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常用刀具材料分类特点与应用
金属切削原理读书报告
常用刀具材料分类
特点及应用
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学号：
2014年5月7日
摘要
本文在阅读有关论文和专著的基础上对现阶段常用的刀具材料进行了总结和分析，总结出了碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、瓷、金刚石、立方碳化硼等刀具材料的特点及应用围，同时针对几种常见的切削工序中刀具材料的应用做了简单的分析。
摘要1
1刀具材料的发展历史2
2常用刀具材料及特点2
2.1碳素工具钢2
2.2合金工具钢3
2.3高速钢4
2.4硬质合金5
2.5瓷7
2.6超硬材料9
3刀具材料的典型应用10
3.1工件材料与刀具材料10
3.2加工条件与刀具材料11
4总结11
5参考文献12
1刀具材料的发展历史[1]
刀具材料的发展在人类的生活、生产中有着很大的重要性。
18世纪中叶,在欧洲出现了工业革命以后,切削刀具一直是用碳素工具钢制造,其成分与现代的T10、T12相近。
1865年，英国罗伯特•墨希特发明了合金工具钢，其牌号有9CrSi、CrWMn等。
随着对加工效率要求的提高，新的刀具材料在不断更新。
1898年，美国机械工程师泰勒和冶金工程师怀特发明了高速钢。
进入20世纪，人们不断寻求新型刀具材料。
20世纪20年代中期到30年代初，出现了钨钴类和钨钛类硬质合金。
然而硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相继出现。
20世纪30年代出现了氧化铝瓷，后来又有氦化硅瓷到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金刚石。
总而言之，20世纪中，刀具材料发展的速度比过去快得多，其种类、类型、数量和性能均有大幅度的发展。
2常用刀具材料及特点
对于金属切削刀具来说，切削过程中要承受很大的压力，同时会与工件、切屑相互接触的表面产生摩擦力，切削产生的热量使得刀具温度上升，产生一定的热应力。
因此刀具材料应能满足这样几个要求：
高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性以及经济性。
目前在机械加工中常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、瓷、金刚石和立方氮化硼等。
[2]不同刀具材料的性能有所不同，因此在应根据具体的切削条件选择合适的刀具材料。
下面将分别介绍每种刀具材料。
2.1碳素工具钢
按照GB/T13304《钢分类》第1部分“钢按化学成分分类”，碳素工具钢属于非合金钢。
按照标准第2部分“钢按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”，碳素工具钢属于特殊质量非合金钢。
碳素工具钢牌号及化学成分见表1
表1碳素工具钢牌号及化学成分[3]
序号
牌号
化学成分（质量分数）/%
C
Mn
Si
1
T7
0.65~0.74
≤0.40
≤0.35
2
T8
0.75~0.84
3
T8Mn
0.80~0.90
0.40~0.60
4
T9
0.85~0.94
≤0.40
5
T10
0.95~1.04
6
T11
1.05~1.14
7
T12
1.15~1.24
8
T13
1.25~1.35
注：
高级优质钢在牌号后面加”A”。
碳素工具钢价廉易得，易于锻造成形，切削加工性也比较好。
碳素工具钢的主要缺点是淬透性差，需要用水、盐水或碱水淬火，畸变和开裂倾向性大，耐磨性和热强度都很低。
因此，碳素工具钢只能用来制造一些小型手工刀具或木工刀具，以及精度要求不高、形状简单、尺寸小、负荷轻的小型冷作模具，如用来制造小冲头、剪刀、冷冲模、冷镦模等。
2.2合金工具钢
合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。
它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。
表2列举的为合金工具钢中量具刃具用钢的牌号和化学成分。
表2量具刃具用钢的牌号和化学成分[4]
序号
牌号
化学成分%
C
Si
Mn
P
S
Cr
W
Mo
V
其他
不大于
1
9SiCr
0.85~0.95
1.20~1.60
0.30~0.60
0.030
0.030
0.95~1.25
Co≤1.00
2
8MnSi
0.75~0.85
0.30~0.60
0.80~1.10
0.030
0.030
3
Cr06
1.35~1.45
≤0.40
≤0.40
0.030
0.030
0.50~0.70
4
Cr2
0.95~1.10
≤0.40
≤0.40
0.030
0.030
1.30~1.65
5
9Cr2
0.80~0.95
≤0.40
≤0.40
0.030
0.030
1.30~1.70
6
W
1.05~1.25
≤0.40
≤0.40
0.030
0.030
0.10~0.30
0.80~1.20
合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。
其中碳含量高的钢多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；
为了保证高的硬度，满足形成合金碳化物的需要，钢中碳质量分数一般在0.80%~1.45%。
铬是这类钢的主要合金元素，质量分数一般在0.50%~1.70%，有的钢还含有钨，以提高切削金属的性能。
这类工具钢因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具钢好，热处理产生的变形小，具有高的硬度和耐磨性。
常用的钢类有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等。
9SiCr是应用广泛的刃具钢，用于制作要求变形小的各种薄刃低速切削刃具，如板牙、丝锥、铰刀等。
2.3高速钢
高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。
高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。
除用熔炼方法生产的高速钢外，20世纪60年代以后又出现了粉末冶金高速钢，它的优点是避免了熔炼法生产所造成的碳化物偏析而引起机械性能降低和热处理变形。
按照用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。
表3为常用的几种高速钢的力学性能。
表3高速钢的力学性能[2]
钢号
常温硬度
HRC
抗弯强度
GPa
冲击韧度
MJ/m2
高温硬度HRC
500℃
600℃
W18Cr4V
63~66
3~3.4
0.18~0.32
56
48.5
W6Mo5Cr4V2
63~66
3.5~4
0.3~0.4
55~56
47~48
9W18Cr4V
66~68
3~3.4
0.17~0.22
57
51
W6Mo5Cr4V3
65~67
3.2
0.25
—
51.7
W6Mo5Cr4V2Co8
66~68
3.0
0.3
—
54
W2Mo9Cr4VCo8
67~69
2.7~3.8
0.23~0.3
~60
~55
W6Mo5Cr4V2Al
67~69
2.9~3.9
0.23~0.3
60
55
W10Mo4Cr4V3Al
67~69
3.1~3.5
0.2~0.28
59.5
54
高速钢具有较高的热稳定性、高的强度、制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造、性能较硬质合金和瓷稳定，故高速钢在占现用刀具的一半以上。
其用型高速钢主要用于制造切削硬度HB≤300的金属材料的切削刀具（如钻头、丝锥、锯条）和精密刀具（如滚刀、插齿刀、拉刀），常用的钢号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。
特殊用途高速钢包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度HRC68～70），主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。
2.4硬质合金
硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）微米级粉末采用Co、Mo、Ni等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。
其高温碳化物含量超过高速钢,允许的切削温度高达800~1000℃,常温硬度达89~93HRA；在540℃时为82~87HRA,与高速钢常温时硬度（83~86HRA）相同；760℃时硬度达77~85HRA。
并具有化学稳定性好、耐热性高等优点。
硬质合金刀具切削速度可达100~300m/min。
远远超过高速钢,寿命是高速钢的几倍到几十倍。
[5]
2.4.1碳化钨基硬质合金
碳化钨（WC）基硬质合金主要成分为WC,主要分为钨钴（WC-Co）类硬质合金（YG类）、钨钛钴（WC-TiC-Co）类硬质合金（YT类）、钨钛钽（铌）钴（WC-C-TaC（NbC）-Co）类硬质合金（YW类）等3类。
YG类（国际上统称为K类）,硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等,主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。
与YT类合金相比,有较高的抗弯强度和冲击韧性,同时导热性较好。
YT类（国际上统称为P类），由于加人TiC,使材料的硬度和耐磨性有所提高,但抗弯刚度有所降低。
该类硬质合金具有高硬度和高耐热性,抗粘结、抗氧化能力较好,适用于加工钢材,切削时刀具磨损小,耐用度较高。
高温时的硬度和抗压强度比YG类高,但YT类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。
YW类（国际上统称为M类），硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力,兼具YG、YT类合金的良好性能,特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。
近年,ISO又增设了3类硬质合金:
（1）H类,用于切削高硬材料；
（2）S类,用于切削高温合金、耐热材料；（3）N类,用于切削有色金属。
应当注意的是,立方氮化硼PCBN用于切削淬硬钢,被列入H类。
热压聚晶金刚石PCD主要用于切削有色金属,被列入N类。
故当今硬质合金已分为K、P、M、H、S、N6大类。
表5列举的是常见硬质合金材料的性能与用途。
表5常见硬质合金材料的性能与用途
牌号
密度
（g/cm2）
抗弯强度
（N/cm2）
硬度
（HRA）
常见用途
YG3X
14.6-15.2
1320
92
适于铸铁、有色金属及合金淬火钢合金钢小切削断面高速精加工。
YG6A
14.6-15.0
1370
91.5
适于硬铸铁，有色金属及其合金的半精加工，亦适于高锰钢、淬火钢、合金钢的半精加工及精加工。
YG6X
14.6-15.0
1420
91
加工冷硬合金铸铁与耐热合金钢可获得良好的效果，也适于普通铸铁的精加工。
YG6
14.5-14.9
1380
89
适于用铸铁、有色金属及合金非金属材料中等切削速度下半精加工。
YG8N
14.5-14.8
2000
90
适于铸铁、白口铸铁、球墨铸铁以及铬、镍不锈钢等合金材料的高速切削。
YG8
14.5-14.9
1600
89.5
适于铸铁、有色金属及其合金与非金属材料加工中，不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、粗铣，一般孔和深孔的钻孔、扩孔。
YS2T
14.4-14.6
2200
91.5
属超细颗粒合金，适于低速粗车，铣削耐热合金及钛合金，作切断刀及丝锥、锯片铣刀尤佳。
YT5
12.5-13.2
1430
89.5
适于碳素钢与合金钢（包括钢锻件，冲压件及铸件的表皮）加工不平整断面与间断切削时的粗车、粗刨、半精刨，非连续面的粗铣及钻孔。
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