金属切削原理读书报告常用刀具材料分类特点及应用姓名：班级：学号：2014年5月7日摘要本文在阅读有关论文和专著的基础上对现阶段常用的刀具材料进行了总结和分析，总结出了碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方碳化硼等刀具材料的特点及应用范围，同时针对几种常见的切削工序中刀具材料的应用做了简单的分析。

目录摘要 (1)1刀具材料的发展历史 (2)2 常用刀具材料及特点 (2)2.1 碳素工具钢 (2)2.2 合金工具钢 (3)2.3 高速钢 (4)2.4 硬质合金 (5)2.5 陶瓷 (7)2.6 超硬材料 (9)3 刀具材料的典型应用 (10)3.1 工件材料与刀具材料 (10)3.2 加工条件与刀具材料 (11)4 总结 (11)5 参考文献 (12)1刀具材料的发展历史[1]刀具材料的发展在人类的生活、生产中有着很大的重要性。

18世纪中叶, 在欧洲出现了工业革命以后, 切削刀具一直是用碳素工具钢制造, 其成分与现代的T10、T12相近。

1865年，英国罗伯特•墨希特发明了合金工具钢，其牌号有9CrSi、CrWMn等。

随着对加工效率要求的提高，新的刀具材料在不断更新。

1898年，美国机械工程师泰勒和冶金工程师怀特发明了高速钢。

进入20世纪，人们不断寻求新型刀具材料。

20世纪20年代中期到30年代初，出现了钨钴类和钨钛类硬质合金。

然而硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相继出现。

20世纪30年代出现了氧化铝陶瓷，后来又有氦化硅陶瓷到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金刚石。

总而言之，20世纪中，刀具材料发展的速度比过去快得多，其种类、类型、数量和性能均有大幅度的发展。

2 常用刀具材料及特点对于金属切削刀具来说，切削过程中要承受很大的压力，同时会与工件、切屑相互接触的表面产生摩擦力，切削产生的热量使得刀具温度上升，产生一定的热应力。

因此刀具材料应能满足这样几个要求：高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性以及经济性。

目前在机械加工中常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。

[2]不同刀具材料的性能有所不同，因此在应根据具体的切削条件选择合适的刀具材料。

下面将分别介绍每种刀具材料。

2.1 碳素工具钢按照GB/T13304《钢分类》第1部分“钢按化学成分分类”，碳素工具钢属于非合金钢。

按照标准第2部分“钢按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”，碳素工具钢属于特殊质量非合金钢。

碳素工具钢牌号及化学成分见表1碳素工具钢价廉易得，易于锻造成形，切削加工性也比较好。

碳素工具钢的主要缺点是淬透性差，需要用水、盐水或碱水淬火，畸变和开裂倾向性大，耐磨性和热强度都很低。

因此，碳素工具钢只能用来制造一些小型手工刀具或木工刀具，以及精度要求不高、形状简单、尺寸小、负荷轻的小型冷作模具，如用来制造小冲头、剪刀、冷冲模、冷镦模等。

2.2 合金工具钢合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。

它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。

表2列举的为合金工具钢中量具刃具用钢的牌号和化学成分。

[4]合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。

其中碳含量高的钢多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；为了保证高的硬度，满足形成合金碳化物的需要，钢中碳质量分数一般在0.80%~1.45%。

铬是这类钢的主要合金元素，质量分数一般在0.50%~1.70%，有的钢还含有钨，以提高切削金属的性能。

这类工具钢因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具钢好，热处理产生的变形小，具有高的硬度和耐磨性。

常用的钢类有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等。

9SiCr是应用广泛的刃具钢，用于制作要求变形小的各种薄刃低速切削刃具，如板牙、丝锥、铰刀等。

2.3 高速钢高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。

高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。

除用熔炼方法生产的高速钢外，20世纪60年代以后又出现了粉末冶金高速钢，它的优点是避免了熔炼法生产所造成的碳化物偏析而引起机械性能降低和热处理变形。

按照用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。

表3为常用的几种高速钢的力学性能。

[2]高速钢具有较高的热稳定性、高的强度、制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造、性能较硬质合金和陶瓷稳定，故高速钢在占现用刀具的一半以上。

其中通用型高速钢主要用于制造切削硬度HB≤300的金属材料的切削刀具（如钻头、丝锥、锯条）和精密刀具（如滚刀、插齿刀、拉刀），常用的钢号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

特殊用途高速钢包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度HRC68～70），主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。

2.4 硬质合金硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC 等) 微米级粉末采用Co、Mo 、Ni 等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。

其高温碳化物含量超过高速钢, 允许的切削温度高达800~ 1000℃,常温硬度达89 ~ 93 HRA；在540℃时为82~87HRA, 与高速钢常温时硬度( 83~ 86HRA) 相同；760℃时硬度达77~ 85 HRA。

并具有化学稳定性好、耐热性高等优点。

硬质合金刀具切削速度可达100~ 300 m/ min。

远远超过高速钢,寿命是高速钢的几倍到几十倍。

[5]2.4.1 碳化钨基硬质合金碳化钨(WC) 基硬质合金主要成分为WC, 主要分为钨钴(WC-Co) 类硬质合金(YG类) 、钨钛钴(WC-TiC-Co) 类硬质合金(YT类) 、钨钛钽( 铌) 钴(WC-C-T aC(NbC) -Co ) 类硬质合金(YW类) 等3 类。

YG类(国际上统称为K类),硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等, 主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。

与YT 类合金相比, 有较高的抗弯强度和冲击韧性, 同时导热性较好。

YT类(国际上统称为P类)，由于加人T iC, 使材料的硬度和耐磨性有所提高, 但抗弯刚度有所降低。

该类硬质合金具有高硬度和高耐热性, 抗粘结、抗氧化能力较好, 适用于加工钢材, 切削时刀具磨损小, 耐用度较高。

高温时的硬度和抗压强度比YG类高, 但YT 类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。

YW类(国际上统称为M类)，硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力,兼具YG、YT 类合金的良好性能, 特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。

近年, ISO 又增设了3 类硬质合金: (1) H 类,用于切削高硬材料；(2) S 类, 用于切削高温合金、耐热材料；(3) N 类, 用于切削有色金属。

应当注意的是, 立方氮化硼PCBN 用于切削淬硬钢, 被列入H类。

热压聚晶金刚石PCD 主要用于切削有色金属,被列入N 类。

故当今硬质合金已分为K、P、M、H、S、N6 大类。

表5列举的是常见硬质合金材料的性能与用途。

2.4.2 涂层硬质合金[5]涂层硬质合金是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。

在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜( 如TiC , TiN ,Al2O3等) 的涂层刀具,结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,降低了刀具与工件之间的摩擦因数,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。

因此,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。

目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低,涂层容易剥落,这样就使涂层不能做得太厚,而涂层一旦被磨掉,刀具就会迅速磨损。

近年来,已有一些新的涂层方法出现,如等离子辅助化学气相沉积( PACVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、溶胶2凝胶(Sol2Ge1)法、高速氧2燃气热喷涂(HVOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法。

在韧性较好的硬质合金基体上, 通过CVD、PVD、HVOF 等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。

自20 世纪70 年代以来,涂层材料已从单一涂层(TiC、TiN)经历了TiC-Al2O3-TiN 多层涂层和TiCN、TiAlN、AlTiN 等多元复合涂层发展阶段,发展到了TiN/ NbN、TiN/ CN 等多元复合薄膜纳米涂层材料。

近年还出现了金刚石涂层、立方氮化硼(CBN) 涂层、软涂层(MoS、WS ) 以及硬软组合涂层,使涂层刀具切削性能大大提高。

2.5 陶瓷[6]陶瓷刀使用精密陶瓷高压研制而成，故称陶瓷刀。

陶瓷刀具的优越性体现在：1）可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料；2）不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯粗车等冲击力很大的加工；3）耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；4）高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高。

根据金属陶瓷中主要非金属相的种类，金属陶瓷刀具材料可分为如下几种：2.5.1 氧化物基金属陶瓷Al2O3基金属陶瓷材料可用作高速切削刀具材料，并且在高温条件下可以应用。

如Al2O3-金属陶瓷刀具、Al2O3-金属-碳化物(氮化物)陶瓷刀具、Al2O3-金属-碳氮化物陶瓷刀具。

2.5.2 碳化物基金属陶瓷WC 基金属陶瓷是迄今能保证材料高力学性能的最好的结构组合和原子间相互作用的典型示例，其硬度和抗弯强度分别达到了89HRA 和1500MPa。

在碳化物基金属陶瓷中，除WC 外，TiC 基金属陶瓷的研究也相当成熟。

TiC 陶瓷的熔点(3430℃)高于WC(2870℃)，耐磨性好，密度只有WC 的1/3，线胀系数和抗氧化性比WC 好，而且都能被Co 润湿，因此可用来替代目前广泛使用的WC- Co 基金属陶瓷而大大降低成本。

2.5.3 碳氮化物基金属陶瓷Ti(C,N)基金属陶瓷是在WC 基金属陶瓷和TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一种具有高强度、高硬度以及优良的高温、耐磨性能的新型金属陶瓷。