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。

1

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℃～300℃。

2.合金工具钢

1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。

在碳素工具钢中加入适当的元素铬（Cr）、硅常用的合金工具钢有9CrSi，CrWMn等（Si）、锰（Mn）、钒（V）、钨（W）等炼成的。

耐热温度：

325℃～400℃。

主要用于制造细长的或截面积大、刃形复杂的刀具。

二，高速钢

高速钢是一种富含钨（W）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等元素的高合金工具钢。

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：

500℃～650℃。

高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

1.普通高速钢（HSS）

2.钨系高速钢：

W18Cr4V（W18）

3.

具有较好的综合性能，可制造复杂刃型的刀具。

但由于钨是稀有金属，现在很

少使用。

4.钨钼系高速钢：

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。

又因为钼的存在，使其热塑性非常好。

2

2.高性能高速钢（HSS-E）

高性能高速钢是在普通高速钢中增加一些碳、钒及添加钴（Co）、铝等元素的新钢种。

钴高速钢：

W2Mo9Cr4VCo8（M42）

一种含钴的超硬高速钢，常温硬度67HRC-69HRC，具有良好的综合性能。

铝高速钢：

W6Mo5Cr4V2Al

在M2的基础上加Al、增C，提高了钢的耐热性和耐磨性。

在600℃时的硬度能达到54HRC，其切削性能较好，应用广泛。

3.粉末冶金高速钢（HSS-PM）

粉末冶金高速钢是把炼好的高速钢液，在保护性气罐中，在高压氩气或纯氮气等惰性气体中雾化成细小粉末，并在高速冷却下获得细小而均匀的结晶组织，然后将粉末在高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；

该种钢的冶炼成本高，国内应用较少。

三，硬质合金

硬质合金是以碳化钨（WC），碳化钛（TiC）粉末为主要成分，并以钴、钼、镍（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，德国的施勒特尔往碳化钨粉末中加入10％～20％的钴做粘结剂，发明了碳化钨和钴的新合金，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高速钢低；（4）可加工性差。

耐热温度：

800℃～1000℃。

一般情况下，硬度越高者可允许的切削速度

3

2.普通硬质合金

K类硬质合金（钨钴类，标准YG类）

这类硬质合金的成分为90％～97％的碳化钨加上3％～10％的钴。

YG3X----碳化钨（WC）97％、钴（Co）3%

YG8C----碳化钨（WC）92％、钴（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（钨钛钴类，标准YT类

这类硬质合金的成分为5％～40％的碳化钛，其余均为碳化钨和钴。

YT5----碳化钛（TiC）5％、碳化钨（WC）85％、钴（Co）10%

YT30----碳化钛（TiC）30％、碳化钨（WC）66％、钴（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（钨钛钽（铌）类，标准YW类）

硬质合金的成分：

5％～10％碳化钛（TiC）加上碳化钽TaC（NbC），其余均为碳化钨（WC）和钴（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。

碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）的作用：

提高合金的高温硬度与高温强度；

与钢的粘结温度较高，减缓了合金成分向钢中扩散，延长刀具寿命；

在合金中的质量分数达到12％～15％时，可提高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。

4

4、涂层刀具

在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，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、Al2O3）而制成的刀具。

1969年瑞典研制成功了碳化钛涂层刀具，其基体是钨钛钴硬质合金或钨钴硬质合金，表面碳化钛涂层的厚度仅有几微米，与同牌号的合金刀具相比，其使用寿命延长了3倍，切削速度提高了25％～50％。

涂层高速钢刀具

采用PVD方法在高速钢刀具基体上涂复TiN、碳氮化钛TiCN、氮铝化钛（TiAlN）等硬膜，可制成涂层高速钢刀具。

沉积温度为500℃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、Al2O3等薄层，形成表面涂层硬质合金，沉积温度为1000℃左右。

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涂层硬质合金刀具的优点：

（1）表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，允许采用较高的切削速度。

（2）切削时，涂层材料与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）涂层材料与钢的粘结温度高，表面晶粒较细，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，表层是高硬度、高耐磨、耐高温、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，在高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、耐热性和化学稳定性；

（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1/2；

（4）导热能力差，只有硬质合金的1/2～1/5；

（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——超硬刀具材料

立方氮化硼（CBN）是由软的六方氮化硼（白石墨）在高温高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与半精加工。

还能高速切削高温合金、热喷涂材料等难加工材料。

硬度高和耐磨性好，达到3500～4500HV，仅次于金刚石；

热稳定性较高，1300℃时不发生氧化；

导热性较好，与铁的摩擦系数较小；

抗弯强度与断裂韧性介于陶瓷与硬质合金之间。

3、金刚石——超硬刀具材料

4、金刚石（ND）刀具的优点是：

3、有较高的硬度和耐磨性；能长期保持锋利的切削刃；

4、有很好的导热性，较低的热膨胀系数；

5、摩擦系数小，刃面粗糙度小，刃口非常锋利。

3、缺点：

3、较脆易崩刃，刃磨困难，制造工艺差；

4、热稳定性差，切削温度在700℃～800℃时，表面就会碳化，而且与碳亲和力强，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；

5、金刚石来源有限，价格昂贵。

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韧性

天然金刚

磨

性

耐

PC

BN

氧化物陶

D

PC

硬质合金涂

超细粒状硬金属涂层

氮化物陶

WC硬

TiN涂

瓷

质合金涂

层高速钢

层

断裂

钢

刀具材料的耐磨性与断裂韧性

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一、超硬刀具材料

超硬刀具是指用天然单晶金刚石及性能与之相近的人造金刚石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。

2、超硬刀具的类型

人造聚晶金刚石（PCD）或聚晶立方氮化硼（PCBN）人造聚晶金刚石（PCD）或聚晶立方氮化硼（PCBN）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

刀具；复合片刀具；

PCD又称为金刚石烧结体，是在高温高压作用下，通过钴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；

可采用较高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，在其表面烧结或压制一层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与硬质合金基本一致，而工作表面的硬度接近PCD或PCBN，且可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。

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何参数

v

c

超硬刀具材料的脆性大、强度低。

4、超硬刀具的合理使用

1.正确选用刀片的种类和牌号

三、超硬刀具几

2.PCD或PCBN刀片的使用性能与其晶粒尺寸的大小有关。

晶粒尺寸越大，耐磨性越好，刀具的寿命越高，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

5.细晶粒

4.

晶粒的平均尺寸为10～20m；晶粒的平均尺寸为2～10m。

2.

选取合适的切削用量

3.防止水解作用

2.立方氮化硼刀具能承受1250～1350℃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、足够的强度与韧性、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高的淬透性、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.高速钢按切削性能分为普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。

与工具钢相比，高速钢有较高的硬度、耐磨性以及强度和韧性。

与硬质合金相比，高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精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、高耐磨性、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、高强度钢、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，尤其对于冷硬铸铁、淬硬

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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。

金刚石目前主要用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细车削及镗孔，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高、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。

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