现代刀具材料与切削加工技术115wWord文件下载.docx
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耐磨性
韧
性
P10
高切削速度，中等或小断面切削条件下的车削、仿形车削、车螺纹及铣削
P20
钢、铸钢、长切屑可锻铸铁
中等切削速度和中等断面切屑条件下的车削、仿形车削及铣削，小断面切屑的刨削
P30
中或低切削速度、中等或大断面切屑以及不利条件下的车削、铣削、刨削
P40
钢、含砂和气孔的铸钢
低切削速度、大切削角、大断面切屑以及不利条件下的车削、铣削、插削和自动机床加工
P50
钢、含砂和气孔的中或低强度钢
需要韧性很好的硬质合金的加工；
在低切削速度、大切削角大端面切屑及不利条件下的车削、刨削、插削及自动机床加工
M
长切屑或短切削的黑色和有色金属
黄色
M10
钢、铸钢、锰钢、灰口铸铁和合金铸铁
中或高切削速度、中等或小断面切削条件下的车削
进给
韧
M20
钢、铸钢、奥氏体钢或锰钢、灰口铸铁
中等切削速度和中等切削断面条件下的车削及铣削
M30
钢、铸钢、奥氏体钢、灰口铸铁、耐热高温合金
中等切削速度、中等或大断面切屑条件下的车削、铣削和刨削
M40
易切钢、低强度钢、有色金属及轻合金
车削、切断，特别适于自动机床加工
K
短切屑的黑色金属、有色金属及非金属材料
红色
K01
特硬灰口铸铁、肖氏硬度大于85的冷硬铸铁、高硅铝合金、淬火钢、高耐磨塑料、硬纸板、陶瓷
车削、精车、镗削、铣削、刮削
K10
布氏硬度高于220的灰口铸铁、短切屑的可锻铸铁、淬火钢、硅铝合金、铜合金、塑料、玻璃、硬橡胶、硬纸板、瓷器、石材
车削、铣削、钻削、镗削、拉削、刮削
K20
布氏硬度低于220的灰口铸铁，有色金属、铜、黄铜、铝
车削、铣削、刨削、镗削、拉削
K30
低硬度灰口铸铁、低强度钢、压缩木
在不利条件下及允许大切削角的车削、铣削、刨削、插削
K40
软木或硬木、有色金属
S
耐热合金钛合金
紫色
S10
Ni基、Co基、Fe基高温合金及钛合金
精车、精铣、精镗
S30
同上
精车、精铣及半精加工
H
淬硬钢硬铸铁及喷涂材料
深黑色
H10~H30
HRC55°
以上淬火件、冷硬铸铁及高硬喷涂件
精加工及半精加工
N
有色金属及非金属材料
绿色
N01~N30
铝合金，铜合金、镁铝合金，塑料、橡胶
精车、半精车，精镗、精铣等作业
注:
P、M、K类以硬质合金为主要材料；
S、H、N类以陶瓷，立方氮化硼、金刚石使用效果最佳，并兼用硬质合金。
—、切削加工用硬质合金
硬质合金是以难熔金属碳化物（碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化铌等）为硬质合金碳化物。
铁族金属钴或镍等做粘结剂，用粉末冶金方法制造的硬质合金材料。
硬质合金具有熔点高、硬度高、耐磨性好，膨胀系数小及化学稳定性好等一系列优良性能。
使得它在现代刀具材料占据量达到40%左右，仅次于高速钢，但金属切除率效果显著比HSS大一倍，随着合金使用性能不断提高，应用领域不断扩大，替代HSS刀具趋势愈来愈增多。
切削用的硬质合金刀具材料通常有五大类，即常用硬质合金、添加Tac和Nbc硬质合金，细和超细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、钛基硬质合金。
硬质合金组成元素的性能见表1-2所示：
表1-2，硬质合金组成元素的性能
组成元素
性能
WC
TiC
TaC
NbC
Co
硬度HV
2400
3200
1800
150~180HBS
熔点（℃）
2800
3100
3800
3500
1500
热导率[W/（m℃）
121.4
31.8
22.2
14.2
54.4
热膨胀系数（10-5/℃）
6.2
7.61
6.61
6.84
12.5
1、常用硬质合金
常用硬质合金是指上个世纪五十年代我国由苏联援建的钨钴类合金（WC-Co），钨钛钴类合金（WC-TiC-Co），这两类合金至今仍在生产与使用。
1.1钨钴类硬质合金
WC-Co类合金主要由碳化钨和钴组成。
这类合金与含钴量相同的其它硬质合金比较，具有最高的抗弯强度、抗压强度、冲击韧性和弹性模数、以及较小的线膨胀系数，但耐磨性较差。
这类合金可以分为低钴、中钴和高钴合金三种。
低钴合金通常含钴量3-8%，主要用于制造切削铸铁、有色金属、非金属和部分耐热合金、钛合金、不锈钢及高硬度难加工材料的刀具。
这类合金有YG8、YG6、YG3牌号，对应于ISO标准的K类合金。
其次，这类合金亦用于制造各种引伸模具、耐磨零件以及地质钻探、石油开采旋转钻头和挖煤齿工具。
中钴合金（含钴10-15%）主要用于制造矿山开采中硬及硬岩石冲击钻头和某些冲击负荷不高的冲压（拉伸）模具。
高钴合金（含钴20-30%）则主要用作冲击负荷较大的冷热墩模和冲压模具。
1.2钨钛钴类合金
WC-TiC-Co（称钨钛钴）类硬质合金。
这类合金主要用于制造切削刀具、它对应于ISO标准的P类，与WC-Co合金相比较，具有较高的抗氧化性（高温硬度700-790C之间使用），在切削工具中形成“月牙洼”的倾向小。
由于Ti的扩散速度比C、Co、W等元素慢，所以钨钛钴类合金比钨钴类合金耐磨性好，为什么在切削钢材时要选用WC-TiC-Co类合金就是这个道理。
因而在长切削材料的加工中采用高速切削时有较长的寿命。
其缺点是强度较WC-Co合金低。
这类合金通常按碳化钛的含量分为低钛、中钛、高钛合金三种。
低钛合金一般含碳化钛4-6%，含钴9-12%，（相似国产的YT5）强度最高，用于冲击负荷较大的碳钢，合金钢的粗切削加工（钢锭剥皮、刨削等）。
中钛合金一般含碳化钛10-20%，含钴6-8%，（国产的YT14、YT15牌号合金）用于冲击负荷小碳钢和合金钢的切削加工。
高钛合金强度最低，耐磨性能好，一般含碳化钛25-40%，含钴4-6%，（国产YT30牌号）用于小截面切屑和无冲击负荷的碳钢和合金钢精切削加工。
2、添加碳化钽（TaC）和碳化铌（NbC）类硬质合金
硬质合金中添加TaC、NbC之后，能够有效提高常温硬度，高温强度和高温硬度、细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化磨损的能力，从而提高了耐磨性。
此外还能增强抗塑性变形的能力。
因此，切削性能得到改善。
2.1、WC+Co+TaC（NbC）类合金，其中一种在YG类合金的基础上加入TaC，其合金牌号称为YG6A和YG8A，YG6A加入TaC2%，YG8A加入TaC4%，另一种也是在YG类合金的基础上加入NbC。
该合金牌号称YG8N，加入NbC2.2%，这三个牌号的新型合金的物理机械性能和使用性能均优于含钴相同的YG6和YG8合金牌号。
不仅在切削上述材料时刀具寿命延长30%左右，还适应切削硬白口铸铁层和蒙乃尔合金等多种难加工材料，如YG8A合金在切削耐热不锈钢时，其耐磨性能和抗粘结能力又优于YG8N合金。
2.2、WC+TiC+TaC（NbC）+Co类合金，即在WC+TiC+Co类合金基础上加入TaC（NbC），主要用于钢材切削加工，它比WC-TiC-Co合金有更好的高温抗氧化性，同时又有较好的抗热震性，因而常常具有较高的刀具寿命。
这类合金种类繁多，归纳起来可分为四种：
（1）通用类合金，TiC含量为4-10%，TaC（NbC）含量为4-8%，Co含量为6-8%综合性能较好，适用范围宽，即可加工钢材，又可以加工铸铁和有色金属，但其单项性能并不比普通的WC-TiC-Co和WC-Co合金强。
如国产YW1，YW2，YW3，YM10（YW4）等牌号就是这类合金，相当于ISO的M类，尤其适用于各种合金钢、不锈钢的切削加工更能发挥其优势，如YW3牌号合金特别擅长切削含有Cr、Mn、Si、Mo、V等元素的钢种，从一般粗加工、半精加工及精加工均可胜任，在切削35CrMnSiA和炮钢时比原用YT类硬质合金刀片寿命提高三倍，在切削耐热合金钢40MnMo18G3时，用YT类合金粘刀现象严重，刀具磨损加剧，切削路程短，选用YW3合金减少粘刀现象，增强抗耐磨能力，切削路程比原来提高三倍。
YM10合金适用除镍基以外大多数合金钢，调质钢，在攻克1Cr18Ni11Si4AITi双相体不锈钢精加工时，经过选择多种合金对比试验只有YM10合金能完全满足被加工件的精度和粗糙度的技术要求。
（2）切削调质钢、淬硬钢专用合金：
这类合金是在WC-TiC-Co成分中加入NbC，可以改善合金的高温硬度、高温强度和抗氧化性能，上个世纪中后期株硬厂研发出YT05牌号，随后自贡厂又推出加入其它碳化物合金YT726，这两个牌号合金为国内有效地解决了调质钢、淬火钢HRC55-60℃过去无法切削的难题。
为一些企业用切削方法加工淬火钢工件实现了以车代磨提高生产效率十余倍，此例举不胜举。
（3）铣削和重力切削用的合金：
铣削系断续切削、重力切削系大进给量、大切削深度并兼有断续切削、两者切削状况均承受巨大的切削力、机械摩檫、震动、冲击和切削热的作用，特别是铣削作业急冷急热交变频繁，更容易磨损刀具。
所以，这类合金成分匹配是TiC含量一般小于10%，TaC含量8-14%（个别牌号TaC含量取上限值），Co含量10%，能有效地提高合金抗机械冲击和热裂纹的性能。
如瑞典山特维克铣削合金SM30，重力车削用的合金S4、S6和美国肯纳的370等牌号，国产铣削牌号YS30、YS25、YC30S和YT798，重力切削有YC35、YC40、YC45和ZP35等牌号是理想的铣削和重力切削硬质合金刀具材料。
特别对切削合金钢、高锰钢之类钢材比YT类合金效果极为显著。
铣削作业单齿进给量在0.2-0.4mm/Z之间、比普通合金提高一倍多，车削碳素钢用YT5合金切削速度V=25m/min,进给量f=0.9-1.2mm/r,切削深度ap=25mm刀具耐用度90分钟，而YC35合金切削用量v=47m/min,f=1.2-1.6mm/r,ap=38mm刀具耐用度为150-180分钟比YT5合金提高加工效率1.5倍。
（4）切削不锈钢专用合金：
近年来新研制的WC-TiC-Co加入TaC的YC30T和YC40T硬质合金。
即YC30T为细晶粒合金，具有很好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力强，较高的抗弯强度，适用于不锈钢尤其是奥氏体不锈钢半精和精加工，一般合金钢的粗加工和半精加工。
在采用250m/min的速度能顺利加工1Cr18Ni9Ti不锈钢，这样高的切削速度其它传统合金是无法实现的。
YC40T合金属于亚微细晶粒硬质合金，具有较好的耐磨性，高的抗弯强度，良好韧性和抗冲击能力，适用于不锈钢尤其是奥氏体不锈钢半精和精加工，也适用于切削耐热合金钢。
这类合金有高速、高效率、长寿命之称。
在车削1Cr18Ni9Ti不锈钢时，切削速度140m/min,同六个牌号进行对比试验，在切削20分钟后测量后刀面磨损值，YC30T、YC40T的磨损为0.1mm和0.07mm,而其它刀片的磨损值在0.15mm和0.27mm之间，其磨损性优于相关牌号2—3倍。
同时，牡丹江硬质合金厂推出的SM35N、SM30N、SM35合金系列，具有很好的使用性能，尤其SM30N牌号具有很高耐磨性和抗粘能力，是半精加工及精加工理想的刀具材料。
为配合金属切削加工技术发展需要，国内外硬质合金厂家研制出许多合金牌号，特收集整理《五国十厂常用硬质合金刀具材料对照表》（见技术信息表1-3参考选用）。
3、细晶粒和超细晶粒硬质合金
细精粒和超细晶粒硬质合金有两种用途：
一是切削用的硬质合金刀片，制造各种刀具。
另一种是压制成硬质合金棒材，制造整体硬质合金立铣刀、钻头和铰刀之类工具。
3、1细及亚微细晶粒硬质合金刀片性能及应用
硬质合金的晶粒细化后，使硬质相尺寸变小，粘结相更均匀的分布在硬质相周围，由于钴层减薄比表面积增大，可以提高硬质合金的硬度和耐磨性。
硬质合金中碳化物的晶粒尺寸通常在0.2~10μm。
用于作冲击负荷较大的冷锻模和冲压模的合金为特粗晶粒，平均晶粒尺寸为6-10μm；
开矿和石油开采用的合金为中粗晶粒，平均4-5μm；
普通牌号刀具用合金YT15、YG6等均为中晶粒，平均晶粒尺寸为2-3μm；
细晶粒合金为平均晶粒尺寸为1μm以下；
亚微细粒合金为0.5-0.8μm，超细晶粒合金的为0.2-0.5μm（纳米级为0.2μm以下）。
日本，欧美等国很重视这类合金的研制，我国在20世纪60年代就研制了细晶粒合金牌号，如YG3X、YG6X等。
70年末期开始我国株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂都研制出多个牌号亚微细晶粒的硬质合金刀片材料。
早期研发的细和亚细晶粒结构多属于WC+Co的合金（即K类），以这两种合金代替普通中晶颗粒硬质合金，如以YG3X、YG6X代替YG3、YG6，又以YD05代替YG3X和以YS8、YS10、YD15、YS2T代替YG6、YG8、YG8N，不仅显著提高刀具使用寿命，并在攻克难加工材料方面更能发挥独特的作用。
其后细化晶粒度地硬质合金又向M类和P类方向发展，如以M类超细晶粒合金中增添了YC12、YM20、YM30牌号，P类合金增添YC35、YC40、YC45和YC30T、YC40T新牌号（见表3-1）
表3-1，细晶粒和亚微细晶粒硬质合金刀片性能及应用
牌号
对应ISO分类号
适用范围
密度（g/cm3）
硬度（HRA≥）
抗弯强度（MPa≥）
YG3X
15.0-15.3
91.5
1080
适于铸铁，有色金属及其合金的精车、精镗等。
YG6X
14.6-15.0
91.0
1370
较硬铸铁，有色金属及普通铸铁的精加工，半精加工。
YD05
14.9
93.5
1100
适用于镍基、钴基、铁基及含碳化钨自熔性喷涂合金材料的加工。
YS8
K05_K10
13.9
92.5
1570
适用于耐热不锈钢，高锰钢、冷硬铸铁的粗精加工，淬硬钢及玻璃制品加工。
YS10
适用于高镍铬冷硬铸铁，球磨冷硬铸铁、白口铸铁的粗精加工。
YD15
K10-K15M10
14.8
1700
适于钛合金，高温合金半精车及精车，各类铸铁，高强度钢车、铣、刨作业。
YS2T
M30K30
14.3
耐热不锈钢，镍基、钴基、钛合金切削加工。
YG610
K01-K10
14.4-14.9
93.0
1180
适应于各种铸铁，高温合金及喷涂合金材料粗、精加工。
YG600
14.6-14.9
980
适于冷硬铸铁，淬硬钢，有色金属，非金属及喷涂材料加工。
YG643
K10M10
13.6-13.8
1470
适于高温合金，耐热钢，不锈钢，冷硬铸铁及有色金属的切削加工。
YG640
K30-K40
13.0-13.5
90.5
1765
适于大型铸件的连续和断续切削、也适于钢的铣削和刨削。
YG813
K10-K20M20
14.1
适用于高温合金，奥氏体不锈钢的切削加工。
YC12
P10M10
12.2
1320
适用于淬硬钢，冷硬铸铁的精加工及半精加工，是加工淬硬件的理想刀具。
YM20
92.0
1450
适用钢、铸钢、锰钢，可锻铸件粗加工，主要用于加工火车轮毂。
YM30
M30
14.5
90.0
2000
适用于耐热合金和钛合金的加工。
YC35
P30-P40
12.3
适用于各类钢材，尤其是锻、铸件的粗车，粗铣和刨削。
YC40
13.1
系引进牌号适用范围与YC35相似。
YC45
P40-P45
2060
适用范围于重负荷下对各类铸钢锻钢的粗车扒皮。
YC30T
P30、M30
12.1-12.4
是切削不锈钢的专用牌号。
YC40T
P40、M40
13.5-13.9
2600
是粗、半精加工不锈钢专用牌号。
3、2超细晶粒硬质合金棒材性能与应用
超细晶粒硬质合金棒材和条形材的研制，该种合金是采用超细晶粒WC粉末，增加适量Co粉末组成WC-Co类超细硬质合金，具有极高的硬度和强度，常温硬度达到HRA91.7，-94.3抗弯强度一般为＞3000~3600N/mm2最高抗弯强度为4400N/mm2,极高的耐磨性和足够的抗冲击韧性两者得到兼顾。
这类合金对应于ISO标准K类，并且适用范围极宽（即K05-K50），主要用于制作各种整体硬质合金孔加工刀具和立铣刀（包括PCB微型钻、微型铣刀）是高速切削加工和多功能、高精度不可缺少的刀具。
这类合金主要用途是K05-K10用于制作微型小钻头、微型小铣刀、铰刀，合金棒材性能优异的并可用于制作丝锥；
K20-K30合金主要用于制作钻头，立铣刀，适于不锈钢、钢、铸铁及有色金属半精加工及粗加工；
K30-K50类合金适用于钛合金，耐热合金、不锈钢、铸铁、强化玻璃纤维，复合材料等钻铣作业，同时也是涂层刀具理想的基体材料。
为此，并综合整理了国内外部分硬质合金棒材性能、用途对照表，（详见技术信息表3-2所示）
4、涂层硬质合金刀片（刀具）的应用
涂层硬质合金刀片、刀具是通过化学气相沉积法（称为CVD）和物理气相沉积法（包括中、低温，称为PVD）将耐磨性能极强的TiC、TiN、Ti（CN）、Al2O3、HfN和近期新改进的TiAlN、AlTiN、TiAISiN、TiAiBN等涂覆在刀片（刀具）表面层上，从而非常显著的改善刀具的切削性能和使用寿命。
4.1、涂层硬质合金刀片（刀具）切削性能和优点
涂层硬质合金刀片、刀具是根据被加工材料及其性能，工件状态、切削加工作业、进行优化配制涂层材料、涂层工艺和硬质合金基材料等。
涂层硬质合金的特点：
具有摩擦系数小、耐磨损、高温性能好，热稳定性和化学稳定性能好，抗粘结抗扩散能力强。
4.1.1涂层硬质合金刀片（刀具）主要优点：
①涂层硬质合金刀片（刀具）有很高的常温硬度和高温硬度。
常温硬度HV可达1500~3500，高温硬度可达800~1200℃。
具有很高耐磨性和抗氧化性，抗月牙洼磨损能力。
②与铁系材料摩擦系数小，亲和力小，有利于延长刀具使用寿命和降低被加工表面粗糙度小。
③降低切削温度和切削力，当切削速度在115米/分时，比未涂层刀片降低65℃，当切削速度V=200米/分时，比未涂层刀片降低115℃，切削力可降低15~25%。
④提高切削效率和刀具寿命，涂层合金比未涂层合金切削速度可提高20~50%，刀具寿命可提高3~5倍。
⑤扩大了涂层刀具的适用范围，不仅适于各种切削作业，对于切削难加工材料，有非常显著的效果。
4.1.2涂层基体材料层次与作用
因涂层材料与基体材料的线膨胀系数存在差异，故涂层后表面不可避免产生内应力而使刀片抗弯强度降低，通常用TiC薄层先涂在基体材料表面上，因TiC的线膨胀系数与基体材料最接近；
而Al2O3又具有较好的障热性能，保障高速干切削时刀具基体抗塑性变形能力；
Ti（CN）层具有抗磨损能力强，一般涂覆在最顶层,这样就可完美的发挥其作用。
4.1.3梯度涂层和纳米涂层是项新的涂层工艺技术。
梯度gt-TiCN涂层、内至外涂层成分连续变化，较大提高涂层的韧性，增强刃口抗破损能力。
外层高C可提供高的硬度和耐磨性能，而内层高N则增强了涂层于基体的结合强度。
纳米结构hc-AlTiN系高性能涂层，是针对难加工材料和高速切削加工领域进行优化的新结构。
在保证hc-AlTiN涂层高韧性和光滑表面的同时，提高涂层Al的含量，它比普通TiAlN涂层具有更高的高硬度，抗氧化性、热稳定性、抗磨损和抗粘结能力，刀具寿命可提高30%以上。
4.1.4涂层硬质合金基体材料的选择，涂层刀片和刀具都是采用特制的硬质合金做基体，它具有耐磨性好、高强度、高韧性的细晶粒和超细晶粒合金。
涂层刀片用于切削钢材时，选择P类和M类合金刀片为基体，其目的当涂层一旦磨损掉后，刀具仍能顺利进行切削。
国内已有重复利用的先例。
同理，对于加工铸铁、有色金属材料时，应选择K类合金做基体，才是保障切削刀具的可靠性。
还须指出：
制作整体硬质合金切削刀具，特别是切削难加工材料时，必须选择具有最高抗弯强度、抗压强度，抗冲击韧性、弹性模数线胀系数较小的K类合金做基体材料，才能保障刀具的可靠性。
4.2涂层硬质合金可转位刀片的应用
涂层硬质合金可转位刀片牌号，是根据被加工材料和切削作业方式有针对性优化设计的，下面专项介绍各种涂层刀片、刀具适用于切削加工的作业。
4.2.1切削钢材用的涂层硬质合金刀片材料
1精加工采用高耐磨性的合金刀片基体，CVD涂层TiCN-Al2O3-TiN。
对应于ISO的P05-P10。
该涂层刀片具有优良的抗月牙洼磨损性和抗塑性变形能力，适应高切削速度。
2半精加工用的CVD，TiCN-Al2O3-TiN涂层，对应于ISO的P10-P15,具有极好的耐磨性和坚固的基体，并且具有安全性好的刃口，是中高速切削和半精切削的理想涂层刀片材料。
3粗加工用的CVDTiCN-厚Al2O3薄的TiN涂层。
此涂层的厚度大约为12um，具有更强的韧性和更好的刃口特性。
厚耐磨涂层和具有优良切削刃安全性的硬基体的结合，在P25应用范围有良好的表
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