刀具材料的硬度要求及经济性分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，常温下硬度应达到60HRC以上。它是评定刀具材料的主要性能指标，一般用温度来表示。为了便于刀具的加工制造，要求刀具材料具有良好的可加工性和热处理性。此外，还应考虑刀具材料的经济性，否则将难以大量推广使用。天然金刚石价格昂贵，很少用作刀具材料。

1.刀具材料应具备的性能

在金属切削过程中，刀具是在高温下进行切削加工的，同时还要承受较大的切削力、冲击、振动和剧烈的摩擦。刀具寿命的长短、切削速度的高低，首先取决于刀具是否具有良好的切削性能，此外，刀具材料的工艺性能对刀具本身的制造与刃磨质量也有很大影响。因此，刀具切削部分的材料应满足下列要求。

1)高硬度。刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，常温下硬度应达到60HRC以上。某些难以加工的材料对刀具硬度要求则更高。

2)高耐磨性。刀具材料必须具有良好的抵抗磨损的能力，以保证切削刃的锋利性，特别是在高温切削条件下，更需保持应有的耐磨性。通常刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。

3)足够的强度和韧性。刀具材料应具备足够的强度和韧性，才能保证刀具在切削过程中能够承受总切削力、冲击和振动，不会崩刃或发生脆性断裂。一般用抗弯强度和冲击韧度来衡量刀具的强度和韧性。

4)高耐热性(又称热硬性)。是指刀具材料在高温下能够保持高硬度的性能。高温下硬度越高则耐热性越好，允许的切削速度也越高。它是评定刀具材料的主要性能指标，一般用温度来表示。

5)良好的工艺性。为了便于刀具的加工制造，要求刀具材料具有良好的可加工性和热处理性。可加工性主要是指切削加工性能和焊接、锻轧性能；热处理性是指热处理变形小、脱碳层薄和淬透性好等。

此外，还应考虑刀具材料的经济性，否则将难以大量推广使用。

2.刀具材料的种类

刀具材料的种类很多，有金属材料和非金属材料之分。常用的材料有工具钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料四大类。

(1)碳素工具钢和合金工具钢碳素工具钢是指碳的质量分数为0.65％～1.35％的优质高碳钢。在碳素工具钢中再加入一些合金元素，如铬、钨、硅、锰等即成合金工具钢。其热处理后硬度为60～64HRC，热硬性为200～300℃。主要用于制造一些低速、手动工具，如手用丝锥、手动铰刀、圆板牙、丝锥、搓丝板等。

(2)高速钢高速钢是一种含钨(W)、铬(C r)、锰(M_n)、钒(V)等合金元素较多的高合金工具钢。高速钢主要优点是具有高的硬度、强度和耐磨性，且耐热性(达540～600℃)和淬透性(淬火后硬度为63～66HRC)良好，允许的切削速度比碳素工具钢高两倍以上。高速钢刃磨后切削刃锋利，颜色白亮，故俗称“锋钢”和“白钢”。高速钢是一种综合性能好、应用范围较广的刀具材料。由于制造的刀具刃口强度和韧性高，能承受较大的冲击载荷，能用于刚度较差的机床上，可加工从非铁金属到高温合金等范围广泛的工件材料。同时，这种材料工艺性能好，因此，目前高速钢仍是制造刀具，尤其是形状较复杂刀具时使用较多的材料，如制造成形车刀、铣刀、钻头、铰刀、拉刀、齿轮刀具和螺纹刀具以及各种精加工刀具。

高速钢按其用途和性能不同，可分普通高速钢和高性能高速钢；按其化学成分不同又可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢。

(3)硬质合金硬质合金是高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等)微米数量级的粉末，用Co、Mo、Ni等作粘结剂高压成型，在高温下烧结而成的粉末冶金制品。由于硬质合金中碳化物含量多，且都有熔点高、硬度高等特点，使其常温下硬度可达89～93 H RA(相当于74～81 HRC)。耐磨性和热硬性较高，允许切削温度高达800～1000℃，切削速度也比高速钢高几倍其至几十倍，还能加工高速钢刀具难以切削的难加工材料，因此发展很快，现已成为主要的刀具材料之一。

硬质合金也有不足之处，即抗弯强度和冲击韧度都较高速钢低，脆性大，不耐冲击和振动，刃口不能磨得像高速钢刀具那样锋利，制造也较困难。

常用硬质合金按其质量和使用特性可分为四类:钨钴类(YG)，钨钛钴类(YT)，钨钛钽(铌)钴类(YW)，碳化钛基类(YN)等。

常用硬质合金的牌号、化学成分及性能见表5-2。

表5-2 常用硬质合金牌号化学成分及性能

常用硬质合金牌号及应用场合见表5-3。

表5-3 常用硬质合金牌号及应用场合

(续)

(4)超硬刀具材料及其他刀具材料常见的非金属及超硬刀具材料有以下几种:

1)陶瓷。主要成分是氧化铝(Al₂O₃)，其硬度、耐热性和耐磨性均比硬质合金高，能在1200℃或更高的温度下进行切削加工，因此允许的切削速度比硬质合金高20％～25％。在切削时，摩擦因数小，不粘刀，不容易产生积屑瘤，能获得较小的表面粗糙度值和较好的尺寸稳定性。而且这种材料资源丰富，价格低廉。其最大缺点是脆性大，切削时易崩刃，在使用上受到很大限制。目前我国研制出的非金属陶瓷材料，一般都制成多边形可转位刀片，主要用于切削硬度为45～55HRC的工具钢和淬火钢。

2)立方氮化硼。是20世纪70年代初发展起来的一种新型刀具材料。它是由立方氮化硼(白石墨)在高温高压下加催化剂转化而成的。

立方氮化硼的优点是化学稳定性好(可耐1400～1500℃高温，切削温度在1200～1300℃时也不易与铁系金属起化学反应而导致磨损，切削温度在1000℃以下不会氧化)，因此在高速切削淬硬钢、冷硬铸铁时，刀具的粘结、扩散磨损小。其耐热性比金刚石好，摩擦因数小，硬度和耐磨性仅次于金刚石，且具有良好的切削性能和磨削工艺性，能用一般金刚石砂轮磨削。

立方氮化硼作为一种新型刀具材料，其刀具一般是采用硬质合金为基体的复合立方氮化硼双层刀片，不仅用于制造车刀、镗刀，而且已扩展到铣刀、铰刀等刀具。主要用于加工一些高硬度(64～70HRC)的淬硬钢和冷硬铸铁、高温合金等难加工材料。

3)金刚石。金刚石是自然界中最硬的材料，其硬度可达10000 H V。天然金刚石价格昂贵，很少用作刀具材料。人造金刚石是以石墨为原料，经高温、高压烧结而成，主要用于制作高速精细车削、镗削非铁金属及其合金和非金属材料的刀具。切削铜合金和铝合金时，切削速度可达800～3800m/min。由于金刚石刀具具有耐磨性较高、加工尺寸稳定和刀具使用寿命长的特点，所以常应用在数控机床、组合机床和自动机床上，加工后表面粗糙度值可达Ra0.025～0.1μm。但金刚石刀具耐热性差(切削温度不宜超过700～800℃，因其在788℃时开始石墨化变软)、强度低、脆性大、对振动敏感，所以只宜微量切削；与铁有较强的化学亲和力，不适合加工钢铁材料。

刀具材料的硬度要求及经济性分析

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