金刚石刀具知识点分析.docx
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金刚石刀具知识点分析
刀具基础知识
一、刀具材料应具备的性能；
A,高的硬度和高耐磨性
1.硬度是刀具材料应具备的基本特性
2.耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。
B,足够的强度和韧性
1•强度是刀具材料抵抗破坏的能力
2.韧性是指材料发生断裂时外界做功的大小。
3.高的耐热性和热传性
4.良好的工艺性和经济性
1）切削性能
目前刀具材料分四大类：
工具钢、硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料等。
各种刀具功料的主夏物理力学性能
材料种契
囲度
；HRC（HRA）
抗弯强度/GPa
冲击值
/（XU.'crn2）
热导率
耐热性
工
具
钢
碳素「.具钢
（21.2-84）
2.16
——
-=41.57
200-250
合金I:
具钢
60-65
（81.2-84）
235
—
・4L.茶
300-400
高速钢
63〜70
（83-S6.6）
1.96-4.41
0.098-0.588
167425.1
600-700
质
金
（89-91.5）
1.08-2.16
0.019-0.059
75.4-87.9
800
（29-92.5）
0.882-137
0.0029-0.0068
20.9-62.8
900
含有㈱化
怛、•枠
（-92）
-1.47
——
——
1000-1100
碳化盐凰类
（92〜933）
0.78-1.08
—
—
1000
阖
氧化铝陶甕
0.44-0.686
0.0049-0.0117
41.9-20.93
1200
氧化错磁化物
耀合陶瓷
（91〜95）
0.71-0.88
1100
超
材
料
立方氮化硼
HV
8000-9000
〜0.294
——
75.55
1400-1500
人造金刚石
HV10000
0.21-0.48
146.34
700-800
常用的刀具材料一、工具钢
1.碳素工具钢
碳素工具钢是含碳量为0.65%〜1.3%的优质碳素钢。
常用的钢号有T7A、T8A等。
耐热温度：
200・C〜300°C。
2.合金工具钢
1868年，英国的穆舍特制成含铸的合金工具钢。
在碳素工具钢中加入适当的元素洛（Cr）、硅常用的合金工具钢有9CrSi,CrWMn等（Si）、猛（Mn）、锐（V）、鸨（W）等炼成的。
耐热温度：
325C〜400°C。
主要用于制造细长的或截而积大、刃形复杂的刀具。
二，高速钢
高速钢是一种富含鸽（W）、洛（Cr）、铝（Mo）、帆（V）等元素的髙合金工具钢。
美国的F.W.泰勒和M.怀特于1898年创制的。
含碳量一般在0.70〜1.65%之间。
耐热温度：
50（TC~650°C。
髙速钢的抗弯强度是硬质合金的3〜5倍，冲击韧性是硬质合金的6-10倍
帮用高速钢的种类.料号及主夏性能
钢号
牌号
段度田RC
抗弯强度
.-GPa
冲击值
©fJ，W）
當汎
5oor
600€
昔通
高速钢
W18Cr4V
63■〜66
56
48.5
2.94-335
0.172-0331
W6Xfo5Cr4V2
63〜66
55-56
47-48
3.43-3.92
0294-0392
髙性能高速钢
95W18Cr4V3
6268
59
52
792
0.166-0.216
W6Mo5Cr4V3
65-67
51.7
•=3.136
◎0.245
W6Mo5Cr4V2Co8
66-68
—
54
7一92
^0.294
W2X-fo9Cr4VCoS
67-70
60
55
2.65-3.72
0.225-0.294
含铝
W6Mo5Cr4V2Al
67〜69
60
55
2.S4-3.S2
0.225-0.294
W10Mo4Cr4V3Al
67〜69
60
54
3.04743
0.196-0.274
1.普通高速钢（HSS）
2.鸽系髙速钢：
W18Cr4V（W18）
3.具有较好的综合性能，可制造复杂刃型的刀具。
但由于鸽是稀有金属，现在很少使用。
4.鸽钳系高速钢：
W6Mo5Cr4V2（M2）
5.M2的碳化物颗粒小，分布均匀，具有较高的抗弯强度、塑性、韧性和耐磨性。
又因为铝的存在，使其热塑性非常好。
2.高性能高速钢（HSS-E）
高性能高速钢是在普通髙速钢中增加一些碳、锐及添加钻（Co）、铝等元素的新钢种。
钻髙速钢：
W2Mo9Cr4VCo8（M42）
一种含钻的超硬高速钢，常温硬度67HRC-69HRC,具有良好的综合性能。
铝高速钢：
W6Mo5Cr4V2AI
在M2的基础上加Al、增C,提高了钢的耐热性和耐磨性。
在600C时的硬度能达到54HRC,英切削性能较好，应用广泛。
3.粉末冶金髙速钢（HSS-PM）
粉末冶金髙速钢是把炼好的髙速钢液，在保护性气罐中，在髙压氮气或纯氮气等惰性气体中雾化成细小粉末，并在髙速冷却下获得细小而均匀的结晶组织，然后将粉末在髙温高压下压制成致密的钢坯，最后用一般锻造或轧制方法成形。
其碳化物颗粒小、分布均匀，有良好的各向同性的力学性能，热处理变形小，耐磨性和可磨性好。
用于制造各种复杂形状的高性能刀具、精密刀具：
该种钢的冶炼成本髙，国内应用较少。
三，硬质合金
硬质合金是以碳化鸨（WC）,碳化钛仃iC）粉末为主要成分，并以钻、铝、镰（Ni）为粘结剂在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。
1923年，徳国的施勒特尔往碳化鸽粉末中加入10%〜20%的钻做粘结剂，发明了碳化鸽和钻的新合金，硬度仅次于金刚石。
这是世界上人工制成的第一种硬质合金。
1.硬质合金的主要性能
（1）硬度高：
常温硬度达89〜94HRA—般情况下，硬度越高者可允许的切削速度
越高，而韧性越高者可承受的切削力越大。
（2）耐热性好：
（3）抗弯强度和冲击韧性比髙速钢低：
（4）可加工性差。
耐热温度：
800*C〜1000°C。
陰;矍讣金刚石烧结体
3雀壓1金刚石涂层
烧结体
韧性
常用哽质合金的成分初物理力学性能
类别
牌号
化学成分
密度/
帶热系数/
皿4
抗鸾强巫
/GPa
WC
TlC
IaC
NbC
Co
WC基
钻类
YG3X
97
<0.5
3
14.9-153
87.92
91..5
1.0S
YG6X
93.5
0.5
6
14.6-15.0
75.55
91
1.37
YG6
94
6
14.6-15.0
75.55
89.75
1.42
YG8
92
S
14.5-14.9
75.36
89
1.47
YG10C
90
10
14374.9
7536
&8
1.72
钻钛类
YT30
66
30
4
93-9.7
20.93
92.5
0.88
YI15
79
15
6
11.0-11.7
33.49
91
1.13
YT14
78
14
8
11.2-12.0
33.49
90.5
1.77
YT5
85
3
10
12.5-13.2
62.80
S9
1.37
加
添
加
剂
类
YG6A
CA6）
91
3
6
14.6-15.0
91.5
1.37
YGSA
91
1
8
14.5-14.9
98.5
1.47
YW]
84
4
8
12.A13.3
91.5
1.18
YW2
82
4
8
12.6-13.0
90.5
1.32
2.普通硬质合金
K类硬质合金（鸽钻类，标准YG类）
这类硬质合金的成分为90%〜97%的碳化鸽加上3%〜10%的钻。
YG3X----碳化鸨（WC）97%、钻（Co）3%
YG8C-碳化鸽（WC）92%、钻（Co）8%
主要用于加工铸铁、非铁材料和非金属材料。
P类硬质合金（鸽钛钻类，标准YT类
这类硬质合金的成分为5%〜40%的碳化钛，英余均为碳化钩和钻。
YT5---碳化钛（TiC）5%、碳化鸽（WC）85%、钻（Co）10%
YT30—碳化钛（TiC）30%、碳化鹄（WC）66%、钻（Co）4%
主要用于加工以钢为代表的塑性材料，不宜加工不锈钢和钛合金
M类硬质合金（鸽钛钮（锭）类，标准YW类）
硬质合金的成分：
5%〜20%碳化钛（TiC）加上破化钮TaC（NbC）,其余均为碳化鸽（WC）和钻（Co）。
国内常用的牌号为YW1、YW2等。
既可以加工铸铁、非铁材料，也可以加工钢材，称为通用硬质合金。
碳化钮（TaC）或碳化锭（NbC）的作用：
提髙合金的高温硬度及髙温强度：
及钢的粘结温度较高，减缓了合金成分向钢中扩散，延长刀具寿命：
在合金中的质疑分数达到12%〜15%时，可提髙抵抗周期性温度变化的能力，防止产生裂纹：
改善合金的焊接、刃磨工艺性，提高合金的使用性能。
硬质合金的应用范匪
牌号
使闿说明
便舟场合
YG3X
属细颗粒介金.足YG类合金屮耐磨性最好
的一种，但冲击初性差
铸铁、有色金属的精加匸・合金刷、淬火钢及鸽、.宙材料精加工
YG6X
属细颗粒介金，•耐曆性优TYG6,强度接近YG6
铸铁、冷規铸铁'合金诗铁'耐热钢、合金钢的半精加工、精加工
YG6
耐磨性较好，抗冲击能力优于YG3X.YG6X
铸铁、有色佥属及合金、护金属的粗加「.、半精加工
YG8
强度较岛,抗冲击性能较好，耐磨性较差
铸铁、有色金属及合金的報加I-.可断裟切削
YT30
YT类合金屮红蝉性和耐磨性触好，［日强度假.不耐冲击，易产生焊接和磨刀裂纹
嗾钢、合金钢连续切削时的精加工
YT15
耐磨性和红皆性校好，但抗冲击能力差
嗾钢、仟金钢连续切削时的半秸加「•和精加I.
YT14
强度和冲击韧性较但耐磨性和红绘性低于YT15
嗾钢、合金钢连续切削时的粗加I'.、半精加I:
和梢加工
YT5
足YT类合金屮强度冲击韧性瑕好的一种，不易期刃，但耐磨性差
嗪铮K合金制连续坍削时的租加匸・可用于断连续切削
YG6A
啊细颗炖合金，耐磨性和强度YG6X相近
酸特铁、球铸铁，有色金属及合金.窩猛钢、
合金•钢、淬火钢的半精加「.、粒加I.
YG8A
属屮赖炖合金.强度较好.灯城性较差
翅铸钦、球铸钦、口口钦、有色金属、及合金.・
不锈钢的粗加工、半精加工
YWL
红酸性和耐暦性较好，耐冲击.通用性较好
不锈钢、耐热钢、髙毎钢及获他难加工材料的半糟加工、精加工
YW2
红酿性和耐曆性低于YW1,但强度和抗冲击刃性较高
不锈诩、耐热钢、窩猛钢及梵他难加丁•材料的半荊加工、精加工
四、涂层刀具
在韧性较好的硬质合金基体上，或在髙速钢刀具基体上，涂一薄层或多层硬度和耐磨性很高的难熔金属化合物（TiC、TiN、TiCN、AI2O3）而制成的刀具。
1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，其基体是鹄钛钻硬质合金或铸钻硬质合金，表而碳化钛涂层的厚度仅有几微米，及同牌号的合金刀具相比，其使用寿命延长了3倍，切削速度提髙了25%〜50%。
涂层高速钢刀具
采用PVD方法在髙速钢刀具基体上涂复TiN、碳氮化钛TiCN、氮铝化钛仃iAlN）等硬膜，可制成涂层髙速钢刀具。
沉积温度为500°C左右。
涂层硬质合金刀具
通过化学气相沉积法（CVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）,在硬质合金刀片上涂复耐磨的碳化钛（TiC）或TiN、AI2O3等薄层，形成表而涂层硬质合金，沉积温度为1000'C左右。
涂层硬质合金刀具的优点：
（1）表层的涂层材料具有极髙的硬度和耐磨性，允许采用较髙的切削速度。
（2）切削时，涂层材料及被加工材料之间能产生氧化钛薄膜，降低摩擦系数，使切削力降低。
（3）涂层材料及钢的粘结温度高，表而晶粒较细，切削时很少产生积屑瘤，适合于精加工。
（4）涂层硬质合金是一种复合材料，基体是强度、韧性较好的合金，表层是髙硬度、高耐磨、耐髙温、低摩擦的材料，其综合性能好。
（5）可靠性受基体成分影响很大。
一、陶瓷刀具材料
以氧化铝或氧化硅为基体，再添加少量金属，在髙温高压下烧结而成的一种刀具材料。
用于在高速下精细加工硬材料。
（1）具有很高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳左性：
（2）摩擦因数小，切削不易粘结，不易产生积屑瘤。
（3）强度、韧性低，脆性大，强度只有硬质合金的血：
（4〉导热能力差，只有硬质合金的1/2〜第；
（5）线膨胀系数大，在力、热冲击下易破裂。
不易有较大的温度波动，一般不用切削液。
二、立方氮化硼一一超硬刀具材料
立方氮化硼（CBN）是由软的六方氮化硼（白石墨）在髙温髙压下加入催化剂转变而成的。
主要对淬硬钢、冷硬铸铁进行粗加工及半精加工。
还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。
硬度髙和耐磨性好，达到3500〜4500HV,仅次于金刚石：
热稳泄性较髙，1300°C时不发生氧化；
导热性较好，及铁的摩擦系数较小；
抗弯强度及断裂韧性介于陶瓷及硬质合金之间。
三、金刚石一一超硬刀具材料
四、金刚石（ND）刀具的优点是：
五、有较髙的硬度和耐磨性：
能长期保持锋利的切削刃：
六、有很好的导热性，较低的热膨胀系数：
七、摩擦系数小，刃面粗糙度小，刃口非常锋利。
八、缺点：
九、较脆易崩刃，刃磨困难，制造工艺差：
十、热稳泄性差，切削温度在700°C〜800'C时，表面就会碳化，而且及碳亲和力强，故不易加工含碳的黑色金属，用于非铁材料、非金属材料以及复合材料的加工；
十一、金刚石来源有限，价格昂贵。
二、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
断裂
刀具材料的耐磨性与断裂
普通刀具材料与超硬刀具材料性能与用途对比
材料性能
刀具材料种类
硬度
抗弯强度导热系数热稳定性化学惰性耐磨性
加工对象
合金
工具钢
HRC65
2.4GPa
40-50
350cC
低速加工一般钢材、铸铁
高速钢
W18Cr4V
硬质合金
YG6
陶瓷
Si3N4
天然
金刚石
聚晶金刚石
PCD
HRC66
3.2GPa
20-30
620°C
一般钢材、铸铁粗、
精加工
HRA90
1.45GPa
70-100
1000°C
低
较高
一般精度
R<0.8
IT7-8
-般钢材、铸铁粗、精加工
HRA93iVlOOOC
HV7500
HV4000
0.8GPa
0.3GPa
2.8GPa
1.5GPa
30-40
146.5
100-120
40-100
1400°C
惰性大
高
Ra<0.8
IT7-8
度精硬材工高钢加
800°C
600-800cC
>1000°C
惰性小最高高精度
R=0.1-0.05
惰性小
最高
惰性大
很高
Ra=0.4-0.2
1T5-6
IT5-6可替代磨削
硬质合金、铜、铝有色金属及其合金、陶瓷等高硬度材料
淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等难加工材料
一、超硬刀具材料
超硬刀具是指用天然单晶金刚石及性能及之相近的人造金刚右和立方氮化硼作为切削部分的刀具。
超硬刀具出现于20世纪50年代，主要包括金刚石刀具和立方氮化硼刀具。
二、超硬刀具的类型
人造聚晶金刚石（PCD）或聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具；
人造聚晶金刚石（PCD咸聚晶立方氮化硼（PCBN）复合片刀具；
超硬材料涂层刀具：
电镀金刚石或电镀立方氮化硼。
1.PCD或PCBN刀具
PCD又称为金刚石烧结体，是在髙温高压作用下，通过钻等结合剂将人造金刚石的单晶粉
聚晶成的多晶体材料。
PCBN是CBN单晶粉的烧结体
可任意取向刃磨，抗磨损能力强：
原料来源丰富，其价格远低于ND刀具；
可采用较髙的切削速度和较大的背吃刀量：
晶粒尺寸大，切削刃较粗糙，刃口质量差。
2.PCD或PCBN复合片刀具
以硬质合金为基底，在其表而饶结或压制一层0.5〜1mm厚的PCD或PCBN而组成的金刚石复合片或立方氮化硼复合片。
这种复合片的抗弯强度及硬质合金基本一致，而工作表而的硬度接近PCD或PCBN,且可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。
冷1
四、超硬刀具的合理使用
1.正确选用刀片的种类和牌号
2.PCD或PCBN刀片的使用性能及其晶粒尺寸的大小有关。
晶粒尺寸越大，耐磨性越好,刀具的寿命越髙，但切削刃较粗糙，刃口质量差。
3.粗晶粒晶粒的平均尺寸为20〜50m；
4.中晶粒晶粒的平均尺寸为10-20m：
5.细晶粒晶粒的平均尺寸为2-10mo
3.防止水解作用
2.立方氮化硼刀具能承受1250〜1350°C的切削温度，但在1000左右高温下，CBN会同水蒸气及空气中的氧起反应，生产氨和硼酸，这种化学反应称为水解作用。
3.会加速刀具的磨损。
在湿式切削时，忌用水溶液作切削液，须用带极压添加剂的水溶液或极压切削油，以减弱水解作用。
4.刀具材料应具备的性能：
足够的硬度和耐磨性、足够的强度及韧性、较高的耐热性、较好的工艺性、较好的传热性、经济性。
5.工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢。
碳素工具钢主要用于制造手用刀具、低速及小进给量的机用刀具。
合金工具钢比碳素工具钢有较髙的淬透性、韧性、耐磨性和耐热性。
主要用于制造细长刀具或截面积大、刃形复杂的刀具。
6.髙速钢按切削性能分为普通髙速钢、高性能髙速钢和粉末冶金髙速钢。
及工具钢相比，高速钢有较髙的硬度、耐磨性以及强度和韧性。
及硬质合金相比，髙速钢的最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。
高速钢仍是主要用于制造形状复杂的刀具。
高性能高速钢和粉末冶金高速钢适于制造切削难加工材料的各种糟密刀具和形状复杂刀具。
7.硬质合金刀具材料有YG类、YT类、YW类三种。
具有高硬度、髙耐磨性、高耐热性、抗弯强度低、可加工工艺性差等特点。
YG类硬质合金主要用于加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料以及淬硬钢、髙强度钢、奥氏体不锈钢等难加工材料。
YT类硬度合金主要用于加工形成长屑的钢材等塑性材料。
YW类主要是加工钢料和难加工材料的半精加工和精加工
陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性及耐热性，抗扩散和抗粘结能力强。
最大缺点是强度低、韧性差。
适用于钢、铸铁及塑性大的材料的半精加工和精加工，尤英对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料零件加工特别有效：
但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。
金钢石和立方氮化硼属于超硬刀具材料主要用于精加工。
金刚右目前主要用于磨具及磨料,作为刀具多在髙速下对有色金属及非金属材料进行精细车削及锂孔，注意不能加工铁等黑色金属。
立方氮化硼用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢、冷硬铸铁等难加工材料。
目前常用的超硬刀具有PCD刀具、PCBN刀具、PCD复合片刀具以及PCBN复合片刀具。
超硬刀具具有硬度极髙、耐磨性好、刃口锋利、热导率高等特点，被广泛应用于工业生产中。
1）金刚石懐钛右.与胎体的结合强度得到了改善，抗弯强度有了一定程度的提高.并用复合林料的强度複型初步.解释了抗弯强度的试验结果。
2）金刚石镀钛后，隔绝（或部分隔绝）了其与胎体中Fe,Co.Ni等有催化作用的元素的接触、减少了金刚石的石墨化以及与它们形成没有牢固结合力的固溶体的趋势，便金刚石热压后强度降低得到了控制；同时，其出露高度有所提高.锋利度得到改善，胎体磨掘减少，从而提高了其使用寿命。
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