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    刀具的材料及其應具備的性能

    來源:鄭州銘澤機械有限公司 | 2014-5-22 16:03:18

      刀具材料是決定刀具切削性能的根本因素,對于加工效率、加工質量、加工成本以及刀具耐用度影響很大。使用碳工具鋼作為刀具材料時,切削速度只有10m/min左右;20世紀初出現了高速鋼刀具材料,切削速度提高到每分鐘幾十米;30年代出現了硬質合金,切削速度提高到每分鐘一百多米至幾百米;當前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出現,使切削速度提高到每分鐘一千米以上;被加工材料的發展也大大地推動了刀具材料的發展。

      一 刀具材料應具備的性能

      性能優良的刀具材料,是保證刀具高效工作的基本條件。刀具切削部分在強烈摩擦、高壓、高溫下工作,應具備如下的基本要求。

      高硬度和高耐磨性

      刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度才能切下金屬,這是刀具材料必備的基本要求,現有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬,其耐磨性越好,但由于切削條件較復雜,材料的耐磨性還決定于它的化學成分和金相組織的穩定性。

      足夠的強度與沖擊韌性

      強度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎與刀桿折斷所應具備的性能。一般用抗彎強度來表示。

      沖擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力,一般地,硬度越高,沖擊韌性越低,材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾,也是刀具材料所應克服的一個關鍵。

      高耐熱性

      耐熱性又稱紅硬性,是衡量刀具材料性能的主要指標。它綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度、抗氧化、抗粘結和抗擴散的能力。

      良好的工藝性和經濟性

      為了便于制造,刀具材料應有良好的工藝性,如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當然在制造和選用時應綜合考慮經濟性。當前超硬材料及涂層刀具材料費用都較貴,但其使用壽命很長,在成批大量生產中,分攤到每個零件中的費用反而有所降低。因此在選用時一定要綜合考慮。

      二 常用刀具材料

      常用刀具材料有工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷和超硬刀具材料,目前用得最多的為高速鋼和硬質合金。

      高速鋼

      高速鋼是一種加人了較多的鎢、鉻、釩、相等合金元素的高合金工具鋼,有良好的綜合性能。其強度和韌性是現有刀具材料中的。高速鋼的制造工藝簡單,容易刃磨成鋒利的切削刃;鍛造、熱處理變形小,目前在復雜的刀具,如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具制造中,仍占有主要地位。

      高速鋼可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。

      普通高速鋼,如W18Cr4V廣泛用于制造各種復雜刀具。其切削速度一般不太高,切削普通鋼料時為40-60m/min。

      高性能高速鋼,如W12Cr4V4Mo是在普通高速鋼中再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用度為普通高速鋼的1.5-3倍。

      粉末冶金高速鋼是70年代投入市場的一種高速鋼,其強度與韌性分別提高30%-40%和80%-90%.耐用度可提高2-3倍。目前我國尚處于試驗研究階段,生產和使用尚少。

      硬質合金

      按GB2075—87(參照采用190標準)可分為P、M、K三類,P類硬質合金主要用于加工長切屑的黑色金屬,用藍色作標志;M類主要用于加工黑色金屬和有色金屬,用黃色作標志,又稱通用硬質合金,K類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料,用紅色作標志。

      P、M、K(后面的阿拉伯數字表示其性能和加工時承受載荷的情況或加工條件。數字愈小,硬度愈高,韌性愈差。

      P類相當于我國原鎢鈦鉆類,主要成分為WC+TiC+Co,代號為YT。

      K類相當于我國原鎢鉆類,主要成分為WC+Co,代號為YG。

      M類相當于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金,主要成分為WC+TiC+TaC(NbC)+Co,代號為YW。

      三 涂層刀具簡述

      涂層刀具是近20年出現的一種新型刀具材料,是刀具發展中的一項重要突破,是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具基體上,涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世紀70年代初首次在硬質合金基體上涂覆一層碳化鈦(TiC)后,把普通硬質合金的切削速度從80m/min提高到180m/min。1976年又出現了碳化鈦—氧化鋁雙涂層硬質合金,把切削速度提高到250m/min。1981年又出現了碳化鈦-氧化鋁-氮化鈷三涂層硬質合金,使切削速度提高到300m/min。

      在高速鋼基體上刀具涂層多為TiN,常用物理氣相沉積法(PVD法)涂覆,一般用于鉆頭、絲錐、銑刀、滾刀等復雜刀具上,涂層厚度為幾微米,涂層硬度可達80HRC,相當于一般硬質合金的硬度,耐用度可提高2—5倍,切削速度可提高20%-40%。

      硬質合金的涂層是在韌性較好的硬質合金基體上,涂覆一層幾微米至十幾微米厚的高耐磨、難熔化的金屬化合物,一般采用化學氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質合金廠生產的涂層硬質合金的涂層厚度可達9µm,表面硬度可達2500-4200HV。

      目前各工業發達國家對涂層刀具的研究和推廣使用方面發展非常迅速。處于領先地位的瑞典,在車削上使用涂層硬質合金刀片已占到70%-80%,在銑削方面已達到50%以上。但是涂層刀具不適宜加工高溫合金、鈦合金及非金屬材料,也不適宜粗加工有夾砂、硬皮的鍛鑄件。

      四 金剛石刀具

      金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質中的硬度和導熱系數c但由于價格昂貴,加工、焊接都非常困難,除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工),很少作為切削工具應用在工業中。隨著高技術和超精密加工日益發展。例如微型機械的微型零件,原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈或火箭中的導航陀螺,計算機硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工,單晶大然金剛石能滿足上述要求。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣氛釬焊金剛石技術.使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易.因此,在超精密鏡面切削的高技術應用領域.天然金剛石起到了重要作用。

      20世紀50年代利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉以后,70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石(PCD)。PCD晶粒呈無許許序排列狀態.不具方向性,因而硬度均勻。它有很高的硬度和導熱性,低的熱脹系數。高的彈性模量和較低的摩擦系數,刀刃非常鋒利。它可加丁各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料,如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。

      三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為:PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性,抗磨損性和刃口質量居中,抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性,機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中,可焊接性差,人工合成單晶金剛石刃口質量、抗磨損性和抗腐蝕性,焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。

      金剛石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料,但由于碳對鐵的親和作用,特別是在高溫下,金剛石能與鐵發生化學反應,因此它不宜于切削鐵及其合金工件。

      五 立方氮化硼

      立方氮化硼(CBN)是純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結性能很差,直至70年代才制成立方氮化硼結塊(聚晶立方氮化硼PCBN),它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致密相,有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300、1500度),優良的化學穩定件(遠優于金剛石)和導熱性,低的摩擦系數。PCBN與Fe族元素親和性很低,所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。

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