刀具行业是整个机械制造行业的基础产业,其水平高低直接影响一个国家国民经济发展的支柱产业,如汽车工业、家电和航空工业等。先进的切削工具是实现生产过程优质、高效、低耗必不可少的条件和保证,而先进的切削工具很大程度上又取决于刀具的材料技术。因此,刀具材料的开发、推广和正确选用是推动制造技术发展进步的重要动力,也是提高产品质量、降低加工成本和提高生产率的重要手段。一般来讲,刀具的切削性能除了与刀具的材料直接相关外,还与刀具的几何形状和结构相关。当然,在这些因素中,刀具材料最为重要,它对刀具的耐用度、加工效率、加工质量和加工成本影响极大。因此,了解刀具材料的性能并正确选用是刀具设计和使用的重要内容之一。
1.4.1刀具材料应具备的性能及刀具材料的种类
刀具在工作时要承受很大的压力、冲击和摩擦,一般材料在这样恶劣的条件下会迅速破损或磨损。因此,作为刀具材料,必须具备下列五个方面的基本要求:
(1)硬度和耐磨性:刀具要从工件材料上切下切屑,其硬度就必须高于工件材料。一般高速钢刀具材料的硬度在60HRC以上,而硬质合金与陶瓷的硬度一般在90HRA以上,且陶瓷的硬度略高于硬质合金。
(2)强度和韧性;刀具在切削时都要承受很大的切削力或冲击力。要保证刀具在切削时不至于崩刃和折断,刀具材料就必须具备足够的强度和韧性。
(3)耐热性:它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。刀具材料的耐热性越好,表明刀具材料在高温时抗塑性变形和抗磨损的能力越强。
(4)导热性:刀具材料的导热系数越大,则切削时由刀具传走的热量也越多,这有利于降低切削温度和提高刀具耐用度。
(5)工艺性:刀具材料还需具备较好的可加工性,包括锻压、焊接、切削、磨削和热处理等。
刀具材料的种类较多,主要有高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。为了方便读者查阅和比较,我们将这几类刀具材料的物理力学性能列于表1-1。
表1-1各类刀具材料的物理力学性能
性能 材料种类 |
硬度HRC (HRA) |
抗弯强度/GPa |
冲击韧性 /(MJ/m2) |
热导率 /(W/(m.k)) |
耐热性 /℃ |
密度 /(g/cm3) |
|
高速钢 |
63~70 (84~86) |
2~4 |
0.18~0.4 |
20~30 |
600~700 |
8.7~8.8 |
|
硬 质 合 金 |
K类(YG类) WC-Co |
74~80 (89~92) |
1~2 |
0.02~0.04 |
75~88 |
800~900 |
14~15 |
P类(YT类) WC-TiC-Co |
75~81 (90~93) |
0.9~1.5 |
0.03~0.07 |
21~63 |
900~1000 |
10~13 |
|
M类(YW类) WC-TiC-TaC (NbC)-Co |
78~80 (91~92) |
1.2~1.5 |
无 |
无 |
1000~1100 |
12~14 |
|
TiC类(N类) TiC-Ni-Mo |
80~82 (91~94) |
0.9~1.1 |
无 |
无 |
1100 |
6~7 |
|
陶瓷 |
氧化铝类 Al2O3 |
(91~92) |
0.4~0.7 |
0.005~0.012 |
29 |
1200 |
3.9~4 |
复合氧化铝类 Al2O3—TiC |
(93~94) |
0.7~0.9 |
17 |
1200 |
4.2~4.3 |
||
复合氮化硅类 Si3N4 |
(93~94) |
0.6~0.9 |
20~35 |
1300 |
3.2~3.6 |
||
超 硬 材料 |
立方氮化硼 |
8000HV |
0.5~0.8 |
无 |
75 |
1300~1500 |
3.44~3.48 |
人造金刚石 |
10000HV |
0.6~1.1 |
无 |
150 |
700~800 |
3.48~3.52 |
1.4.2刀具材料的成分、性能与选用
我国目前应用最多的刀具材料是高速钢和硬质合金,其次是超硬材料和陶瓷刀具材料。随着材料技术研究的不断深入,我国各大企业和大专院所新开发的各类刀具材料也不断增加,但大多是在高速钢、硬质合金和陶瓷刀具材料基础上的改进。下面我们就最常用的刀具材料的成分、性能和应用范围作详细介绍。
1.高速钢刀具材料
高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢的成分若按质量计,钨和钼占10%~20%,铬(Cr)约占4%,钒(V)占1%以上,碳占1%左右。在熔炼和热处理过程中,部分合金元素如W、Cr、V等与C化合形成高硬度的碳化物,如WC、VC等。高速钢的强度(抗弯强度为硬质合金的2倍~3倍,为陶瓷的5倍~6倍)、硬度(62~72HRC)、耐热性(600℃~700℃)、韧性、耐磨性和工艺性较好,刃磨锋利,故又称“锋钢”适合于大部分常用材料的切削加工。尤其是其良好的工艺性(可车、锻、磨、热处理等),使其在形状复杂的刀具(如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等)和小型刀具上应用很广。
高速钢按其基本化学成分可粗分为钨系和钼系高速钢;按其切削性能又可分为普通高速钢和高性能高速钢;按其成形的不同还可为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。
普通高速钢钨系类钢的典型牌号是W18Cr4V,简称W18,其主要成分含量为W18%,Cr4%和V1%。其综合性能较好,常温硬度达62~66HRC,在600℃时的高温硬度为18.5HRC,强度和韧性略低,不适于制作大截面的刀具。
普通高速钢钼系类钢的典型牌号是W6MoCr4V2,简称M2,其主要成分含量为W6%、Mo5%、Cr4%和V2%。其力学性能较好,抗弯强度比W18钢高10%~15%,韧性高50%~60%,因而适合于制作较大截面的刀具和应用于刀具承受冲击力较大的切削。其热塑性和磨削加工性也十分良好,因而目前广泛应用于轧制或扭制的钻头等热成形刀具制作中。M2钢的缺点是热硬性和高温硬度略低于W18钢。
W9Mo3Cr4V是另一钼系类牌号的普通高速钢,简称W9,其总体综合性能略高于M2钢。
高性能高速钢是在普通钢的基础上通过添加其它合金元素得到的新钢种。目前常用的主要有钴高速钢和铝高速钢两种。钴高速钢的典型牌号是W2Mo9Cr4VCo8,简称M42。其常温硬度达67~70HRC,600℃时的高温硬度为55HRC,适合于加工耐热金属和不锈钢等。铝高速钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2Al,简称501,是我国研发的一种含铝的无钴高性能高速钢。其总体综合性能与M42相当,但该钢种不含钴,因而成本较M42钢低。
粉末冶金高速钢是采用高压惰性气体(如氩气)将高频感应炉熔融的高速钢钢水雾化得到细小的高速钢粉末,再经高温高压压制成型并锻轧成坯。粉末冶金高速钢除成本略高外,在切削性能方面和工艺性能方面均明显优于熔炼高速钢,其强度和韧性比熔炼高速钢提高了2倍~3倍,硬度也达到了68~70HRC。粉末冶金高速钢适合于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸复杂刀具如滚刀、插齿刀等,也适合于制造精密刀具、形状复杂的刀具和断续切削的刀具等。为了便于大家查阅和正确选用,我们将常用高速钢刀具材料的牌号、性能和适用范围以及高速钢刀具材料的选用分别列于表1-2和表1-3。
表1-2 常用高速钢的主要力学性能和适用范围
钢类型 |
牌号 |
硬度 HRC |
高温硬度 HRC (600℃) |
抗弯强度 /GPa |
冲击韧性 /(MJ/m2) |
适用范围 |
普通高速钢 |
W18Cr4V (W18) |
63~66 |
48.5 |
3~3.4 |
0.18~0.32 |
适合于普通钢材和铸铁的精加工,用于复杂刀具的制作 |
W6Mo5CrV2 (M2) |
63~66 |
47~48 |
3.5~4 |
0.3~0.4 |
适合于制作加工轻合金钢、合金钢和碳钢的热成型刀具和各种复杂刀具 |
|
W9Mo3Cr4V (W9) |
65~66 |
无 |
4~4.5 |
0.35~0.4 |
刀具寿命比W18、M2高,适合于制作加工普通钢材和铸铁的刀具 |
|
高碳高速钢 |
9W18Cr4V (9W18) |
66~68 |
51 |
3~3.4 |
0.17~0.22 |
适合于制作加工普通钢材、铸铁和耐磨性要求高的刀具如钻头、铰刀、丝锥、铣刀、车刀等,以及加工较硬材料的刀具。但不宜承受大的冲击 |
9W6MoCr4V2 (CM2) |
67~68 |
52 |
3.5 |
0.13~0.26 |
||
含钴高速钢 |
W2Mo9Cr4VCo8 (M42) |
67~69 |
55~60 |
2.7~3.8 |
0.23~0.3 |
适合于高强度耐热钢、高温合金、不锈钢等的加工刀具以及精密复杂刀具,但不宜承受大的冲击 |
W10Mo4Cr4V3Co10 (HSP-15) |
67~69 |
55.5 |
2.35 |
0.1 |
||
W2Mo9Cr4VCo8 (M36) |
66~68 |
54 |
3 |
0.3 |
适合于制作钻头、滚刀、拉刀、铣刀以及加工难加工材料,如耐热合金、不锈钢和高强度钢等的刀具 |
|
W12Cr4V5Co5(T15) |
66~68 |
54 |
3 |
0.25 |
||
W12Mo3Cr4v3Co5Si (CoSi) |
67~69 |
54 |
2.4~3.3 |
0.25 |
||
高钒高速钢 |
W6Mo5Cr4V3 (M3) |
65~67 |
52 |
3.2 |
0.25 |
适合于制作对刀具磨损大的难加工材料如纤维、硬橡胶、塑料等以及难加工钢材如不锈钢、高强度钢等的刀具 |
W12MoCrV4Mo (EV4) |
66~67 |
52 |
3.2 |
0.1 |
||
含铝高速钢 |
W6MoCr4V2Al (501) |
67~69 |
55 |
2.9~3.9 |
0.23~0.3 |
适合于制作钻头、铰刀、齿轮刀具拉刀、铣刀和加工耐热合金、不锈钢等刀具以及精密复杂刀具,但不宜承受大的冲击 |
W10MoCr4V3Al (5F6) |
67~69 |
54 |
3.1~3.5 |
0.2~0.28 |