刀具材料论文

刀具材料论文

现代工程材料成形与机械设计制造基础——《关于新型刀具材料论文》

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关键词： (1)

简析刀具材料和性能 (1)

一、刀具材料应具备的性能 (2)

二、现代新型刀具材料 (3)

（一）高速钢 (3)

（二）硬质合金 (4)

（三）涂层刀具 (6)

（四）陶瓷 (8)

（五）超硬刀具材料 (8)

展望强度最高的物质——石墨烯，氮化碳（β—C3N4） (10)

摘要: 随着工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和形状不断复杂化和多样化，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精

密加工、绿色制造的发展和付诸实用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计，在今后很长时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。以下让我来论述了刀具和刀具材料回顾早期机械制造中的刀具材料，重点阐述现代产品加工中所用新型刀具材料（高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料）的性能及其应用范围。对二十一世纪新型刀具材料发展的动向作出预测和展望。

关键词：刀具材料；新型；常用刀具；展望。

刀具材料的发展在人类的生活、生产和战争中有着很大的重要性。在古代，“刀”和“火”是两项最伟大的发明，它们的发明和应用是人类登上历史舞台的重要标志。刀具材料的进步曾推动着人类社会文化和物质文明的发展。例如，在人类历史中曾有过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代等。

材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。其中，刀具材料的性能起着关键作用。20世纪是刀具材料大发展的历史时期。各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计，在今后很长时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。

简析刀具材料和性能

刀具材料应具备的性能

刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量、以及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右;20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米;当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上;被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。

一、刀具材料应具备的性能

性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。

高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。

足够的强度与冲击韧性

强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。

冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。

高耐热性

耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。

良好的工艺性和经济性

为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。

二、现代新型刀具材料

（一）高速钢

在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受成形加工，故能用以制造各种刀具。在刀具材料总消耗量中高速钢几近一半。传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。在钨系高速钢中，除MC，M2C，M23C外，M6C是其主要的碳化物，即Fe3W3C和Fe4W2C。在钨钼系高速钢中，M6C为Fe3（W，Mo）3C和Fe4（W，Mo）2C。所有的高速钢中，铬含量分数均保持在 3.5%~4.5%，

它是增大高速钢淬透性的主要元素。在钢中形成Cr23C6。钒含量分类增加，钢的耐磨性随之提高，但使刀具接受刃磨困难，且脆性增加。钒的碳化物为VC与V4C3。含V 1%~2%的高速钢用得最多；V>3%者用得较少，且忌作形状复杂的刀具。加入钴元素后，可形成超硬高速钢。钴不形成碳化物，但能提高淬火温度，增强二次硬化效果，提高高温硬度。美国的M42（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）和瑞典的HSP-15（W9Mo3Cr4VCo10）都是性能优良的高钴超硬高速钢。中国缺钴资源，钴价昂贵。因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢。Co5Si （W12Mo3Cr4V3Co5Si）是属于少钴者，新研制的Co3N （W12Mo3Cr4VCo3N）亦为少钴，性能都不错。铝元素在钢中能生成Al2O3、AlN；且起钉扎作用，阻止位错，从而提高了材料的硬度和强度。中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面，做出了较大贡献。

用粉末冶金方法制造高速钢，可消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性，钒含量高时亦能较好地刃磨。粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢。国内掌握这方面的技术。国外有粉末高速钢产品，钒含量高达6%~8%。

在高速钢的基体上，用物理气相沉积（PVD）法涂覆耐磨材料薄层（如TiN，TiAlN等），可显著提高刀具寿命和加工表面质量，降低切削力。这种涂层高速钢刀具已得到广泛应用。

（二）硬质合金

硬质合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，通常分为：