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1、第二章 刀具材料,刀具材料主要是刀具切削部分的材料。在金属切削过程中，刀具材料的切削性能对生产效率、已加工表面质量、刀具寿命和加工成本影响很大。因此，应当重视刀具材料的正确选用和合理使用，重视新型刀具材料的研制与应用。本章主要介绍常用的刀具材料的性能、牌号、主要化学成分及其使用。,21 刀具材料应当具备的性能,一、刀具切削材料应具备的性能,在切削加工中，刀具切削部分不但要求承受切削过程中的高温、高压及冲击载荷，而且还要受到切屑及工件的强烈摩擦。,1、刀具的工作环境,2、刀具切削材料应具备下列性能：,（1） 高的硬度和耐磨性,1）刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，否则在高温高压下，就不能保持
2、刀具锋利的几何形状。 2）一般在常温下，刀具硬度都在HRC60以上。,3） 耐磨性指刀具材料抵抗磨损的能力，一般刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。但对同硬度的刀具，其耐磨性还取决与它们的显微组织。耐磨性越好的材料碳化物颗粒越多，晶粒越细，分布越均匀。,（2） 足够的强度和韧性 切削时刀具承受很大的切削力和冲击，如车削45钢时，当 =4mm，f=0.5mm/r时刀具要承受约4000N的切削力，因此刀具必须具有足够的抗弯强度和冲击韧性，防止切削过程中刀具发生脆性断裂和崩刃。,（3） 高的耐热性 耐热性又称热硬性或红硬性，是衡量刀具材料切削性能的主要指标。它是指在高温下保持材料硬度的性能，可用高温硬度
3、表示。高温硬度越高，表示材料的耐热性好，刀具材料在高温下抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。耐热性越好的材料允许的切削速度越高。,（4） 良好的工艺性,（5） 经济性,二、常用刀具材料的种类,当前常用刀具材料可分为工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、超硬材料四大类。,一、碳素工具钢是含碳量在070135的优质高碳钢，用牌号T8A、T10A、T12A等。,碳素工具钢的优点是价格低廉，切削刃可磨得很锋利，一般用来做切削速度低，尺寸较小的手动工具。如丝锥、锉刀及手锯条等。,1。淬火后硬度为6064HRC，与一般高速钢相近， 2。耐热性很差，当切削刃温度超过200250时，
4、硬度将急剧下降，失去切削能力。因此碳素工具钢只能在8m/min10m/min的切削速度下工作。 3。碳素工具钢的淬透性差，淬火时在水中急剧冷却，容易产生淬火变形和开裂。,二、合金工具钢是在碳素工具钢中加入一定量的合金元素，如钨、铬、钼、钒、锰、硅等组成的工具钢。常用的合金工具钢有9SiCr、CrWMn等。 这些钢淬火后的硬度达6065HRC，与碳素工具钢差别不大，但耐热性稍高，约300400。因此切削速度可比碳素工具钢高20左右。 主要用于制造丝锥、板牙、绞刀等要求热处理变形小的低速刀具。,目前机加工中应用最多的是高速钢和硬质合金。随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具、金刚石等超硬材料的使用量日
5、益增长，它们的显微硬度很高，具有优良的抗磨损性能，刀具寿命长，能保证高的加工精度，应予以足够的重视。,22 高速钢,高速钢是含有较多的钨（W）、（Mo）、铬（Cr）、钒（V）的高合金工具钢。 它具有较高的耐热性，切削温度在500600时仍能保持高硬度，从而允许的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢提高13倍， 铬提高了高速钢钢的淬透性，使小型刀具在空气中冷却就能淬硬，且刃磨时能获得锋利的刃口，故高速钢又有“风钢”、“锋钢”之称。 因其刃口颜色呈白色，又称“白钢”。,高速钢是综合性能好、应用广泛的一种刀具材料。它可以承受较大的切削力和冲击，其强度和韧性是现有刀具材料中最高的（其抗弯强度是硬质合金的2
6、3倍，韧性是硬质合金的910倍）， 具有一定的硬度和耐磨性 ， 同时高速钢还具有良好的工艺性，特别适合于制造各种复杂及大型成形刀具，如成形车刀、各种铣刀、钻头、拉刀、齿轮刀具和螺纹刀具等，可以加工从有色金属到高温合金的各种材料。,高速钢按性能可分为普通高速钢和特殊用途的高性能高速钢。按制造工艺可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。,一、普通高速钢,按化学成分不同，普通高速钢可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。,1钨系高速钢 这种钢的典型代表是W18 Cr 4V（简称W18），它含W18、Cr4、V1,具有较好的综合性能（见表21），可制造各种复杂的刀具，是我国最常用的一种高速钢。,W18钢的缺点是碳化
7、物分布不均匀，不宜作大截面的刀具；此外，W18钢热塑性较差，不适合作热轧刀具。由于上述缺点和国际市场上钨价格的提高，W18钢逐渐被新钢种代替。,2钨钼系高速钢 W6Mo5Cr 4V2（简称M2）是我国常用的典型钨钼系高速钢种。它以Mo取代一部分W，其碳化物细小，分布均匀，抗弯强度比W18 Cr 4V高2834、抗冲击韧性要高70、热塑性也非常好，主要用于轧制或扭制麻花钻。,M2钢的缺点是热处理容易脱碳，较易氧化，淬火温度范围较窄。,W9Mo3Cr 4V（简称W9）是我国自行研制的新钢种。其硬度、强度、热塑性略高于W6M o5Cr 4V2，此钢种易轧易锻，具有良好的切削性能,二、高性能高速钢,高
8、性能高速钢是指在普通高速钢中加一些钴、钒、铝等合金元素及增加一些含碳量，进一步提高耐磨性和耐热性的新型高速钢。一般加热到630650仍可保持60HRC的硬度，因此切削性能优于普通高速钢，寿命是普通高速钢的153倍。适合于高强度钢、高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料的切削加工。我国最常用的高性能高速钢有钴高速钢和铝高速钢，典型牌号有W2M o9Cr 4V2 Co8、W 6M o5Cr 4V2Al等。,1 W2M o9Cr 4V2 Co8（简称M42）属于钴高速钢。它具有良好的综合性能，硬度高达HRC6769，600达HRC55，因此能适用于较高的切削速度。但这种钢由于钴含量较高（我国钴主要靠进
9、口），价格昂贵。,2 W 6M o5Cr 4V2Al（简称501）为我国独创的含铝无钴的超硬高速钢，其高温硬度、抗弯强度和冲击韧性均与M42相当，具有优良的切削性能。因不含钴，加工成本低，适合我国国情，已在我国推广使用。但501钢热敏感性较强，因此其热处理工艺要求较高。,三、粉末冶金高速钢,碳化物偏析是影响熔炼高速钢制造质量的主要原因。采用粉末冶金法可解决此问题，提高刀具质量。,粉末冶金高速钢用高压惰性气体（如氩气或纯氮气）将熔融的钢液雾化成粉末，再经过高温高压下烧结制成钢坯或刀坯后，再经轧制（或锻造）成材。,粉末冶金高速钢克服了熔炼高速钢产生的碳化物偏析现象，得到细小均匀的结晶组织，可以提高
10、钢的硬度、强度；减小热处理变形并改善了磨削加工性。 粉末冶金高速钢适合制造精密复杂的刀具和断续切削的刀具。目前此类高速钢成本较高，应用尚少。但今后可能成为制造断续切削刀具的主要材料。,四、涂层高速钢,涂层刀具材料是在刀具材料（如高速钢或硬质合金）的基体上，涂上一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化学物而构成的。这种刀具材料既有基体的强度韧性，又使表面有更高的硬度和耐磨性，性能优异。自60年代出现以来发展迅速，应用广泛。,涂层高速钢是用物理气相沉积法（PVD）在高速钢刀具基体上涂覆一薄层TiN而成的刀具材料。由于基体是强度、韧性较好的高速钢，表层是硬度和耐磨性很高的TiN涂层，同时TiN涂层有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数较低，且与高速钢结合牢固，所以涂层高速钢刀具寿命比不涂层高速钢的刀具寿命提高210倍。目前涂层高速钢已在钻头、齿轮刀具、拉刀、丝锥等结构复杂刀具上广泛应用。除TiN涂层外，近来还开发了TiCN、TiAlN等涂层。这些涂层高速钢显著提高了刀具的切削性能，在切削不锈钢、铸铁时性能更好。,