第二章 刀具材料（第五讲）.ppt

常用的涂层材料有TiC、TiN、A12O3等，TiC的硬度比TiN高，抗磨损性能好。对于要产生剧烈磨损的刀具，TiC涂层较好。TiN与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化性能比TiC好，在容易产生粘结的条件下，TiC涂层较好。在高速切削产生大热量的场合，以采用Al2O3涂层为好，因为A12O3。在高温下有良好的热稳定性能。涂层可采用单涂层，也可采用双涂层或多涂层，如TiC-TiN、TiC-A12O3、TiC-A12O3-TiN等。 CVD方法 PVD方法 一、涂层高速钢 高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉积(PVD)方法，在刀具表面涂覆TiN等硬膜，以提高刀具性能的新工艺。涂层的高速钢是一种复合材料，基体是强度、韧性较好的高速钢，而表面层是高硬度、高耐磨性的材料。TiN有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数较低，而且与高速钢涂层结合牢固。表面硬度可达2200HV，呈金黄色。 涂层高速钢刀具切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量约提高一倍左右，刀具寿命显著提高。即使刀具重磨后其性能仍优于普通高速钢。目前已在钻头、丝锥、成型铣刀、切齿刀具上广泛应用。 除TiN涂层外，新开发的TiC、TiAlN涂层在切削不锈钢、铸铁时性能更好。 二、涂层硬质合金 涂层硬质合金采用化学气相沉积(CVD)工艺，在硬质合金表面涂覆一层或多层(5～13微m)难溶金属碳化物。涂层合金有较好的综合性能，基体强度、韧性较好，表面耐磨、耐高温。但涂层硬质合金刃口锋利程度与抗崩刃性不及普通硬质合金。因此，多用于普通钢材的精加工或半精加工。涂层材料主要有TiC、TiN、A12O3及其复合材料。TiC涂层具有很高的硬度与耐磨性，抗氧化性好，切削时能产生氧化钛薄膜，降低摩擦系数，减少刀具磨损。一般切削速度可提高40％左右。TiC与钢的粘结温度高，表面晶粒较细，切削时很少产生积屑瘤，适合于精车。TiC涂层的缺点是线膨胀系数与基体差别较大，与基体间形成脆弱的脱碳层，降低了刀具的抗弯强度。因此，在重切削、加工硬材料或带夹杂物的工件时，涂层易崩裂。 TiN涂层在高温时能形成氧化膜，与铁基材料摩擦系数较小，抗粘结性能好，能有效地降低切削温度。TiN涂层刀片抗月牙洼及后见面磨损能力比TiC涂层刀片强。适合切削钢与易粘刀的材料，加工表面粗糙度较小，刀具寿命较高。此外，TiN涂层抗热振性能也较好。缺点是与基体结合强度不及TiC涂层，而且涂层厚时易剥落。 TiC-TiN复合涂层：第一层涂TiC，与基体粘结牢固不易脱落。第二层涂TiN，减少表面层与工件的摩擦。 TiC-Al2O3复合涂层：第一层涂TiC，与基体粘结牢固不易脱落。第二层涂A12O3使表面层具有良好的化学稳定性与抗氧化性能。这种复合涂层能像陶瓷刀那样高速切削，耐用度比TiC、TiN涂层刀片高，同时又能避免陶瓷刀的脆性、易崩刃的缺点。 目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-A12O3-TiN三复合涂层。 ④有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。 ⑤强度与韧性低。强度只有硬质合金的1／2。因此陶瓷刀具切削时需要选择合适的几何参数与切削用量，避免承受冲击载荷，以防崩刃与破损。 ⑥热导率低，仅为硬质合金的1/2~1/5，热胀系数比硬质合金高10％～30％，这就使陶瓷刀抗热冲击性能较差。故陶瓷刀切削时，不宜有较大的温度波动，一般不加切削液。 陶瓷刀具一般适用于在高速下精细加工硬材料，如在VC=200m／min条件下车淬火钢。但近年来发展的新型陶瓷刀也能半精或粗加工多种难加工材料，有的还可用于铣、刨等断续切削。 二、陶瓷刀具的种类与应用 1．氧化铝-碳化物系陶瓷 这类陶瓷是将一定量的碳化物(一般多用TiC)添加到Al2O3中，并采用热压加工制成，称为混合陶瓷或组合陶瓷。 混合陶瓷适合在中等切削速度下切削高强度钢、淬火钢以及断续切削、冷硬铸铁、淬硬钢等。在切削60～62HRC的淬火工具钢时，可选用的切削用量为：ap=0.5mm，f=0.08mm／r，vc=150~170m/min。 氧化铝-碳化物系陶瓷中添加Ni、Co、W等作为粘结金属，可提高氧化铝与碳化物的结合强度。可用于加工高强度的调质钢、镍基或钴基合金及非金属材料。由于抗热振性能提高，也可用于断续切削条件下的铣削或刨削。 2．氮化硅基陶瓷 氮化硅基陶瓷是将硅粉经氮化、球磨后添加助烧剂置于模腔内热压烧结而成。主要性能特点如下。 ①硬度高，达到1800～1900HV，耐磨性好。 ②耐热性、抗氧化性好，达1200～1300℃。 ③氮化硅、碳和金属元素化学反应速度较小，摩擦系数也较低。实践证明用于切削钢、铜、铝均不粘屑，不易产生积屑瘤，从而提高了加工表面质量。 ④氮化硅基陶瓷能进行高速切削，车削灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等材料效果更为