第2章 刀具材料 (2)

第四节 涂层刀具
• 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，
利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可 涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作 为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而 减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、
• 二、高性能高速钢 高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co(钴)、 Al(铝)等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的 耐用度为普通高速钢的1.5～3倍。 应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。 (1) 钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8，简称M42)。这是一种含Co超硬高 速钢，常温硬度达67HRC～69HRC，具有良好的综合性能。Co能提高 高温硬度，相应地提高了切削速度，因V含量不高，可磨性良好。 (2) 铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al，简称501)。铝高速钢是我国研制的无 钴高速钢，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加铝、碳的含量，以提高钢的 耐热性和耐磨性，并使其强度和韧性不降低。
• 三、 粉末冶金高速钢
粉末冶金高速钢：是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小 粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，或压制成钢坯然后经轧制(或锻造) 成材的一种刀具材料。
特点：与熔炼高速钢相比，由于碳化物细小，分布均匀，热处理变 形小，因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均得到显著改善。
应用：适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀 具和形状复杂的刀具。
常用硬质合金牌号及应用范围
(4) TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC为主体，Ni与Mo为黏结
剂，并加入少量其他碳化物而形成的一种硬质合金。如：YN10和YN05。 其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，但热导率
低和韧性较差。
应用：适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。
涂层刀具
• 涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金
刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀 片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶 瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目 的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)， 可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。
可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超
硬涂层特别有效。
第五节 其他刀具材料
一、陶瓷
常用的刀具陶瓷有两种：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷。 Al2O3基陶瓷的特点：高硬度（91~95HRA）、高耐磨性、高耐热性、很高的 化学稳定性，较低的摩擦系数。最大的缺点是：抗弯强度很低，冲击韧性很差。 Si3N4基陶瓷具有高的强度和韧性，能够承受较大的冲击负荷。由于Si3N4基 陶瓷具有较高的导热系数、较低的热膨胀系数，其耐热冲击性能大大优于Al2O3基 陶瓷，切削时可以使用切削液。
总之，高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性 能又比硬质合金好得多。

应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具 的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。

• 常用高速钢材料的分类与性能及应用 分类：通用型高速钢（普通高速钢）、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。 一、 普通高速钢 特点：工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用 于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于 40m/min～60m/min。 普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。 (1) 钨系高速钢。这类高速钢的典型牌号为W18Cr4V(简称W18)， 含C量为0.7%～0.8%，含W18%，Cr4%、V1%。此类高速钢综合性能 较好，可制造各种复杂刃型刀具。 缺点：碳化物分布不均匀，强度和韧 性稍差，不宜做大截面的刀具，热塑性较差。
耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高 刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降 低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志， 在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包 括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成 形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。
目前刀具材料中应用最多的仍是高速钢和硬质合金
表2-1 各种刀具材料的物理力学性能
HRC 65 60
HRA 83.6 81
HV 798 687
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第二节 高 速 钢
• 高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。
• 高速钢的特点 • 与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性很高， 在切削温度高达500℃～650℃时，仍能保持60HRC的高硬 度，因此切削速度可提高l～3倍，刀具耐用度提高10~40倍。
金刚石刀具不适于加工钢铁材料，金刚石(C)和铁有很强的化学亲和力，在高 温下铁原子容易与碳原子作用而使其转化为石墨结构，刀具极易破坏。
应用：用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材 料进行精细切削，不适合加工钢铁。
三、立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而
涂层刀具
• 涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学
气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温
度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD 法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多 采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之 间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂 覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术， 开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等 离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至 180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，
总体 优点：有很高的硬度、耐磨性、耐热性，在1200℃高温下仍能进 行切削；很好的化学稳定性、较低的摩擦因数。 缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/3～1/2；导热系 数低，仅为硬质合金的1/5～1/2。 应用：钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于 冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲 击大的加工场合。
成的。硬度仅次于金刚石，显微硬度达到8000~9000HV，耐热性好（达 1400度），化学稳定性好，与铁族金属直至1200~1300度时也不易起化学 作用，因此可用于加工淬硬钢和冷硬铸铁。 应用：用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢和冷 硬铸铁等难加工材料。
第六节 刀具材料的发展
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。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。 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，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 具将会得到更大的发展。
WC+ TiC+ Co (YT)类硬质合金：常用牌号YT5、YT14、YT15、YT30等， TiC含量分别为5%、14%、15%、30%，相应的Co含量为10%、8%、6% 、4%。随着TiC含量的提高和Co含量的降低，硬度和耐磨性提高，抗弯强 度降低。YT类的突出优点是耐热性好。
WC+ TiC+ TaC(NbC)+ Co (YW)类硬质合金：YT类硬质合金中加入 TaC(NbC)可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高合金的高温硬度 和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。常用牌号YW1和YW2。（YW1 ：WC 84%,TiC 6%,TaC 4%,Co 6% 相当于M10； YW2：WC 82%,TiC 6%,TaC 4%,Co 8% 相当于M20 ） 以上三类硬质合金的主要成分都是WC，故可统称为WC基硬质合金。
同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。
•
与硬质合金相比，其最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学 性能。其退火硬度为207HBS～255HBS，与优质中、高碳钢的退火硬 度相近，能够用一般材料刀具顺利切削加工出各种复杂形状；在加热状 态下(900℃～1100℃)能反复锻打制成所需的毛坯；高速钢的抗弯强度 是硬质合金的2～3倍，冲击韧性是硬质合金的6～10倍；经过仔细研磨， 高速钢刀具钝圆半径可小于，其锋利性比硬质合金优良。
二、 常用硬质合金的分类、性能及应用
YG (K) 类 YT (P)类 加工长切屑的 黑色金属 WC+ TiC+ Co YW (M)类
加工长或短切屑的 黑色金属和有色金属
分 类
加工短切屑黑色金属 有色金属、非金属 WC+ Co
WC+ TiC+TaC(NbC)+Co
WC+ Co (YG)类硬质合金：常用牌号YG3X、YG6X、YG6、YG8等，数 字表示Co含量的百分率，Co的含量少者，较脆较耐磨。YG类硬质合金有 粗晶粒、中晶粒（ YG6、YG8 ）、细晶粒（ YG3X、YG6X ）和超细晶 粒之分。 在含Co量相同时，细晶粒比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，但 抗弯强度和韧性则要低一些。 超细晶粒硬质合金能在较高硬度时获得很高的抗弯强度，YS2(YG10H)。 为了提高WC+ Co (YG)类合金的常温、高温硬度及耐磨性，在其成分中加 入1%~3%的TaC(NbC)，组成WC+ TaC(NbC)+Co 合金，如YG6A(YA6)。
第三节
一. 硬质合金的组成与特点
硬质合金
硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金 属黏结剂按粉末冶金工艺制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、 TiC、TaC、NbC等，常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni等。 硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点，在800℃～ 1000℃仍能完成切削加工。缺点是抗弯强度低，冲击韧性差，可加工性 差。
第二章 刀具材料
第一节 刀具材料应具备的性能
1.足够的硬度和耐磨性 2.足够的强度与韧性 3.高的耐热性 4.良好的热物理性能和耐热冲击性能
5.良好的工艺性
6.经济性
注意：上述几项性能之间可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其强度和韧性较 低)。没有一种刀具材料能具备所有性能的最佳指标，而是各有所长。所以在 选择刀具材料时应合理选用。
• 2.、 钨钼系高速钢。它是以Mo代替部分W发展起来的一种高速钢，典型
牌号是W6Mo5Cr4V2(简称M2)，含碳量为0.8%～0.9%，含W6%、 Mo5%、Cr4%、V2%。 • 与W18Cr4V相比，优点是碳化物含量相应减少Baidu Nhomakorabea而且颗粒细小分布 均匀，因此抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性都略有提高，适于制造尺寸 较大、承受冲击力较大的刀具(如滚刀、插刀)；又因Mo的存在，使其热 塑性非常好，故特别适于轧制或扭制钻头等热成形刀具。其主要缺点是 可磨削性略低于W18Cr4V。
陶瓷刀具的制备
原材料处理 配比进行配料 细化球磨
干燥
过筛
烧结成型
磨削加工，电火花线切割
陶瓷刀具产品
陶瓷刀具的种类
1.氧化铝—碳化物系陶瓷 2.氮化硅基陶瓷刀具
二、 金刚石
有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金刚 石复合刀片。 特点：具有极高的硬度和耐磨性，其显微硬度达到10000HV，是目 前已知的最硬物质。刃口极锋利、可切下极薄的切屑、摩擦系数在所有 刀具材料中是最小的、抗黏结能力强。金刚石的热稳定性较低，切削温 度超过700~800度时，就会完全失去硬度。

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。涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力 ，预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。