现代刀具材料系列专题讲座Word文档格式.docx

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高钒高速钢（如B201、B211、B212）的钒含量为3％～5％，同时加大碳含量，形成VC与V4C3，使高速钢得到高的硬度和耐磨性。

高钒高速钢的耐热性也好，但高钒高速钢的刃磨加工性差，导热性也不行，冲击韧性较低，故不宜用于复杂刀具。

在高钒高速钢中也可加入适当的钴，成为高钒含钴高速钢。

我国研制的高钒含氮高速钢V3N，价格廉价，切削性能也好，唯刃磨较难。

后来又研制出低钴含氮高速钢Co3N（W12Mo3Cr4VCo3N），切削性能专门好，刃磨性能亦佳，但价格高于V3N。

4含铝高速钢

我国研制出无钴、价廉的含铝高性能高速钢501。

其中铝含量约为1％。

铝能提高钨、钼在钢中的溶解度，而产生固溶强化，由于铝化合物在钢中能起〝钉扎〞作用，故钢的常温、高温硬度和耐磨性均得以提高，强度和韧性也都比较高，切削性能与M42相当。

501的钒含量为2％，刃磨性能稍逊于M42。

5F6也是含铝1％的高性能高速钢，B201、B211、B212中也含铝。

含锚高速钢是中国的一个独创。

501在国内得到广泛应用，在国外也得到应用；

其他含铝高速钢的应用不如501广泛。

在切削难加工材料时，应当合理选用不同牌号的高性能高速钢。

切削常见的难加工材料，如高强度钢、奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金等，上述各种高性能高速钢都能够选用，选用时要紧应考虑高速钢的机械性能和刃磨性能：

在粗加工或断续切削条件下，应选用抗弯强度与冲击韧性较高的高性能高速钢；

在精加工时，对高速钢的抗弯强度与冲击韧性的要水较低，这时要紧考虑其耐磨性；

工艺系统刚性差时，选用高速钢的牌号与粗加工时相同；

工艺系统刚性好时，选用高速钢的牌号与精加工相同；

刃型复杂的刀具，应选用刃磨性能较好的低钒高钴或低钒含铝高速钢；

刃型简单的刀具，可选用刃磨性能差的高钒高速钢。

高性能高速钢的化学成分和机械性能表

作者曾做过多种高性能高速钢车刀与一般高速钢（W18Cr4V）车刀切削高强度钢36CrNi4MoVA（调质，HRC43-46）的对比试验。

刀具几何参数；

前角γ0=4°

，主偏角κr=45°

，刀尖圆弧半径γε=0.2mm。

切削深度αp=1mm，进给量f=0.1mm。

部分刀具的磨损曲线见图1。

T-ν曲线见图2。

由图可见，各种高性能高速钢刀具的耐磨性和使用寿命均高于W18Cr4V甚多。

而V3N与Co5Si尤为领先。

36CrNi4MoVA是难加工材料，高性能高速钢在切削难加上材料时其优势尤为显著。

图1 

高性能高速钢与一般高速钢车削

高强度钢的磨损曲线

图2高性能高速钢与一般高速钢车削

高强度钢的T-ν曲线

工件材料：

36CrNi4MoVA

刀具材料：

1.V3N2.Co5Si3.B2014.M425.W18Cr4V

粉末冶金高速钢

摘要：

介绍了粉末冶金高速钢刀具的切削性能，并列出了这类刀具与熔炼高速钢刀具的对比切削数据。

关键词：

粉末冶金；

高速钢；

刀具；

切削性能。

1前言

一般高速钢和高性能高速钢差不多上用熔炼方法制造的，它们通过冶炼、铸锭和锻轧等工艺制成刀具，熔炼高速钢容易显现的严峻问题是碳化物偏析。

硬而脆的碳化物在高速钢中分布不平均，且晶粒粗大（可达几十个微米），对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利阻碍。

粉末冶金高速钢的制造过程是：

将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体（氩气或氮气）喷射使之雾化，再急冷而得到细小平均的结晶组织（粉末）。

上述过程亦可用高压水水喷雾化形成粉末。

再将所得的粉末在高温（约1100℃）、高压（约100MPa）下压制成刀坯，或先制成钢坯再通过锻造、轧制成刀具形状。

2粉末冶金高速钢的优点

粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物分布均为1级，碳化物晶粒尺寸在2～3μm以下。

因此，粉末冶金高速钢的抗弯强度与韧性得以提高，一样比熔炼高速钢高出20～50％。

它适用于制造承担冲击载荷的刀具，如铣刀、插齿刀、刨刀以及小截面、薄刃刀具。

在化学成分相同的情形下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高1～1.5HRC，高温硬度（550℃～600℃）提高尤为显著，故粉末冶金高速钢刀具的耐用度较高。

由于碳化物细小平均，粉末冶金高速钢的可磨削性能较好，含钒5％时其可磨削性能相当于含钒2％的熔炼高速钢，故粉冶高速钢中承诺适当提高钒含量，且便于制造刃型复杂的刀具。

粉冶高速钢的热处理变形亦较小。

3粉末冶金高速钢的切削试验

作者用粉末冶金高速钢GF3制成车刀，在相同的切削条件下与一般高速钢W18Cr4V及熔炼高性能高速钢Co5Si，V3N进行切削对比。

切削用量：

ν=40m/min，αp=3mm，f=0.15mm/r。

刀具几何参数：

γ0=20°

，κr=75°

，κr′=l5°

，γε=1mm。

刀具磨损曲线如图1所示。

由图1能够看出，粉末冶金高速钢GF3的耐磨性不仅高出一般高速钢W18Cr4V甚多，且高于熔炼高性能高速钢Co5Si与V3N。

作者又用GF3制成拉制膛线的拉刀，在相同切削条件下，与Co5Si拉刀进行切削对比。

工件材料为高强度钢38CrNi3MoVA，HRC36。

ν=12m/min，αp=6.2mm,f=0.025mm/双行程。

γ0=18°

，κr=90°

。

加硫化切削油。

刀具磨损曲线如图2所示。

由图2可见，GF3拉刀的耐用度高于Co5Si。

4国内外情形

20世纪70年代初，国外已有粉末冶金高速钢刀具商品。

20余年来进展较快，在高速钢刀具材料中已占有一定份额。

以ERASTEEL，国际工业集团（瑞典与法国为主）为例，它的各种高速钢产品的总和在世界高速钢市场中占有30％的份额。

它的高速钢产品中，熔炼高速钢有20个牌号，粉末冶金高速钢有8个牌号。

后者称为ASP2000系列，其钢号与化学成分见表1。

表1ERASTEEL集团粉末冶金高速钢ASP2000系列的化学成份（％）

我国自20世纪70年代中期以来，亦对粉末冶金高速钢进行了研制。

如冶金工业部钢铁研究总院有粉末冶金高速钢FW12Cr4V5（牌号为FT15）和FWl0Mo5Cr4V2Co12（FR71），北京工具研究所有水雾化的W18Cr4V（GF1）、W6Mo5Cr4V2（GF2）、W10.5Mo5Cr4V3Co9（GF3）。

上海材料研究所有粉末冶金高速钢W18Cr4V（PT1）和W12Mo3Cr4V3N（PVN），机械性能和切削性能俱佳，在加工高强度钢、高温合金，钛合金和其他难加工材料中，发挥了优越性。

然而，近年来．我国因市场、效益等因素的困扰，粉末冶金高速钢的研制和生产，一度陷于停顿。

随着经济形势的改变，相信粉末冶金高速钢在国内将大有进展前景。

涂层高速钢刀具

摘要：

介绍了涂层高速钢刀具的切削性能，并列出了涂层与未涂层高速钢刀具的对比切削数据。

关键词：

涂层高速钢；

切削性能

1概述

在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法（PVD），涂覆耐磨材料薄层，能够大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。

—般，涂层材料用TiN、TiC等，但多采纳TiN。

涂层后，刀具表面呈金黄色。

涂层厚度为5～10μm。

涂层高速钢刀具约在1980年显现在国际市场。

进展极为迅速，20年来，它已在高速钢刀具中占有一定比重。

在美国、日本、德国，近一半的齿轮加工刀具及立铣刀、钻头等采纳涂层，提高了切削效率，获得了显著的经济效益。

我国对涂层高速钢刀具的研究从80年代开始。

近十年中，刀具制造行业已从美国、日本引进了近10套PVD涂层设备，已出售各种涂层高速钢刀具产品。

在各地区和各部门，拥有数量众多的国内制造的涂层设备，所用的物理气相沉积方法不同，有电弧发生等离子体气相沉积法、等离子枪发射电子束离子镀法、中空阴极枪发射电子束离子镀法、e形枪发射电子束离子镀法等，各有特色和优缺点，涂层产品质量亦有差异，电弧发生等离子体气相沉积法用得最多。

2涂层高速钢刀具的优点

TiN的硬度为HV1800～2000，密度为5.44g/c㎡，热导率为29.31W/（m?

℃），线膨胀系数为（9.31～9.39）×

10-6/℃。

而高速钢基体的硬度仅为HV800～850。

故涂层后的高速钢刀具，表面有硬层，耐磨性好，与被加工材料之间的摩擦系数小，基体材料的韧性不降低。

有用情形说明，与未涂层的高速钢刀具相比，涂层后高速钢刀具的切削力可降低5～10％，由于涂层材料有热屏障作用，刀具基体切削部分的切削温度也有所降低；

工件已加工表面粗糙度减小；

刀具使用寿命显著提高。

3切削实验数据

作者用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2高速钢车刀与涂层后的刀具进行切削实验对比，要紧对比它们的刀具磨损与使用寿命。

实验一：

60Si2Mn（调质，HRC40）。

车刀几何角度：

γ0=16°

，α0=8°

，κr=45°

，λε=-4°

，γε=0.5mm。

αp=0.5mm，f=0.2lmm/r，ν=25m/min干切削。

磨损曲线如图1所示。

实验二：

60Si2Mn（调质，HRC40）

γ0=10°

，κr=45°

，λε=0°

αp=O.5mm，f=0.21mm/r，ν=25m/min，干切削。

磨损曲线如图2听示。

实验三：

38CrNi3MoVA（调质，HRC36～40）。

γ0=8。

，α0=8。

，κr=75。

，λε=-4。

，γε=0．8ram。

αp=1mm，f=0.2mm／r，VB=0.5mm，干切削。

T-ν曲线如图3所示。

图3中，T-ν公式的Taylor方程如下：

ν=58/T0.37（W18Cr4V）

ν=57/T0.21（W18Cr4V+TiN）

式中：

ν—切削速度，m/min；

T—刀具使用寿命，min。

由图1至图3可见，涂层高速钢刀具的使用寿命是未涂层刀具的2～3倍，甚至更多。

4使用体会

涂层高速钢刀具可用于车刀、铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀和插齿刀，刀具使用寿命有不同程度的提高。

涂层高速钢车刀用得较少，其使用寿命的提高也不是最显著的。

涂层高速钢麻花钻、立铣刀、丝锥等刀具应用最广，使用寿命提高显著，这些刀具通过重磨，涂层仍起作用。

例如，涂层高速钢钻头在涂层后第一次使用时，与未涂层钻头比，使用寿命可提高3倍以上；

重磨时已将后刀面的涂层磨掉，但前刀面上尚保留涂层，寿命尚可提高2倍以上；

第二次重磨后刀面后，其寿命仍有一定幅度的提高。

关于刃磨前刀面的刀具（如涂层齿轮滚刀、插齿刀），在刃磨后，仍有延长刀具使用寿命的成效。

涂层高速钢刀具在国内的应用尚不够广泛。

然而，能够确信地说，它对难加工材料的切削以及在先进制造设备上（如数控机床、加工中心），将发挥重要作用。

新型硬质合金—添加钽、铌的硬质合金

摘要：

要紧介绍了添加钽、铌硬质合金的种类和性能，并引入一些切削试验数据。

硬质合金；

钽、铌；

切削刀具

高速钢只能承担600℃以下的温度。

高速钢刀具受耐热性的限制，切削速度不能过高，只在20～25m/min左右，故其切削效率尚处于较低的水平。

高速钢的硬度仅为HRC62～65，不能切削淬硬钢和冷硬铸铁。

硬质合金刀具材料的问世，使切削加工水平显现了一个飞跃。

硬质合金刀具能实现高速切削与硬切削。

硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物粉末（WC、TiC等），用钴或镍等金属作粘结剂压坯、烧结而成的粉末冶金制品。

其中，高硬度、耐高温的碳化物比高速钢耍多得多，故能承担专门高的切削湿度，承诺采纳专门高的切削速度。

但由于硬质台金的可加工性差，且较脆，过去要紧只用于车刀和面铣刀，近年来已扩展到整体和镶齿的钻头、铰刀、立铣刀、三面刃铣刀和螺纹、齿轮刀具等。

WC、TiC的常温硬度分别为HV1780和3200，熔点分别为2900℃和3200℃。

这些性能刘切削难加工材料和提高加工效率专门有用。

德国是世界上第一生产硬质合金的国家，1923年用粉末冶金法研制成功钨钴合金（WC+Co），1931年又制成钨钛钴类合金（WC+TiC+Co）。

到20世纪30年代中后期，美国、日本、英国、瑞典均能生产硬质合金。

第二次世界大战期间，硬质合金刀具已开始应用。

战后50年来，硬质合金作为刀具，模具和耐磨件材料，得到突飞猛进的进展。

品种繁多，质量不断提高。

在刀具方面，硬质合金成为与高速钢并驾齐驱的最要紧的刀具材料。

与高速钢相比，硬质合金的种类和牌号专门多，因此对它的合理选择和应用应给予足够的重视。

在20世纪50年代初、中期，我国引进前苏联技术，建成了株洲硬质合金厂；

后来又建成了自贡硬质合金厂。

当时，作为刀具材料的产品比较单调，只有切削钢材的钨钛钴系列—YT5、YT14、YT15、YT30和切削铸铁与有色金属的钨钴系列—YG8、YG6、YG3。

随着科技事业的进展，各种难加工材料不断涌现并得到广泛应用，用上述一般硬质合金牌号作为刀具切削各种难加工材料已不能满足全部要求，因此我国硬质合金工业大力进展研制技术，生产出多种新型硬质合金。

第一是采纳高纯度的原料，如采纳杂质含量低的钨精矿及高纯度的三氧化钨等；

第二是采纳先进工艺，如以真空烧结代替氢气烧结，以石蜡工艺代替橡胶工艺，以喷雾或真空干燥工艺代替蒸汽干燥工艺；

第三是改变合金的化学组分；

第四是调整合金的结构；

第五是采纳表面涂层技术。

新型硬质合金分为五大类，即

（1）添加钽、铌的硬质合金；

（2）细晶粒与超细晶粒硬质合金；

（3）Ti（C，N）基与TiC基硬质合金；

（4）表面涂层硬质合金；

（5）添加稀土元素硬质合金。

本文介绍添加钽、铌的硬质合金。

其余四类将连续闸述。

2添加钽、铌硬质合金的类别与性能

硬质合金中添加TaC、NbC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，切削性能得以改善。

通常使用添加钽、铌的硬质合金，是为了提高硬质合金的耐磨陛、抗冲击能力和使用中的通用性。

添加钽、铌的硬质合金分为两大类：

（1）WC+Ta（Nb）C+Co类即在YC类合金的基础上又加入了TaC、NbC。

如株洲硬质合金厂研制的YG6A和YG8N就属于这类合金（表1）。

YG6A和YG8N的耐磨性与抗冲击性均优于YG6和YG8。

这类合金要紧用于加工铸铁和有色金属。

（2）WC+TiC+Ta（Nb）C+Co类即在YT类合金的基础上又加入了TaC、NbC，用以加工钢料。

个别牌号也能加工铸铁。

这类合金品种繁多，但归纳起来可分为三种：

①通用类：

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，适用范畴宽，既可加工钢材，又能够加工铸铁和有色金属，但其单项性能指标并不比一般的YT、YG合金强。

YWl、YW2、YW3等牌号确实是通用类合金（见表1）。

②铣削牌号类：

TiC含量～般少于10％，TaC含量高达10～14％，Co含量亦达10％，要紧用于铣刀。

添加较多的TaC后，能有效地提高合金的抗机械冲击和抗热裂的性能；

配以较高的含Co量，抗弯强度亦高。

株洲硬质合金厂的YS30、YS25、YDS15及自贡硬质合金厂的YT798属于此类合金（表1），③高碳化钛添加TaC、NbC类：

TiC含量一样在10％以上（个别的有低于10％者），直到30％。

添加TaC、NbC约5％以下，可用以替代各个等级的YT类一般合金，耐磨性能显著提高。

株洲硬质合金厂的YT30+TaC和自贡硬质合金厂的YT712、YT715等都属于这类合金（表1）。

注：

除YT798、YT712、YT715为自贡硬质合金厂产品外，其余牌号均为株洲硬质合金厂产品，但YW1、YW2两厂都生产。

除添加TaC、NbC外，有些新型埂质合金还添加了Cr3C2、VC和W粉、Nb粉等。

Cr3C2和VC的加入，能够抑制合金晶粒长大，W粉和Nb粉那么可强化粘结相。

株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂近年在引进外国设备与技术后，又分别建立了添加钽、铌的硬质合金新系列，如表2、表3所示。

*YC25S亦属于铣削牌号。

添加钽、铌的硬质合金牌号最多，令人眼花缭乱。

然而依照P，M，K的国际类别与级别，是不难明白得和选用的。

3切削实验

作者用一般未加Ta，Nb的硬质合金YT15（P10）切削高强度钢60Si2Mn（调质，HRC39～42），与P10+Ta，Nb硬质合金作对比，切削用量αp=1mm，f=0.2mm/r，刀具几何参数γ0=4°

，rE=0.8mm，λs=-4°

其刀具磨损曲线及T-ν曲线如图l、图2所示。

T-ν曲线的Taylor方程如下：

ν=174.7/T0.12m/min（YT15）

ν=176.2/T0.11m/min（P10+Ta，Nb）

作者又用未添加Ta的P01硬质合金切削60Si2Mn高强度钢，与YT30（P01）+TaC硬质合金作对比，αp=0.5mm，f=0.2mm/r，ν=115m/min，刀具几何参数同上。

其刀具磨损曲线见图3。

由图1～3可见，在添加Ta，Nb后，硬质合金刀片的耐磨性与使用寿命均有显著的提高。

新型硬质合金——细晶粒与超细晶粒

硬质合金和Ti（C，N）与TiC基硬质合金

要紧介绍了细晶粒与超细晶粒硬质合金和Ti（C，N）基与TiC基硬质合金的种类和性能，并列入一些试验数据。

细晶粒；

超细晶粒；

金属陶瓷；

本文介绍两类新型硬质合金的种类与性能：

（1）细晶粒与超细晶粒硬质合金；

（2）Ti（C，N）基与TiC基硬质合金，这类硬质合金又可称为〝金属陶瓷〞，英文叫〝Cermet〞。

应当注意，〝金属陶瓷〞的成分仍是碳化物，与人们熟知的氧化铝、氮化硅陶瓷不是等同的东西。

细化晶粒是改变硬质合金的结构；

而Ti（C，N）基与TiC基硬质合金那么是改变台金的化学成分通过这两种方法都能改善硬质合金的性能。

2细晶粒和超细晶粒硬质合金

硬质合金的晶粒细化后，使硬质相尺寸变小，粘结相更平均地分布在硬质相周围，能够提高硬质合金的硬度与耐磨性。

如适当增加钴含量，还能够提高抗弯强度。

矿用或钴探用的合金为粗晶粒，平均晶粒尺寸为4～5μm；

一般牌号的刀具用合金YT15、YG6等均为中晶粒，平均晶粒尺寸为2～3μm：

细晶粒合金的平均晶粒尺寸为1～2μm，亚微细粒合金为0.5～1μm，超细晶粒合金那么为0.5μm以下。

日本等国专门重视这类合金的研制，我国在20世纪60年代就有了细晶粒合金的牌号，如YG3X、YG6X。

70年代末期开始研制亚微细粒合金．株洲硬质合金厂的亚微细粒牌号有YS2T、YS8、YS10及YD15，自贡硬质合金厂的YG643、YG600、YG610、YG640等差不多上亚微细粒牌号（见表1）。

早先的细晶粒和亚微细粒结构多用于WC+Co的合金（即K类合金）。

近年来M类和P类（WC+TiC+Co）合金也向晶粒细化的方向进展。

80～90年代，各国已研制出超细晶粒合金。

用细品粒、亚微细粒硬质合金代替一般中等晶粒的硬质合金，如以YG3X、YG6X代替YG3、YG6，以YS8、YS10代替YG6，能够显著提高刀具使用寿命。

近年，自贡硬质合金厂已研制出亚微细粒硬质合金牌号ZK10UF和ZK30UF（相当于K10和K30），硬度为HRA92.5～91.5，抗弯强度为2～2.5GPa，其平均品粒尺寸为0.6～0.8μm。

该厂又研制出超细品粒硬质合金牌号Zcx10、Zcx30和Zcx40（相当于K10、K30和K40），硬度为HRA93～92，抗弯强度为2.5～3.5GPa，其平均品粒尺寸为0.4～0.5μm。

3Ti（C，N）基与TiC基硬质合金（金属陶瓷）

不论是YT类、YG类，或在它们的基础上添加了TaC、NbC的新型合金，都属于WC基合金。

因为在它们当中，WC是要紧成分，含量达65～97％，并以Co为粘结剂。

TiC基合金是后来进展起来的，其要紧成分为TiC，占60～80％以上，少含或不含WC，以Ni、Mo作粘结剂。

与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度较高，对钢的摩擦系数较小，切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有更好的耐磨性，但韧性和抗塑性变彤的能力稍弱。

我国代表性牌号是YN05、YN10（株洲硬质合金厂研制），用以切削正火和调质状态下的钢材，其切削性能优于WC基合令YT30、YT15。

近年，我国又开发Ti（C，N）基合金，它具有与TiC基合金相同的特性与优点，但其韧性、抗塑性变形能力高于TiC基合金，有进展前景。

应用范畴略同于TiC基合金，要紧是切削钢料，但加工范畴较宽。

表2列出了WC、TiC、TiN、Ti（C，N）等物质的机械性能。

能够看出，TiC和Ti（C，N）的硬度高于WC。

Ti（C，N）的各项性能均介于TiC、TiN之问，故Ti（C，N）的弹性模量大于TiC。

由此能够说明，Ti（C，N）綦与TiC基硬质合金的硬度和耐磨性高于WC基合金；

Ti（C，N）基合金的抗塑性变形的能力高于TiC基合金：

表2几种化合物的机械性能

WC

TiC

TiN

Ti（C,N）

常温硬度

2400

3200

1950

2600

弹性模量E（×

104MPa）

72

32.1

61.6

——

株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂生产的Ti（C，N）基与TiC基硬质合金的牌号如表3、表4所列。

有色金属研究总院还研制成功了