第九届中国国际机床展览会上看到更多具有自主知识产权的、具有国际水平的国产量具量仪展品,为把我国从“制造大国”建成“制造强国”,让我们全行业共同努力。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,仅以此与中国量具量仪行业同仁共勉!
参考文献
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4 谢华锟.CIMT2003量具展品点评.WMEM,2003(12)
5 相关公司样本、CIMT展览会会刊
第一作者:谢华锟,研究员级高级工程师,成都工具研究所,610051成都市
超硬刀具材料的发展与应用
于启勋
北京理工大学
摘 要:对立方氮化硼和金刚石等超硬刀具材料的发展过程、种类、性能、制造方法和应用范围作了全面介绍,同时介绍了近来发明的新型超硬刀具材料———氮化碳(C x N y),并通过切削试验对几种超硬刀具材料的切削性能进行了比较分析。
关键词:超硬刀具材料, 立方氮化硼, 金刚石, 氮化碳, 切削加工
Development and Application of Ultrahard Cutting Tool Material
Yu Qixun
A bstract:The development process,kinds,properties,manufacture method and application area of cubic boron nitride,dia-mond and other ultrahard materials are overall introduced.Meanwhile a new kind of ultrahard tool material—C x N y invented in re-cent years is introd uced.The cutting properties of several ultrahard tool materials are compared and analyzed through cutting tests.
Keywords:ultrahard cutting tool material, cubic boron nitride, diamond, carbon nitride, cutting machining
1 引言
常用刀具材料有高速钢、硬质合金和陶瓷,它们的主要硬质成分是碳化物、氮化物和氧化物。例如,高速钢是加入了合金成分(如W、Mo等)的碳化铁;硬质合金的主要成分是WC、TiC、TiCN等;陶瓷则是Al2O3和Si3N4。这些化合物的硬度最高达到3000HV,若加上粘接物质,其总体硬度则在2000HV 以下。对于某些难加工材料的加工,具有上述硬度的刀具材料已不能胜任。于是超硬刀具材料便应运而生,在20世纪的后50年中得到了很大的发展。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同:立方氮化硼是非金属硼化物,晶体结构为面心立方;而金刚石则由碳元素转化而成,其晶体结构与立方氮化硼相似,它们的硬度大大高于传统刀具材料。近年来又出现了一种新型超硬刀具材料———氮化碳,其硬度亦与立方氮化硼相近。
本文将阐述上述三类超硬刀具材料的发展过程、种类、性能、制造方法和应用范围。 2 超硬刀具材料的发展过程
几千年前,人类就已经发现和使用天然金刚石;而人造金刚石的制造和应用则是20世纪后半世纪的事。氮化硼是人造材料,其发展过程与人造金刚石大体同步。
人造金刚石以往多在高温、高压(热压法)条件下形成,称为PCD,后来又出现了其他制造方法。PCD人造金刚石的研究始于1940年,1954年美国正式宣告人造金刚石研制成功,并于1957年开始工业生产。瑞典也于1962年开始人造金刚石的工业生产。到1969年,全世界人造金刚石产量为4000万克拉(当时天然金刚石年产量为4400万克拉)。1963年中国研制成功PCD,到1996年中国人造金刚石产量已达2.4亿克拉,出口量达6～8.5千万克拉。21世纪初,中国人造金刚石最高年产量已达10亿克拉以上,居全世界首位。近年来亦有外国公司年产人造金刚石达1亿克拉以上。
1957年,美国GE公司压出立方氮化硼(CBN)单晶粉;70年代初制成聚晶PCB N刀具。1972年,前
苏联亦制成PCB N 刀具。1966年中国研制成功单晶CBN ;稍后,聚晶PCBN 研制成功。
近年来,国内又采用化学气相沉积(CVD )法制成人造金刚石。如北京天地公司已能够制造和销售各种C VD 金刚石制品。
十几年前,美国物理学家A M Lin 和M L Cohen 应用分子工程理论,设计出新型超硬无机化合物氮化碳(C x N y )。我国武汉大学王仁卉教授也对7种结构的C 3N 4粉末衍射谱进行过计算;武汉大学吴大维教授等用dc 反应磁控溅射法在不同刀具上沉积C 3N 4薄膜,取得了较大的进展。 3 超硬刀具材料的种类
超硬刀具材料(尤其是金刚石)的种类较多。立方氮化硼包括:CB N 单晶粉,可用于制作磨料、磨具;PCB N 聚晶片及聚晶复合片,可用于制作切削刀具及其他工具。
金刚石分为天然金刚石(ND )与人造金刚石。人造金刚石包括:PCD 单晶粉,用于制作磨料、磨具;PCD 单晶粒,可做刀具,并可作为光学、电子高科技原材料;PCD 聚晶片及聚晶复合片,用于制作切削工具及其他工具。此外,还有人造CVD 金刚石厚膜与薄膜,可用于刀具、工具制造和光学、电子方面的应用。
在刀具或其他工具上可以通过涂制C x N y 薄膜(厚3～5μm ),成为涂层刀具(工具)。
4 超硬刀具材料的制造方法人造超硬刀具材料的制造方法有很多种,这里主要介绍热压法和气相沉积法。
(1)热压法
用热压法制造金刚石和立方氮化硼所用的设备为六面顶或两面顶的液压机。压制单晶超硬材料,需将原料置于叶蜡石的腔体中。压制PCD 单晶粉的原料是石墨片,石墨片与触媒剂Ni —Mn 片层叠置于腔体中;压制PCD 聚晶片的原料是PCD 单晶粉,加入结合剂Ni 、Si 、Co 等。压制CB N 单晶粉的原料为六方氮化硼(HBN );压制PCB N 聚晶片的原料为CBN 单晶粉,同时需置入触媒剂与结合剂。故压制单晶与聚晶制品,需先后分两次进行,其工艺分别见图1、图2。
热压时腔温约为1600℃～1900℃,顶锤部压力
约为5000～6000MPa ,加热与施压时间约为几分钟
右墨+Ni -Mn 片5～6万atm ～1600℃
金刚石单晶粉
～12min
(a )压单晶
金刚石单晶粉+结合剂
5～6万a tm ～1800℃
PCD 聚晶片
～3min (b )压聚晶
图1 PCD 金刚石热压工艺
HB N 粉+触媒剂
5～6万atm ～1600℃
CB N 单晶粉
～10min
(a )压单晶
CBN 单晶粉+结合剂
5～6万atm ～1800℃
PCBN 聚晶片
～3min (b )压聚晶
图2 CBN 热压工艺
至十几分钟。对于单晶与聚晶、PCD 与CB N 制品,在不同的压机上,上述数据有一定的差异。
(2)气相沉积法
用气相沉积法制造金刚石,有“热丝C VD 法”、“直流等离子体喷射CVD 法”、“火焰燃烧法”等。“热丝CVD 法”用得较多。原料为乙醇、甲烷、氢气等,在炉内形成金刚石的碳结构,沉积在基体(衬底)上,形成厚膜(厚度在0.5～0.6mm 以上);将厚膜与基体分离;将膜切割成一定形状的小块;再将其钎焊在硬质合金上形成复合刀片或刀具。若制造C VD 薄膜金刚石刀具,则用同样的方法在刀具(如钻头、立铣刀)上直接沉积金刚石薄膜即可,膜厚仅10μm 左右。热丝CVD 金刚石膜沉积示意图见图3。
图3 热丝CVD 金刚石膜沉积示意图
在刀具上涂覆C x N y 薄膜,用dc 反应磁控溅射法进行,实际上也是一种气相沉积方法。 5 超硬刀具材料的性能
各种超硬刀具材料的性能数据测试尚不够全面,现将收集到的较为可靠的数据列入表1。由表1可见,金刚石的硬度最高,PCB N 和C x N y 次之,均远远高于其他刀具材料;超硬刀具材料的导
表1 各种超硬刀具材料的性能
性 能天然金刚石PCD金刚石CVD金刚石PCBN C
x
N y对比物质硬度(HV)10000～8000～9000～50004000～5000硬质合金1100～1800
热导率(W·m-1K-1)20001300紫铜393;硬质合金35～75杨氏模量(GPa)1000750WC650;TiC330
密度(g·cm-3)3.523.48
线膨胀系数(×10-6K-1)12.1～2.3硬质合金5～7
断裂韧性(MPa·m0.5)3.43.2～3.5陶瓷7～9
其他性能在空气中约660℃
开始石墨化;铁元
素能催进石墨化,
在酸、碱中都不受
浸蚀
在空气中到
1300℃都不分解,
与铁族元素呈惰
性,在酸中不受
浸蚀
在空气中高温下
化学性质稳定,
与刀具间附着力
良好
热性好,杨氏模量高,密度、线膨胀系数和断裂韧性都较小。但金刚石的化学性能不如PCB N和C x N y 稳定。
6 超硬刀具材料的应用范围
立方氮化硼具有高硬度、高热稳定性,对铁族元素呈惰性,故最适合切削下列工件材料:各种淬硬钢,包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等;各种冷硬铸铁和耐磨铸铁;各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂(焊)零件。
金刚石具有更高的硬度及其他优异性能。用它制作的刀具,应用范围很广泛,可以加工各种难加工材料和非难加工材料。因为金刚石刀具(尤其是天然金刚石刀具)的切削刃可以磨得十分锋利,切削刃钝圆半径能达纳米级,因此特别适用于对有色金属(主要是铜、铝及其合金)进行超精密切削加工。金刚石刀具能切削纯钨、工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃、石墨与各种塑料以及各种复合材料(包括金属基与非金属基纤维增强和颗粒增强的复合材料)。金刚石还可用于制作牙科、骨科所用医疗器械工具,以及用于木材、石材加工的刀具和工具。金刚石和立
方氮化硼单晶粉大量用于制作磨料、磨具、磨膏、砂布、砂纸等。金刚石还大量用于制作拉丝模、
砂轮修正器和石油、地矿部门的钻探钻头,还可用于制作各种耐磨件。
大部分能用金刚石刀具切削的难加工材料(如硬质合金、陶瓷、玻璃、复合材料等),用立方氮化硼刀具也能加工,但一般立方氮化硼刀具的使用寿命低于金刚石刀具。
氮化碳涂层厚度很小,尚不能制成复合片或厚膜涂层,因此其应用范围受到很大限制;但C3N4涂层高速钢麻花钻有着良好的切削性能。 7 超硬刀具材料的切削试验示例
作者曾用各种超硬刀具车削各种工件材料,进行了大量切削试验,借以对比各种刀具材料的切削性能,并探讨超硬刀具材料的切削机理。本文中仅列入了少量的试验曲线与数据,作为例证。
(1)车削淬硬钢T10A(60-63HR C)
刀具材料:PCD,PCB N;
切削用量:a P=0.1mm,f=0.05mm/r,v=84m/ min;
刀具几何参数:γo=0°,αo=8°;
PCBN:κr=45°,λ5=0°,rε=0.5mm,b r1= 0.2mm,γo1=-20°;
PCD:rε=4mm,λ5=0°,b r1=0.2mm,rε=-20°;
干切。
图4所示为PCB N与PCD刀具的磨损曲线。由图4可见,PCB N刀具加工淬硬钢效果很好,在较高的切削速度下有较长的刀具寿命。PCD刀具则因前述的化学作用而迅速磨损。作者还曾用硬质合金YS8和Si3N4基复合陶瓷刀具车削过上述淬硬钢,用44m/min的切削速度,其刀具寿命尚不及PCBN刀具的一半。
图4 PCD、PC BN刀具车削淬硬钢的后刀面磨损曲线
(2)车削纤维增强的复合材料GFRP
刀具:CVD厚膜与薄膜的金刚石,PCB N,Si3N4基复合陶瓷HDM3,硬质合金YS8;
切削用量:a P =0.3mm ,f =0.1mm /r ,v =80m /min ;
刀具几何参数:略;干切。
刀具磨损曲线见图5。由图5可见,C VD 金刚石刀具寿命最长,PCBN 刀具次之。因对GFRP 的加工有一定难度,故硬质合金和陶瓷刀具虽能使用,但磨损较快
。
图5 各类刀具车削GFRP
作者曾用C x N y 薄膜车刀加工过GFRP ,效果也很好,其寿命接近PCB N 刀具。
(3)车削SiC 颗粒增强的No .3复合材料
SiC 颗粒:粒度28μm ,w t 20%;基体材料:ZL109;
刀具:PCB N ,CVD 厚膜金刚石,硬质合金YG6;切削用量:a P =0.3mm ,f =0.1mm /r ,v =70m /min ;
刀具几何参数:略;干切。
刀具磨损曲线如图6所示。由图6可见,C VD 厚膜金刚石刀具的寿命遥遥领先,PCB N 也很好,而YG6不堪使用。因SiC 颗粒有冲击作用,故CVD 薄膜金刚石和C x N y 薄膜涂层刀具的加工效果都不好
。
图6 各类刀具车削颗粒增强复合材料
(4)钻削高强度钢38CrNi3MoVA (36～40HRC )麻花钻:高速钢W6Mo5Cr4V2、未涂层标准钻头与C 3N 4涂层钻头, 6mm ;切削用量:f =0.13mm /r ,v =10m /min ;
干切。
钻头磨损曲线如图7所示。由图7可见,高速钢
麻花钻经C 3N 4涂层后,刀具寿命提高8～9倍,效果显著。作者还曾用C 3N 4涂层硬质合金刀片车削过淬硬钢和调质钢,虽有一定效果,但尚不够理想
。
图7 C 3N 4涂层麻花钻钻孔
8 结语半个世纪以来,PCD 和PCB N 超硬刀具材料迅猛发展,但其制造工艺和刃磨、研磨技术尚有不足,人们对它们性能的认识和使用经验也嫌不够,今后应加强研究,使之能够发挥更大的作用。近年,CVD 金刚石厚膜、薄膜和C x N y 涂层材料得到开发,但技术尚不够成熟。通过深入研究,不断改进性能,上述超硬刀具材料必将有更为广阔的应用前景。
参考文献
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作者:于启勋,教授,北京理工大学机械工程学院,100081北京市
我国最大规模声学工程公司成立
日前,我国声学工程领域投资规模最大的北京绿创声学工程股份有限公司成立,该公司是由北京绿创环保科技有限责任公司、北京首钢特殊钢有限公司、北京北斗兴业科技发展有限公司、北京宏声致远科技有限公司、北京劳保所科技发展公司共同发起成立的。该公司控股股东北京绿创环保科技有限责任公司拥有多年的从业经历,噪声与振动控制是该公司的核心业务,积累了多项技术含量高、适应性强、可靠程度高、成熟而稳定的技术资源,形成了较为完整的技术体系和产品系列,具备了良好的品牌效应。
常用刀具材料分类、特点及应用 刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要容之一。 1.刀具材料应具备的性能 金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度，即刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能。 1.1 高的硬度和耐磨性 硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。 耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、纤维组织及摩擦区的温度有关。 1.2 足够的强度和韧性 要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程常要出现的冲击和振动的条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。 1.3 高的耐热性 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。 1.4 导热性好 刀具材料的导热性越好，切削热越容易从切削区散走，有利于降低切削温度。刀具材料的导热性用热导率表示。热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。
1.5 具有良好的工艺性和经济性 既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。 2.常用刀具材料分类、特点及应用 刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、瓷和超硬材料等五大类。常用刀具材料的主要性能及用途见表2-1。
机加工中刀具材料的应用及发展趋势 金属切削加工是现代机械制造工业中一种最基本的加工方法,在其过程中，刀具直接完成切削余量和形成已加工表面的任务，而刀具材料又是决定刀具切削性能的根本因素,它对加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度的影响极大。就拿切削速度来说,在最初使用碳素工具钢作为刀具材料时,切削速度只有每分钟10米左右；19世纪末20世纪初出现了高速钢刀具材料,切削速度提高到每分钟几十米;30年代出现了硬质合金,切削速度提高到每分钟100~５００米;20世纪中叶以后又出现了复合陶瓷、金刚石、CBN超硬刀具材料等,高速钢和硬质合金则发展了许多新品种。迄今，已使切削速度提高到每分钟一千米以上。历史事实表明，在切削加工的发展过程中,刀具材料始终是最积极的因素。同时,被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。因此,我们应当重视刀具材料的正确选择和合理使用,关注新型刀具材料的研制和发展趋势。1刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料,是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作,应具备如下的基本要求:一是高硬度和高耐磨性;二是足够的强度与冲击韧性;三是高耐热性、导热性和小的膨胀系数；四是良好的工艺性和经济性。2常用刀具材料常用刀具材料有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、超硬刀具材料和陶瓷。碳素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷和超硬刀具材料则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因,目前尚在有限的范围内使用。当今,用得最多
的为高速钢和硬质合金, 几乎各占一半。2．１高速钢高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢,有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单,容易刃磨成锋利的切削刃,锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中,仍占有主要地位。２.2硬质合金硬质合金是高强度难溶的金属化合物(主要是WＣ、TｉＣ等,又称高温碳化物）微米级的粉末,用钴或镍等金属作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其中高温碳化物的含量超过高速钢,绝大多数车刀、端铣刀和部分立铣刀、钻孔绞刀等均已采用其制造,切削速度可达到100~２00m/miｎ以上,是最主要的刀具材料之一。但因其工艺性较差,用于复杂刀具尚受到很大限制。3新型刀具材料3.1涂层刀具涂层刀具材料是近20年出现的一种新型刀具材料。它是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上,涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的，是刀具材料发展中的一项重要突破。涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展的一次革命。从上世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛（TiC)后,到19８1年就把普通硬质合金刀具的切削速度从80m ／ｍin提高到３00ｍ/ｍin。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN,常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆,相当于一般硬质合金的硬度,耐用度可提高2～5倍，切削速度可提高２０%~40％;在韧性较好的硬质合金基体上,涂层多为高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学
一、刀具分类 刀具材料的种类很多，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 碳素工具钢是指碳的质量分数为0.65％～1.35％的优质高碳钢。用做刀具的牌号一般是T10A和T12A。常温硬度60～64HRC。当切削刃热至200～250℃时，其硬度和耐磨性就会迅速下降，从而丧失切削性能。碳素工具钢多用于制造低速手用工具，如锉刀、手用锯条等。 2、合金工具钢 为了改善碳素工具钢的性能，常在其中加入适量合金元素如锰、铬、钨、硅和钒等，从而形成了合金工具钢。常用牌号有9SiCr、GCrl5、CrWMn等。合金工具钢与碳素工具钢相比，其热处理后的硬度相近，而耐热性和耐磨性略高，热处理性也较好。但与高速钢相比，合金工具钢的切削速度和使用寿命又远不如高速钢，使其应用受到很大的限制。因此，合金工具钢一般仅用于取代碳素工具钢，作一些低速、手动刀具，如手用丝锥、手动铰刀、圆板牙、搓丝板等。 3、高速钢 高速钢是一种含钨、铝、铬、钒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，且耐热性和淬透性良好，其允许的切削速度是碳素工具钢和合金工具钢的两倍以上。高速钢刃磨后切削刃锋利，故又称之为“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，常用来制造结构复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、铰刀。拉刀、齿轮刀具等。 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。 1) 普通高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。常用牌号有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。 ① W18Cr4V属钨系高速钢，它具有性能稳定，刃磨及热处理工艺控制方便等优点，但因钨价较高，且使用寿命短故使用较少。 ② W6Mo5Cr4V2属钨钼系高速钢，它的碳化物分布均匀，抗弯强度，冲击韧度和高温塑性都比W18Cr4V好，但磨削工艺略差。因其使用寿命长、价格低，故被广泛使用。 2) 高性能高速钢是在普通高速钢中再加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性、耐磨性。其切削速度可达50～lOOm／min。主要用于不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料的切削加工。有高钒高速钢和超硬高速钢等。 ①高矾高速钢(W12Cr4V4Mo)由于钒、碳含量的增加提高了耐磨性，刀具寿命比普通高速钢提高2～4倍，但是随着钒含量的提高使其磨削性能变差。故使用较少。 ②超硬高速钢是为了加工一些难以加工的材料而发展起来的。其常温硬度。高温硬度、耐热性和耐磨性都比普通高速钢高，具有良好的综合性能，可以加工
刀具材料的研究现状及展望 2012034110 李贺 【摘要】随着难加工材料的日益增多以及对加工效率的要求的提高，刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接影响。本文以刀具材料为主线，介绍了高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的性能以及现状。根据刀具材料的优缺点提出其适合的加工切削条件，同时在理论层面提出对未来发展的思考。 【关键词】高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料；研究现状；展望 1 刀具失效形式和性能要求 刀具磨损是刀具的主要失效形式，常见的失效形式有：磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损等正常磨损；卷刀、崩刃、崩碎、打刀等非正常磨损[1]。由此，刀具材料应具有良好的力学性能，另外还应具有良好的工艺性能以及可最大限度降低刀具成本的经济性[2]。 2 高速钢刀具材料 高速钢刀具材料可分为传统熔融高速钢、粉末冶金高速钢和少无莱氏体高速钢。但随着加工材料的发展，虽然其能满足通用工程材料切削加工的要求，但其性能已不够先进。 2.1 传统熔融高速钢 熔融高速钢刀具材料分为：普通高速钢；高性能高速钢。普通高速钢具有较好的塑性，常温硬度63～66HRC，而在高温下，硬度很差。高性能高速钢的硬度普遍比普通高速钢提高2～4 个HRC，高温硬度也较好，但是其抗弯强度、韧性较低[3]。 2.2 粉末冶金高速钢、少无莱氏体高速钢 粉末冶金高速钢及少无莱氏体高速钢解决了熔炼高速钢在冷凝过程中产生的粗大碳化物偏析及碳化物粗大问题。 少无莱氏体钢在热处理时需要进行渗碳处理提高表层的含碳量，以增加硬度，表层经淬火及回火后硬度可达66～67HRC 以上，成为超硬高速钢。少无莱氏体高速钢刀具有芯韧表硬的特点，具有好的综合性能[4]。 3 硬质合金刀具材料 硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）。近年来随着材料技术的发展，将其分为P、M、K、H、S、N 六个系列[5]。P 类，主要用于切削钢材；K 类，主要用于切削铸铁；M 类，为普通型硬质 合金；H 类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢，冷硬铸铁等；S 类，用于切削耐热材料、高温合金等；N 类，用于切削有色金属[6]。 3.1 传统硬质合金刀具材料 分类：碳化钨基硬质合金、碳（氮）化钛基硬质合金。 性能：硬度为89.5～94HRA，具有较好的红硬性、耐磨性等综合性能，其适于加工未淬火的钢材。
开题报告书 论文题目：新型超硬刀具材料的研究应用现状 研究课题的目的和意义： 2012年，国家发改委为了更好的扶持新兴产业的发展，研究起草了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》，其中包括新材料产业在内的7项战略性新兴产业产品，为超硬刀具材料产业的发展提供了良好的政策支持和外部条件。刀具作为机械制造系统的重要组成部分，对其的研发与运用已经成为衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。 随着切削加工工件材料的不断发展，尤其是一些难以加工店额材料的出现，超硬材料刀具得到了越来越广泛地应用。 在目前的刀具市场上，占据最大市场份额的刀具材料仍为高速钢和硬质合金，但这些刀具的硬度最高仅为2000～3000HV，若加上粘接物质，其总体硬度则在2000HV以下。对于难加工材料和高速高精加工来说，较低硬度的刀具材料已不能胜任。以金刚石和立方氮化硼(CBN)为代表的超硬材料刀具则迅速占领这个市场。其中金刚石具有极高的硬度和耐磨性，其硬度可达10000HV，是刀具材料中最硬的，热稳定性可达700℃～800℃。而立方氮化硼的硬度仅次于金刚石(可达8000HV～9000HV)，并且热稳定性更高(达1250℃～1350℃)。 “精密、智能、柔软、高效、绿色环保”已经成为现代机械制造业的发展方向，而更加先进的技术要求和对产品品质的高追求使得传统刀具已经无法胜任，而新型超硬刀具因而呼之欲出。 超硬材料刀具具有加工效率高，使用寿命长，加工质量好等特点，过去主要用于精加工，近几年来由于改进了人造超硬刀具材料的生产工艺，控制了原料纯度和晶粒尺寸，采用了复合材料和热压工艺等，应用范围不断扩大，除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于粗加工，在国际上公认为是当代提高生产率最有希望的刀具材料之一。 拟定研究方案（包括内容、方法、预期目标、进度安排等）： 研究内容： 新型超硬刀具材料在现在机械制造行业占据的重要地位，以及现在世界上对其的研究和测试，并加以改善，使之能够最大发挥作用。 超硬刀具材料是指与天然金刚石的硬度、性能相近的人造金刚石和CBN （立方氮化硼）。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN），以及它们的复合材料。 研究方法及预期目标： 本文采用理论结合实际的法研究方法，首先讨论超硬刀具材料的研究现状和发展背景，交待现状该材料行业的背景和环境。然后结合我国的实际情况，深入分析新型超硬刀具材料的特点、性能以及主要的制备方法和生产工艺，并结合实际案例和相关数据进行说明。最后对新型刀具材料的应用领域和未来发展前景进行分析，综合探究其发展趋势。 进度安排： 1.2014年12月1日-2015年1月15日将《毕业论文开题报告书》送交指 导老师并且完成开题 2.2015年1月15日- 2015年2 月15 日查阅相关文献，包括该材料的相
数控刀具材料及选用，再也不用盲目选刀 加工设备与高性能的数控刀具相配合，才能充分发挥其应有的效能，取得良好的经济效益。随着刀具材料迅速发展，各种新型刀具材料，其物理、力学性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。 一. 刀具材料应具备基本性能 刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能： (1) 硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 (2) 强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动,防止刀具脆性断裂和崩刃。 (3) 耐热性。刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。 (4) 工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。 二.刀具材料的种类、性能、特点、应用 1．金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用 金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。 ⑴金刚石刀具的种类 ①天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002靘，能实现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。 ②PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石
第18卷 第3期2011年6月 金属功能材料M etallic Functional M aterials Vol .18, No .3 June , 2011 硬质合金刀具材料发展现状与趋势 陶国林 1,2 ,蒋显全2,黄 靖 3 (1.重庆工商大学,重庆400067;2.重庆市科学技术研究院 新材料研究中心,重庆400020; 3.重庆机械电子技师学院,重庆400030) 摘 要:回顾了各种硬质合金刀具材料的基本性能和发展现状,并对各种刀具材料技术的研究成果及发展趋势进行了探讨,同时提出了今后的发展方向。关键词:硬质合金;刀具材料;涂层 中图分类号:T G135.5 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2011)03-0079-05 Research Status and Developing Trend of Cemented Carbide Tool TA O G uo -lin 1,2,JIA NG Xian -quan 2,H U A NG Jing 3 (1.Chongqing Technolo gy and Business U niv ersity ,Chongqing 400067,China ;2.Cho ng qing A cademy o f Science and T echno lo gy ,Chongqing 400020,China ;3.Chongqing M echanical Elec trical A rtificer Co llege ,Cho ng qing 400030,China ) Abstract :Co nventio na l pe rfor mances and resea rch status o f many kinds of cemented car bide cutting too l material are rev iewed ,and the resea rch achievement o f cemented ca rbide too ls in recent year s are discussed ;M eanw hile ,develop -ment trend in the future is put fo rw ard . Key words :ceme nted ca rbide ;cutting to ol ma te rial ;coa ting 作者简介:陶国林(1975-),男,四川德阳人,硕士,助理研究员,主要从事碳化钨硬质合金方面的研究。 随着加工业的发展,难加工材料的使用日益增多,对加工效率的要求也不断提高。刀具的发展对 提高生产效率和加工质量具有直接影响。材料成分和结构以及几何形状是决定刀具性能的3要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。目前虽然可供使用的品种很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金是最受欢迎的一种刀具材料[1]。 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89～93H RA ;在540℃时为82～87H RA ,与高速钢常温时硬度(83～86H RA )相同;760℃时硬度达77～85H RA ,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[2] 。发达国家90%以上的车刀和 55%以上的铣刀都采用硬质合金材料制造,目前使用比重仍在增加[3]。另外,硬质合金也用来制造钻头、铣刀、齿轮刀具、铰刀等复杂刀具,硬质合金以其优良的性能正在更多的场合替代其他的刀具材料,现在已成为主要的刀具材料之一。 目前世界上硬质合金刀具已占刀具主导地位,占比达70%;金刚石、立方氮化硼等超硬刀具占比约为3%左右;而高速钢刀具正以每年1%～2%速度缩减,目前所占比例已降至30%以下。我国目前年产硬质合金1.6万t ,占全球总产量40%左右。但硬质合金制品附加值最高的切削刀片产量只有 3000余t ,只占20%[4,5] 。 从经济效益方面比较,我国刀具年销售额为
超硬刀具加工淬火件实现以车代磨工艺 随着现代技术的不断发展，越来越多的高硬度淬火件出现在加工现场，刚开始多数选择磨削方式作为最后加工工序，来保证淬火件的尺寸和精度。但随着刀具行业的不断研究、实践，最终研制出可以车代磨的车刀刀具材料—硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀片。 下面就具体介绍一下以车代磨的工艺及什么情况下可选择以车代磨工艺加工淬火件。 一、以车代磨的含义及工艺 所谓的以车代磨简单来说就是车削代替磨削作为精加工工序或最后加工工序，完成图纸要求尺寸和精度。 刚开始出现淬火件时磨削加工是主流，磨削可以很好的保证淬火件的尺寸，尤其是精度要求体现的更好。就如轴类淬火件的加工工艺为车加工—热处理—磨削。但是随着淬火件的批量生产和更多的大型，复杂淬火件的出现，对于磨削来说，效率太低。大型淬火件热处理后变形量大，余量大，磨削每次只能小余量磨削，而且遇到复杂的淬火件时找不到相对应的磨床磨削。之后通过刀具行业的不断努力研究、实践，最终研制出了可实现以车代磨的车刀刀具材料。分别是硬质合金刀具，陶瓷刀具，立方氮化硼刀片。现在如加工轴类淬火件的加工工艺为粗加工—热处理—精加工。 以上三种刀具最先研制出的是硬质合金刀具，在现代还是机械制造厂的主流车刀刀具。之后是陶瓷刀具—立方氮化硼刀片。其中由于淬火件是经过热处
理后的工件，故硬度高，耐磨性好。选择刀具材料的同时需考虑刀具材料的刀体硬度，耐磨性和抗冲击性。以上三种刀具按硬度来说：立方氮化硼刀片＞陶瓷刀具＞硬质合金刀具，从韧性上来说：立方氮化硼刀片＞硬质合金刀具＞陶瓷刀具。可见加工淬火件立方氮化硼刀片是最有优势的。 二、什么情况下选择以车代磨工艺 虽说目前已实现以车代磨工艺，但车削并不是完全代替了磨削加工淬火件。如淬火件精度要求较高时可选择磨削方式，那什么情况下可选择以车代磨工艺，请看以下分析： (1)在数控机床上加工复杂的表面和几个复杂的表面，车削代替磨削工序可以减少1/3——2/3的劳动量，而且能保证很高的位置精度。 (2)形状复杂的内孔或小孔。如采用磨削，要求砂轮的形状也相应复杂，有的时候无法磨削，这时采用车削最为有利。 (3)一个零件几个表面(外圆、内孔、端面、阶台、沟槽)都需磨削，这时采用车削，一道工序即可完成，可减去磨削用的工装。 (4)零件淬火后易变形和留余量小时易造成废品，这时可留余量大一些，待淬火后，再用超硬刀具切除多余余量，再磨削，以减少因变形大而产生的废品，此时可以选择韧性好的立方氮化硼刀片（非金属粘合剂立方氮化硼刀片）进行大余量硬车削。
超硬刀具种类有哪些及特点【详细版】 随着现代工程材料加工在硬度方面的要求越来越高，刀具的硬度也越来越高了，更多的超硬刀具应用而生。超硬刀具主要应用于切削种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等，或切削各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂(焊)零件。不过，切割不同的材料会有不同的超硬刀具，所以了解清楚超硬刀具的分类是非常重要的。 (1) PCD金属切削刀具 刀具种类：以车刀为例，其它还有铣刀，铰刀，镗刀。 结构形式：此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀具。式PCD刀具同普通硬质合金焊接刀具结构形式是一样的。不同的是刃口材质不一样，几何参数不一样，加工对象不一样。可转位式PCD刀片是在硬质合金可转位刀片上焊接一小块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在与之对应的高精度刀杆上，进行高效，大批量加工。 随着数控机床、自动生产线的普及，可转位式PCD刀片的使用将越来越广泛，在一定条件下，其刀具耐用度较硬质合金刀具可提高几十倍至几百倍。 刀具几何参数：金刚石切削工具的几何参数一般其前角为0°-5°，后角为5°～12°，其端部有两种，一是圆弧，另一为直线，后者有时称为修光刃，其长度根据被加工材料来选择。圆弧车刀在切削过程中的调整比较简单，而平刃的调整相对而言是很费时的。如果应用在高精度的曲面加工中，圆弧的刃磨要求就很严格，它精度的优劣会复印在曲面上。 典型应用 有色金属的高速、高稳定性、低粗糙度加工及镜面加工采用PCD刀具加工有色金属时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲合力小，因此加工尺寸稳定性及表面质量都很好，刀具寿命也较长。 (2) PCD木工刀具 PCD木工刀具目前最主要的用途就是加工强化木地板。在加工强化木地板Al2O3耐磨层时，切削速度可达3,000m/min, ，进给量可达每分钟20米，且加工时噪音小， PCD刀具耐用度是硬质合金刀具的200倍以上，已完全取代硬质合金刀具。其它PCD木工刀具主要有PCD 锯片和PCD家具成形铣刀等。由于价格较贵或家具更新较快，国内应用不是很多。 (3)PCBN金属切削刀具 立方氮化硼(简称CBN) 虽然它的硬度稍逊于金刚石，但却是目前可用于加工硬化黑色金属的最硬的刀具材料。 以上就是超硬刀具的分类，超硬刀具材料种类繁多，尤其是金刚石，其种类较多。超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律与其他刀具材料不同，它们的硬度大大高于其他物质。
目录 1 先进刀具使用现状 (1) 1.1 刀具的材料 (1) 1.2 刀具涂层技术 (2) 1.3 立铣刀、丝锥、钻头等传统刀具进入高速切削发展阶段 (4) 1.4 可转位刀具的新进展 (4) 1.5 切削加工新的配套技术 (5) 2 先进刀具的发展趋势 (7) 2.1 数控切削技术的发展对刀具工业提出了更高的要求 (7) 2.2 刀具新技术、新结构、新品种的发展及趋势 (8) 2.3 与刀具相关新技术的发展 (10) 附录：参考文献 (12)
1 先进刀具使用现状 1.1 刀具的材料 当前，刀具材料进展的主要特点是：一方面硬质合金取代高速钢成为主要的刀具材料；另一方面超硬刀具材料使用比重大幅增加。 1.硬质合金基体方面 硬质合金新牌号的开发越来越具有很强的针对性,如美国Kennametal公司 仅针对不同被加工材料的车削加工牌号就有：加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615，新牌号比原牌号平均可提高切削效率15%～20%。山高公司推出的加工铸铁的TK1000、TK2000新牌号，可提高切削速度20%～30%，而该公司为加工钢件开发的TP3000在重切削、断续切削、大进给的应用中则有很好的可靠性。 铸铁和不锈钢是目前两种应用较多的工件材料，然而两者的可加工性有很大的差异，很多公司都开发出了加工这两种材料的专用牌号。如株洲钻石切削刀具股份有限公司开发的黑金刚刀片系列，是专门加工铸铁的硬质合金刀片，包括可干式高速加工灰铸铁的YBD052、可高速加工球墨铸铁的YBD102、可用于中高速或铣削的YBD152及适用中低速湿式铣削或断续条件下车削的YBD252等牌号。这些新牌号比原有的牌号可提高切削速度30%～40%，使用寿命可提高将近40%～50%。在加工不锈钢方面，瑞典Sandvik公司车削奥氏体不锈钢的GC2015是具有梯度区的抗塑性变形和改进热硬性的基体，加上专为此牌号而设计的 TiN-TiN/Al2O3(多层)-TiCN涂层，并对涂层表面进行平滑处理，提高了抗磨料磨损、抗剥落、抗积屑瘤的能力。而韩国KORLOY公司的PC9530为铣削不锈钢的牌号，采用超细颗粒的基体和PVD涂层。 2.在新牌号的开发中重视基体和涂层的优化组合 对于适合高速加工的牌号，其基体应有较高抗塑性变形的能力和富钴的表层及抗月牙磨损的涂层；对于适合断续切削的牌号，基体和涂层都要有较好的韧性。Sandvik公司车削铸铁的专用牌号GC3205、GC3210、GC3215为CVD涂层硬质合金，
金属切削原理 读书报告 《常用刀具材料分类、特点及应用》 姓名 学号 班级 学院 二○一五年五月
摘要 机械制造工业是制造业最重要的组成之一，它担负着向国民经济的各个部门提供机械装备的任务。我国现代化建设的发展速度在很大程度上要取决于机械制造工业的发展水平，因此，从这个意义上说，机械制造工业的发展水平是关系全局的。机械制造中的加工方法很多，其中材料去除加工精度较高、表面质量较好，有很强的加工适应性，是目前机械制造中应用最广泛的加工方法。材料去除加工时，刀具在工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削产生的金属塑性变形以及各部的摩擦，使刀具切削刃上产生很高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损。因此刀具材料性能应满足；高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、高的耐热性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性能和经济性等要求。常用的刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层刀具以及其他刀具材料包括陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。其中陶瓷材料和超硬刀具材料对常规刀具材料的竞争越来越激烈，且所占比重快速增长。随着上述刀具材料的发展，使车削加工的切削速度提高了100多倍，而且新刀具材料出现的周期也越来越短。但在较长时间内，各种刀具材料将仍是相互补充，相互竞争。 关键词：刀具材料性能，刀具材料分类，刀具材料特点，刀具材料应用
目录 引言 (3) 第一章绪论 (3) 1.1金属切削技术的发展概况 (3) 1.2金属切削材料的研究意义 (4) 第二章刀具材料性能 (4) 2.1刀具切削环境 (4) 2.2刀具材料性能要求 (4) 2.3刀具材料主要性能 (6) 第三章刀具材料分类 (7) 3.1高速钢 (7) 3.1.1 普通高速钢 (8) 3.1.2高性能高速钢 (8) 3.1.3粉末冶金高速钢 (9) 3.2硬质合金 (9) 3.2.1钨钴类硬质合金 (10) 3.2.2钨钛钴类硬质合金 (10) 3.2.3钨钛钽（铌）钴类硬质合金 (11) 3.2.4硬质合金的选用 (11) 3.3涂层刀具 (12) 3.4其它刀具材料 (13) 3.4.1陶瓷材料 (13) 3.4.2金刚石 (14) 3.4.3立方氮化硼（简称CBN） (15) 第四章刀具材料发展 (15) 参考文献 (16)
硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路 作者：佚名来源：不详发布时间：2008-11-21 23:35:38 发布人：admin 减小字体增大字体 材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔10年几乎提高一倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500～600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m/min，使切削加工生产率在不到100 年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。 常规刀具材料的基本性能 1) 高速钢 1898 年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢 至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7%～1.05%。高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达600℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40～60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。 2) 陶瓷 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的10～20倍，其红硬性比硬质合金高2～6倍，且化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：①氧化铝基陶瓷。通常是在Al2O3基体材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达93～95HRC，为提高韧性，常添加少量Co、Ni等金属。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为Si3N4+TiC+Co复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。③氮化硅—氧化铝复合陶瓷。又称为赛阿龙(Sialon)陶瓷，其化学成分为77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可达1800HV，抗弯强度可达1.20GPa，最适合切削高温合金和铸铁。 3) 金属陶瓷 金属陶瓷与由WC构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、M o等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度大于
金刚石刀具与超硬刀具的区别及优缺点 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 金刚石刀具优缺点 超硬刀具的优缺点 超硬材料具有优异的机械性能、物理性能和其他性能，其中有些性能很适合于刀具。 具有很高的硬度 天然金刚石的硬度达10000HV；CBN的硬度达7500HV。与其他硬物质相比，SiC硬 度为3000～3500HV，A12O3为2700HV，TiC为2900～3200HV，WC为2000HV， Si3N4为2700～3200HV；作为刀具材料用的硬质合金，其硬度仅为1100～1800HV。 具有很好的导热性 天然金刚石的热导率达2000W/m-1*K-1，CBN的热导率达1300W/m-1/K-1。紫铜 的导热性很好，其热导率仅为393W/m-1*K-1；纯铝为226W/m-1*K-1，故金刚石与CBN 的热导率分别是紫铜的5倍和3.5倍，是纯铝的8倍和5倍。硬质合金的热导率仅为35～ 75W/m-1*K-1。 具有很高的杨氏模量 天然金刚石的杨氏模量达1000GPa，CBN的杨氏模量在720GPa。而SiC、Al2O3、 WC、TiC的杨氏模量仅分别为390、350、650、330GPa。物质的杨氏模量大就是刚性好。
具有很小的热膨胀 天然金刚石的线膨胀系数为1×10-6/K，CBN的线膨胀系数为(2.1～2.3)×10-6/K。而硬质合金的线膨胀系数为(5～7)×10-6/K。 具有较小的密度 天然金刚石的密度为3.52g/cm3，CBN的密度为3.48g/cm3。与Al2O3、Si3N4的密度接近。 具有较低的断裂韧性 天然金刚石的断裂韧性为3.4MPa/m0.5,CBN与之接近。陶瓷刀具材料的断裂韧性在各种刀具材料中是属于较低者，然尚能达7～9MPa?m0.5。故金刚石与CBN性脆，是其弱点。 化学性质 CBN热稳定性好，在大气中达1300～1500℃不分解。对铁族元素呈惰性；在酸中不受渗蚀，在碱中约300℃时即受浸蚀；与过热的水蒸汽也能起作用。金刚石在常温下化学性质稳定；在氧气中约660℃开始石墨化，铁族元素特别是铁元素能催进石墨化；在酸、碱中都不受浸蚀。 电学性质 纯净的不含杂质的金刚石是绝缘体，室温下电阻率在1016Ω?cm以上。只有掺人了其他元素后，才显出半导体特性。同Si、Ce、As等半导体材料相比，金刚石具有非常宽的禁带，小的介电常数，高的载电子迁移率，大的电击穿强度，说明金刚石是一种性能优良的宽
金属切削原理读书报告 常用刀具材料分类特点及应用 姓名： 班级： 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、陶瓷、金刚石、立方碳化硼等刀具材料的特点及应用范围，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。
目录 摘要 (1) 1刀具材料的发展历史 ......................................................... 错误!未定义书签。 2 常用刀具材料及特点 ........................................................ 错误!未定义书签。 碳素工具钢 ................................................................... 错误!未定义书签。 合金工具钢 ................................................................... 错误!未定义书签。 高速钢 ........................................................................... 错误!未定义书签。 硬质合金 ....................................................................... 错误!未定义书签。 陶瓷 ............................................................................... 错误!未定义书签。 超硬材料 ....................................................................... 错误!未定义书签。 3 刀具材料的典型应用 ........................................................ 错误!未定义书签。 工件材料与刀具材料 ................................................... 错误!未定义书签。 加工条件与刀具材料 ................................................... 错误!未定义书签。 4 总结 .................................................................................... 错误!未定义书签。 5 参考文献 ............................................................................ 错误!未定义书签。
刀具行业的发展趋势 刀具行业是一个比较特殊的行业，肩负着为制造业提供关键装备---数控刀具的重任。制造业的水平往往受刀具行业整体水平的影响较大，而制造业的发展也会促进刀具行业的发展，两者可以说是相互促进相互制约。随着制造业的持续发展，刀具行业必将快速、稳步发展。根据制造业发展的需要，多功能复合刀具、智能刀具、高速高效刀具将成为时代的新宠。面对日益增多的难加工材料，刀具行业必须在改进原有的刀具材料、研发新的刀具材料及寻找更合理的刀具结构方面多下功夫，以解决制造业面临的越来越多的加工难题。2006年，刀具行业主要呈现以下七大发展趋势： 硬质合金材料增多 硬质合金材料依然是刀具材料中的主要成员，也是各国刀具制造厂商着力发展的刀具材料之一。目前，硬质合金材料的应用已有显著进展，细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发是进一步提高刀具使用可靠性的发展方向，纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料的涂层是提高刀具使用性能的发展方向，物理涂层的应用将会继续增多，纯陶瓷、金属陶瓷、氮化硅陶瓷、PCBN、PCD等刀具材料的韧性将得到进一步增强，可应用场合逐渐增多。 研发更具针对性 通用牌号、通用结构不再是刀具制造厂商研发的重点，面对复杂多变的应用场合和加工条件，针对性更强的刀片槽形结构、牌号及配套刀具将取代通用的槽形、牌号的刀片及刀具。这在提高加工效率、加工质量、降低切削成本方面将会收到显著效果。 切削技术快速发展 高速切削、硬切削、干切削继续快速发展。高速切削以其不同于传统速度切削的独特机理以及在提高加工效率、提高加工质量、减少切削变形、缩短加工周期方面的显著效果，在制造业的应用必将进一步增多，高速切削刀具的需求将进一步增多。硬切削是一种新的加工工艺，在提高加工效率、降低加工成本、减少设备资金投入方面的作用独树一帜，对传统的磨削工艺提出了挑战，"以切代磨"将成为发展趋势之一。干切削作为一种绿色制造工艺与湿式切削相比有许多优点，但也存在切削力增大、切削变形加剧、耐用度降低、工件加工质量不易保证等缺点，但是通过分析干切削的各种特定边界条件和影响干切削的各种因素，寻
浅谈数控刀具材料及选用 先进的加工设备与高性能的数控刀具相配合，才能充分发挥其应有的效能，取得良好的经济效益。随着刀具材料迅速发展，各种新型刀具材料，其物理、力学性能和切削加工性能都有了很大的提高，应用范围也不断扩大。 3．3．1 刀具材料应具备基本性能 刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本等的影响很大。刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用。因此，刀具材料应具备如下一些基本性能： (1) 硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC 以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 (2) 强度和韧性。刀具材料应具备较高的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动, 防止刀具脆性断裂和崩刃。 (3) 耐热性。刀具材料的耐热性要好，能承受高的切削温度，具备良好的抗氧化能力。 (4) 工艺性能和经济性。刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能；磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。 3．3．2 刀具材料的种类、性能、特点、应用 1．金刚石刀具材料的种类、性能和特点及刀具应用 金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。 ⑴ 金刚石刀具的种类 ①天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶 金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002卩m能实 现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。 ②PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石(PCD)，自20世纪70年代初，采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauine diamond ，简称PCD刀片研制成功以后，在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。PCD原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。 PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口，加工的工件表面质量也不如天然金刚石，现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金
刀具材料决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上；被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。 一刀具材料应具备的性能 性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。 1.高硬度和高耐磨性 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。 2.足够的强度与冲击韧性 强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。 冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。
3.高耐热性 耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。 4.良好的工艺性和经济性 为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。 二常用刀具材料 常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。 高速钢 高速钢是一种加了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。 高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。 普通高速钢，如W18Cr4V广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40-60m/min。