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切削加工中的刀具材料类型

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  目前在切削加工中,常用刀具材料有高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料,其中超硬材料刀具包括人造金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)等。

  高速钢(HSS)是加入了钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。热处理后硬度较小,为62-67HRC,不能切削淬硬钢和冷硬铸铁硬度高的材料。耐热性方面,仅能承受最高550-600℃切削温度,故不能进行高速切削。但高速钢在强度、韧性、热硬性、工艺性等方面性能较好,如其抗弯强度是硬质合金的2-3陶瓷材料的5-6倍。

  硬质合金是用粉末冶金的方法制成,硬度高HRA89-93,可承受850-1000℃的高温,切削速度可达100-300m/min,耐磨性是高速钢的几倍甚至几十倍,刀具抗弯强度、冲击韧性、工艺性不如高速钢。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。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70%。

  陶瓷是上世纪80年代取得突破性进展的刀具材料。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。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。但陶瓷的最大弱点是抗弯强度低,冲击韧度差,因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工。

  聚晶金刚石(PCD),它是金刚石微粉与金属结合剂均匀混合、在高温高压下烧结而成;它有很高的硬度和导热性、低的热胀系数、高的弹性模量和较低的摩擦系数,刀刃非常锋利。由于碳对铁的亲和作用,特别是在高温下,金刚石能与铁发生化学反应,故金刚石刀具不宜于切削铁及其合金工件,它是目前高速切削铝合金较理想的刀具材料,切削速度可达到2500-5000m/min。

  立方氮化硼(CBN)是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的超硬材料。由于CBN的烧结性能差,70年代制成聚晶立方氮化硼PCBN。CBN是氮化硼的致密相,有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300℃、1500℃),切削速度是硬质合金刀具的4-6倍,具有优良的化学稳定性(远优于金刚石)和导热性,低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低,所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。

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