新型刀具材料研究.docVIP

新型刀具的发展方向 今年来，为把我国打造成为制造业的强国，发展大型、精密，高速数控设备和功能部件成为国家重要的目标之一。随着高精密、高转速数控机床大量应用，刀具在材料、结设计理念与方法上不断创新和发展，发生了巨大的变革。常用刀具材料分为以下几类：（1）高速钢材料；（2）硬质合金材料；（3）陶瓷刀具材料；（4）超硬刀具材料［1］，它们的力学性能比较如表1。本文就上述内容进行叙述和分析。 表1 几种刀具材料的力学性能比较[2] 材料性能 刀具材料 高速钢 WC硬质合金 纳米改性金属陶瓷 非金属陶瓷 立方氮化硼 硬度 83-86HRA 89-95HRA 92.9HRA 91-95HRA 8000-9000HV 抗弯强度/Gpa 1.96-5.88 0.73-2.54 1.36 0.29-0.68 0.294 1 高速钢 高速钢是一种加入了较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等元素的高合金工具钢。热处理后能在温度500~650时进行切削，而硬度无明显下降，具有良好的热硬性［3］。用其制造的刀具切削速度是普通刀具钢的1~3倍，可达60m/min以上（故而得其名），提高刀具耐用度10~40倍以上。高速钢的类型有通用型高速钢和高性能高速钢。 通用型高速钢 （1）钨系高速钢 1900年美国发明，典型牌号W18Cr4V，切削中碳钢速度达30m/min ，热处理硬度达63~66HRC，抗弯强度达3500MPa，可以满足一般性能的要求，生产工艺成熟，通用性强，在工业上应用十分广泛。但碳化物偏析比较严重，热塑性差，不便于热加工成型，在加工特硬材料时不能满足对刀具硬度和红硬性的要求。由于钨和其他合金元素的含量较多，成本亦较高。国内市场比例约16.5%。 （2）钨钼系高速钢 1937 年美国发明，典型牌号为W6Mo5Cr4V2，其碳化物分布细小均匀，韧性和高温塑性比W18Cr4V高50%，抗弯强度达4700MPa，热处理硬度和切削性能与W18Cr4V基本相同，成本低，目前正在取代钨系高速钢。常用于制造钻头、丝锥、铣刀、铰刀、拉刀、齿轮刀具等刀具。但耐磨性略逊于W18Cr4V，脱碳敏感性稍强，国内市场比例约69%。我国近年发展的新品种W9Mo3Cr4V，它强度及热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度为63~64HRC，容易轧制、锻造，热处理工艺范围广，脱碳敏感性小，成本更低，国内市场比例约11%。 1.2 高性能高速钢 通过调整高速钢的化学成分和添加其它合金元素，使其性能进一步得到提高。具有更好的硬度和热硬性，切削温度在650℃时，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用度为普通高速钢的1.5~3 倍，适用于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。只是在中等速度加工软材料时，优越性不明显。主要品种有： （1）高碳系高速钢 1939年美国发明高碳高钒高速钢，淬回火硬度达67~68HRC，耐磨性好。典型牌号有碳含量高达0.9%的9W18Cr4V，其硬度、耐磨性及热硬性都比较好。在切削不锈钢、耐热合金等难加工材料时，刀具寿命能够显著提高。但抗弯强度只有3000MPa，冲击韧性较低，热处理工艺要求严格。 (2) 钴高速钢 1958~1963年美国发明M40系高速钢，硬度达70HRC。典型牌号有钒含量仅为1%、钴含量达8% 的W2Mo9Cr4Vco8。其硬度、热硬性、耐磨性及可磨性都很好，热处理硬度达67~70HCR，适于制成各种刀具和复杂刀具，用于切削难加工材料，国际上应用很普遍。在我国，因钴资源缺乏，其成本约为通用型高速钢的5~8倍，使用受到一定影响。 (3)铝高速钢 我国研制出无钴、含铝的高性能高速钢，典型牌号有W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4V5SiNbAl等，在W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V5中加入铝（Al）和硅（ Si）、铌（Nb）元素，并增碳（C）来提高热硬性、耐磨性。切削温度600℃时，硬度达68HRC，抗弯强度3700MPa。他是立足于我国资源情况的无钴高速钢，性能好成本低。但它易氧化及脱碳，可塑性、可磨性比钴高速钢稍差，仍需改进。 （4）粉末冶金高速钢 高速钢的质量性能受到多方面因素的影响，其中碳化物分布的均匀性及其大小的控制，是对其性能影响较大而又难以改善的因素。1965 年美国Crucible Steels 公司发明了粉末冶金法生产高速钢，使得高速钢发展产生了大变革。 目前国际市场上高性能高速钢使用量已经超过通用型高速钢25%~30%，粉末冶金高速钢在各类刀具中占的百分比为齿轮刀具中占70%，拉刀中占50%，立铣刀中占20%，钻头中占1%。 硬质合金 硬质合金是高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）的微米数量级粉末，用