高钢的高温硬度 和抗氧化能力,其典型牌号是 W2M o 9Cr4VC o 8, 有良好的综合性能 , 用于切削 高温合金 、不 锈钢等难加工材料 效果较好。 但钴含量较多成本较贵 ,在我国使用不多 。

    C. 铝高速钢 铝高速钢是我国独创的新型高速钢,它是在普通高速钢中加入少量的铝,从而提高了钢的耐热性和耐磨性,有良好的综合性能。其典型牌号为 W6M o 5Cr4V2A1,达到了钴 高速钢的切削性能,可加工性好,密度小,价格低廉,与普通高速钢的价格接近。 但其有磨削性能差 , 热处理工艺要求严格等缺点。

    2) 硬质合金 硬质合金 是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料。它是由硬度和熔点很高的金属碳化物( WC、T i C等)微粉和金属粘接剂(C o 、 N i 、 M o 等),经高压成形,并在 1500 ℃ 左右的高温下烧结而成。

    硬质合金 的硬度高达 89~94HRA,耐磨性很好,耐热性为800~1000 ℃,切削速度可达 100 m/min以上,能切削淬火钢等硬材料。但其抗弯强度低、韧性差、怕冲击和振动,制造工艺性差。

    硬质合金 目前已是各类切削刀具切削部分的主要刀具材料之一。如车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀等。

    下面介绍几种常用的 硬质合金 :

① 钨钴 类硬质合金 (YG)它由碳化钨和钴构成。其硬度为89~91.5HRA,耐热性为800~900 ℃,主要用于加工铸铁、有色金属及其合金,以及非金属材料和含钛的不锈钢等工件材料。常用的牌号有 YG3、YG6、YG8等,G后面的数字为 Co的百分含量。 硬质合金 中含钴量越多,韧性越好,适合于粗加工,含钴量少者用于精加工。

② 钨钛钴 类硬质合金 (YT) 它是由碳化钨、碳化钛和钴构成,其硬度为89.5~92.5HRA,耐热性为900~1000 ℃。常用的牌号有 YT5、YT14、YT15、YT30,T后面的数字为 TiC的百分含量。当TiC的含量较多、Co的含量较少时,硬度和耐磨性提高,但抗弯强度有所下降。 主要用于加工塑性材料,但它不适合加工含 Ti元素的 不锈钢,因为两者的 Ti元素亲和作用较强,会发生严重的粘结,使刀具磨损加剧。

③ 钨钽(铌)钴 类硬质合金 (YA)它是由碳化钨、碳化钽(碳化铌)和钴构成,有较高的常温硬度和耐磨性,同时能细化晶粒,也可提高高温硬度、高温强度和抗氧化能力。 常用的牌号有 YA6,适合于对冷硬铸铁、有色金属及其合金进行半精加工,也可对高锰钢、淬火钢等材料进行精加工和半精加工。

④ 钨钛钽(铌)钴 类硬质合金 YW) 它是由碳化钨、碳化钛、钴以及加入少量碳化钽或碳化铌构成。其抗弯强度、韧性、抗氧化能力、耐热性和高温硬度都有很大的提高。 是一种既能加工钢材,又能加工铸铁、有色金属及其合金,通用性能好的刀具材料,常用的牌号有 YW1、YW2。

⑤ 碳化钛基硬质合金 (YN) 它是由碳化钛、镍和钼构成。它的硬度高( 92.5HRA),具有较高的抗氧化能力、较高的耐磨性、耐热性(1100 ℃ ~ 1300 ℃)和抗月牙洼磨损能力。主要用于碳钢、合金钢、工具钢、淬火钢等连续切削的精加工,常用的牌号有 YN10。

3) 其它刀具材料

    ① 陶瓷 陶瓷刀具材料是以人造的化合物为原料,在高压下成形和在高温下烧结而成的,硬度为91~95HRA,耐热性高达1200 ℃以上,化学稳定性好,与金属的亲和力小,与硬质合金相比切削速度可提高 3~5倍。但其最大的弱点是抗弯强度低,冲击韧性差,因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。常用的 陶瓷刀具材料有:高纯氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷和复合氮化硅陶瓷等。

    ② 金刚石 金刚石分天然和人造两种 , 都是碳的同素异形体。天然金刚石由于价格昂贵用得很少。人造金刚石是在高温高压条件下 , 由石墨转化而 成 。是目前已知的最硬物质 , 其硬度接近于 100OOHV 。金刚石刀具能 精密切削 有色金属及其合金 、 硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、 高 耐磨材料 。 但它不适合加工铁族材料 , 因为金刚石中的碳原子和铁有很强的化学亲合力 , 在高温条件下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构 , 刀具 极 易损坏。

    ③ 立方氮化棚 立方氮化硼是由软的六方氮化硼,在高温高压下加入催化剂转变而成的。其硬度高达 8000 ~ 9000HV, 耐磨性好 , 耐热性好 , 高达 1400 ℃ 。 主要用于对高温合金、淬硬钢、冷硬铸铁进行半精加工和精加工。

    4) 刀具材料的 表面涂层 刀具材料的韧性和硬度一般不能兼顾 , 故一般刀具材料的寿命主要是受磨损的影响 , 近年来采用了表面涂覆处理的办法 , 妥善解决了这一问题。

    刀具材料的表面涂层是在高速钢 和韧性较好的 硬质合金等材料制成的刀具 表面上,通过化学气相沉积和真空溅射等方法, 使刀具表面 沉积极薄 ( 5~12 μ m) 的一层高硬度、耐磨和难熔的金属化合 物( TiC或TiN ), 涂层呈金黄色。

    由于涂层的硬度高 , 摩擦系数低 , 使刀具的磨损显著降低 , 涂层还具有抗氧化能力和抗粘结性能好的特点 , 延迟了刀具前面月牙洼的形成。因此切削速度可提高 30% ~ 50%, 刀具寿命可提高数倍至十倍。

    刀具柄部是刀具的夹持部位,承受着弯矩和扭矩的作用,因此,应具备足够的强度和刚度,通常选用优质碳素结构钢或优质合金结构钢,如 45 钢或 40 Cr。必要时可选用合金工具钢作为刀柄或刀体材料,如9 Si Cr。