机加工刀具材料的选择(详细)

PVD硬质合金
・耐粘结性优 ・加工精度高
・耐磨损性非常好
・耐破损性好 ・加工精度高 ・切削锋利性好
・耐磨损性非常差 ・加工精度低
・耐磨损性差
・易破损 ・不适合复杂形状
・与CVD相比耐磨损性 差
其他 还有PCD、CBN、金属陶瓷等可以使用。
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CVD与PVD不同用法
厚膜
刀尖呈圆形 CVD涂层
薄膜 比较锋利
不易破损
压缩强度
硬质合金： 500kg/mm2 钢 ： 250kg/mm2
钢的2倍
＊注意刀片之间不要相互碰撞！
3
硬质合金使用选择基准
1958年
ISO (International Organization for Standardization:国际规格)
规定了硬质合金使用选择基准
P系列
2003年
化学（气体）
物理（离子)
热 通常约1000℃左右
电 通常500-700℃以下
◎ ◎ ×~△ ×
有Al2O3层 (耐热性好)
○ ◎ ◎ ◎
耐破损性好
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各种涂层物质的特性
材料特性 硬度 HV 自由能 kcal/g･atom 导热系数 W/m･K 耐氧化性 ℃ 对铁的溶解度 %,1250℃
※
切削特性 耐后刀面磨损性 耐前刀面磨损性 耐塑性变形性 耐热龟裂性 耐边界磨损性 耐粘结性
C.V.D.涂层的构造
硬质合金基体
特殊钛化合物积层
强韧特殊碳氮化钛
超强韧表面
微粒氧化铝
涂层硬质合金系列的事例
17
涂层的作用
耐粘结性 特殊钛化合物积层 耐粘结性
耐前刀面磨损性
微粒氧化铝 (Al2O3) 强韧特殊 碳氮化钛 (TiCN) 超强韧表面 耐破损性 专用硬质合金基体 耐变形性 耐磨损性
耐后刀面磨损性
WC
TiC
TiN Al2 O3
2100 3200 2500 2100 -10 121 500 7 -35 -50 29
-100 29
21
1100 1200 稳定 <0.5 ≒0
※自由能：分解物质时所必需的能量。表示物质的稳定性。负数的值越大越稳定。
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CVD涂层物质的特点
Al2O3 ：热、化学方面性质稳定 →切削加工时，对在高温下的前刀面磨损、氧化磨损效果显著 TiC/TiN ：室温下高硬度 →对因机械摩擦发生的后刀面磨损效果显著
CVD (TiN 6μm)
3.5
PVD
基体：WC-3%TiC-4%TaC-(5-20%)Co
3.0 2.5 2.0 1.5
-0.5
(压缩应力)
-1.0
PVD (TiN 6μm)
5 10 15 20
CVD
0 2 4 6
硬质合金基体中的Co含量(质量%)
50
涂层厚度(μm)
适用于超高速精加工。
硬质 合金
29
铣削加工需要的材料特性
■ 铣削加工是切削刃处于切削与空转反复的断续加工。 ■ 切削刃在切削时温度升高，空转时冷却，因热冲击 产生龟裂。
fz vf
铣削刀具的刀尖 耐热龟裂性高成为很重要的条件。
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铣削刀具使用的材料
高速钢 (HSS)
・价格低 ・不易弯折
硬质合金
CVD硬质合金
要注意！
SUS
黑皮切削会引发 崩刃
切削加工时，刀尖温度 升高，引发刀尖软化。
极力避免断续切削
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超高压烧结体是?
超高硬度材料的粉末 + 金属粉末 + 陶瓷粉末
在高温高压下烧结的材料
烧结体
金刚石烧结体 最适用于有色金属、非金属 等的切削。 CBN烧结体 最适用于淬火钢、铁系烧结 合金、铸铁等的精加工。 难与铁反应，因此可获得美 观的加工面。
TiN：氮化钛
Ni：镍 (结合金属)
使用涂层中所用的硬质物质
亲和性(易结合性)低
不能结合！
加工面美观！！
工件
Fe TiC TiN
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金属陶瓷的高级用法
1, 表面精度要求较高的钢、铸铁的 精加工。 3, 在使用硬质合金或涂层加工、 不会发生崩刃等的钢切削中，使用 金属陶瓷会使刀具寿命延长。
2, 最适用于易粘结的软钢。
刀具材料的特征与使用区分
1
理想的刀具材料
不 易 磨 损 耐 磨 损 性
金刚石烧结体 CBN烧结体
理想材料
涂层
(
金属陶瓷
涂层高速钢 硬质合金 高速钢 不易破损（韧性)
)
2
硬质合金的三大特点
钢的3倍
弹性系数
高温硬度高
硬质合金： 6×104 kg/mm2 钢 ： 2×104 kg/mm2
不易变形
钢
弱点是 抗冲击能力差
与Co的结合强度高、耐冲击性强。 与切屑摩擦过程中易发生磨损。
因振动产生冲击的切削加工时使用WC-Co 产生高热的切削加工时使用WC-TiC-TaC-Co
6
适用于P，M，K工件材料的硬质合金(2)
钢的切削
因产生切削热，容易发生前刀面 磨损(磨损)。
铸铁的切削
因切屑破碎时产生振动，容易 发生崩刃等异常损伤。
P, M系列材料
耐热性好、可抑制 前刀面磨损。
P系列材料
发生破损、异常 磨损
K系列材料
易发生前刀面磨损
K系列材料
不会出现较大损伤
要注意：一定不要弄错！
7
CVD与PVD涂层
涂层的种类
化学汽相 沉积法 (C.V.D.法)
涂层物质
TiN：氮化钛 特殊Ti化合物积层 Al2O3：氧化铝
TiCN：碳氮化钛
涂层 (Coating)
3500 TiC 耐 后 刀 面 磨 损 性 3000 (Hv) HfC
硬 度
2500
HfN 2000 WC 1000 0 TiN TaC -50 自由能＊(kcal/g atom 1000℃) 耐前刀面磨损性 Al2O3
TiO -100
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＊自由能：分解物质时所必需的能量。表示物质的稳定性。负数的值越大越稳定。 13
M系列
重新规定
K系列
新增以下三个系列
S系列
H系列 使用分类代号
＊不是硬质合金材料分类！
N系列
4
适用于P、M、K工件材料的硬质合金(1)
硬质合金的主要成分 K系列的硬质合金的成分是 WC-Co
○ WC的特性
P、M系列的硬质合金的成分是 WC-TiC-TaC-Co
● TiC的特性 粘结 硬度高、热稳定性好、不易熔敷。 与Co的结合强度、热冲击方面比 WC逊色。
↓
涂层后冷却过程中，在涂层表面产生拉伸残余应力 (涂层经常处于被拉伸，缩紧状态) → 耐破损性差
(PVD法是在低温或物理方法进行涂层，与CVD法相反，压缩应力残留)
冷却
1000℃：应力＝0
热膨胀系数的差
(×106/℃)
20℃：覆膜残留拉伸应力
TiCN
TiC：7.6 硬质合金：5 ~ 6 TiC想要收缩但受 基体限制
在硬质合金表面覆盖硬质物质 的表层
Ti化合物
物理汽相 沉积法 (P.V.D法)
(Ti,Al)N系化合物 (Al,Ti)N系化合物 TiN
9
各种涂层方法的特征
CVD
Chemical Vapor Deposition
PVD
Physical Vapor Deposition
原理 能量 反应温度 (用途) 车削用刀片 铣削用刀片 立铣刀 钻头 (特征)
基体
PVD涂层
基体
CVD的推荐加工 ・刀尖温度较高的加工
PVD的推荐加工 ・加工面精度较高的加工
高速加工 高进给加工 大切削深度加工 ・加工量大的加工
・易粘结的工件材料的加工 ・微小切削深度加工 ・低进给加工 ・需要锋利刃口的刀具
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CVD法特性(残余应力)
■热膨胀系数※ [ ■涂层温度为高温 涂层＞基体 ]
耐前刀面磨损性
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P.V.D.涂层的构造
(Al, Ti)N系化合物 (铝 钛 渗氮系化合物)
VP涂层的事例
任意基体 (硬质合金，金属陶瓷，高速钢)
19
金属陶瓷(Cermet)词语来源
韧 性 硬 度
陶
瓷：Ceramics
金
属：Metal
Cermet
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金属陶瓷的特征
金属陶瓷的主要成分
TiC：碳化钛
(突然紧缩状态)
硬质合金基体
※热膨胀系数：表示的是因温度变化物质膨胀收缩的程度。 系数越大因温度变化体积变化越大。 49
CVD与PVD强度下降的比较
■残余应力
CVD拉伸 PVD压缩
■涂层后抗弯强度下降 CVD大幅度下降 PVD下降幅度小
4.0
1.0 0.5
涂层中的残余应力(GPa)
(拉伸应力)
0
抗弯强度(GPa)