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金属切削原理与刀具 ——山东理工大学机械工程学院 李志永 2015年2月 第二章 刀具材料 第二章 刀具材料 第二章 刀具材料 第二章 刀具材料 * * §2.1 刀具材料应具备的性能 1）高的硬度和耐磨性 2）足够的强度和韧性 3）较好的热硬性 4）良好的热物理性能（导热性）和耐冲击性能（断续切削，切削液引起的温度变化而产生内部裂纹） 5）良好的工艺性 6）经济性 刀具材料的发展 金属切削过程中恶劣的工作条件对刀具材料的要求 刀具材料的发展与切削加工高速化的关系 切削速度（m/min） 2000 1000 500 200 100 50 20 10 1800 1850 1900 1950 2000 年代 碳素工具钢 合金工具钢 WC系硬质合金 高速钢 WC-TiC系硬质合金 涂层硬质合金 TiAlN涂层硬质合金 DLC涂层硬质合金 TiC-TiN金属陶瓷 聚晶立方氮化硼 （PCBN） 陶瓷 聚晶金刚石 （PCD） 天然金刚石 PCBN PCD 氧化物陶瓷 氮化物陶瓷 硬质合金涂层 WC硬质合金涂层 超细粒状硬金属涂层 高速钢 TiN涂层高速钢 断裂韧性 耐磨性 刀具材料的耐磨性与断裂韧性 刀具材料种类很多，常用的有工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢）、硬质合金、陶瓷、金刚石（天然和人造）和立方氮化硼等。 常用刀具材料 碳素工具钢和合金工具钢，因其耐热性很差，目前仅用于手工工具。 其他用于各种机床上的金属切削。 高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元 素的高合金工具钢。 特点：1）热稳定性较好，耐热温度600C° 。 2）强度高，抗弯强度为硬质合金的2～3倍； 3）韧性高，比硬质合金高几十倍； 4）常温硬度HRC63以上，且有较好的耐热性； 5）可加工性好，热处理变形较小。 应用：常用于制造各种复杂刀具（如钻头、丝锥、拉刀、成型刀具、齿轮刀具等）。 §2.2 高速钢 1898年Taylor和White发明了高速钢。 表2-9 常用高速钢牌号及其应用范围 类别 牌 号 主 要 用 途 普通 高速钢 W18Cr4V 广泛用于制造钻头、绞刀、铣刀、拉刀、丝锥、齿轮刀具等 W6Mo5Cr4V2 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等 W14Cr4VmnRe 用于制造要求热塑性好和受较大冲击载荷的刀具，如轧制钻头等 高性能高速钢 高碳 95W18 Cr4V 用于制造对韧性要求不高，但对耐磨性要求较高的刀具 高矾 W12Cr4V4 Mo 用于制造形状简单，对耐磨性要求较高的刀具 超硬 W6Mo5Cr4V2Al 用于制造复杂刀具和难加工材料用的刀具 W10Mo4Cr4V3Al 耐磨性好，用于制造加工高强度耐热钢的刀具 W6Mo5Cr4V5SiNbAl 用于制造形状简单的刀具，如加工铁基高温合金的钻头 W12Cr4V3 Mo3Co5Si 耐磨性、耐热性好，用于制造加工高强度钢的刀具 W2Mo9Cr4VCo8（M42） 用作难加工材料的刀具，因其磨削性好可作复杂刀具，价格昂贵 ? §2.2 高速钢 ? 超硬刀具材料包括天然金刚石、聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼三种。金刚石刀具主要用于加工高精度及粗糙度很低的非铁金属、耐磨材料和塑料，如铝及铝合金、黄铜、预烧结的硬质合金和陶瓷、石墨、玻璃纤维、橡胶及塑料等。立方氮化硼主要用于加工淬硬钢、喷涂材料、冷硬铸铁和耐热合金等。 天然金刚石是自然界最硬的材料，根据其质量的不同，硬度范围为HK8000～12000（HK，Knoop硬度，单位kgf/mm2），密度为3.48～3.56。由于天然金刚石是一种各向异性的单晶体，因此，在晶体上的取向不同，耐磨性及硬度也有差异，其耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，刃口锋利，切削刃的钝圆半径可达0.01μm左右，刀具寿命可长达数百小时。但天然金刚石价格昂贵，因此主要用于制造加工精度和表面粗糙度要求极高的零件的刀具，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。金刚石刀具不适于加工钢及铸铁。 聚晶金刚石是由金刚石微粉在高温高压下聚合而成，因此不存在各向异性，其硬度比天然金刚石低，为HK6500～8000，价格便宜，焊接方便，可磨削性好，因此成为当前金刚石刀具的主要材料，可在大部分场合替代天然金刚石刀具。 用等离子CV