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  • 一文看懂刀具材料和工件材料的分類及適用性匹配


    工業制造機加工領域,對于刀具的定義是:從被加工工件上去除材料的工具。廣義上,刀具是指具有切削、切割、拋磨等去除、割離材料功能的所有工具;狹義上,刀具一般指切削工具。 由于刀具的主要作用是去除材料,所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。國標對于硬質合金刀具的被加工對象,按刀具適用的工件材質分類代號主要有P、M、K、N、S、H六類。

    工業制造機加工領域,對于刀具的定義是:從被加工工件上去除材料的工具。廣義上,刀具是指具有切削、切割、拋磨等去除、割離材料功能的所有工具;狹義上,刀具一般指切削工具。

    由于刀具的主要作用是去除材料,所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度應在HRC60以上,目前市場上主流刀具的基體材質和硬度(從低到高排序)如下:合金鋼(HRC 65);高速鋼(HRC 63~70);硬質合金(HRA 89~93);陶瓷,如TiCN基金屬陶瓷(HRA 91~94);聚晶立方氮化硼PCBN(HV4000);聚晶金剛石PCD(HV7500)。其中,硬質合金是目前主流刀具材料。硬質合金可分為碳化鎢基硬質合金和碳(氮)化鈦(TiC(N))基硬質合金。碳化鎢基硬質合金包括鎢鈷(WC-Co)類(YG)、鎢鈷鈦(WC-TiC-Co)類(YT)、添加其它稀有碳化物(WC-TaC/NbC-Co)類(YW)三類,其主要成分為碳化鎢(WC)、另外可添加碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)等,常用的金屬粘接相是Co。碳(氮)化鈦基硬質合金是以碳化鈦TiC為主要成分(有些加入了其他碳化物或氮化物)的硬質合金,常用的金屬粘接相是鉬Mo和鎳Ni。

    國標對于硬質合金刀具的被加工對象,按刀具適用的工件材質分類代號主要有P、M、K、N、S、H六類,具體解釋如下:

    P類:泛指鋼件,含碳鋼、合金鋼、鑄鋼,包含0.25-0.25%C淬火和調質碳鋼,易切鋼(含退火與淬火調質),低碳合金鋼(合金元素少于5%的范圍),高碳合金鋼、鑄鋼及工具鋼(含退火及淬火調質系列)。

    M類:泛指不銹鋼、鑄鋼,不銹鋼采用鐵素體/馬氏體,鑄鋼采用馬氏體、奧氏體。

    K類:泛指鑄鐵,有鐵素體,珠光體的灰口鑄鐵,球墨鑄鐵,珠光體、鐵素體可鍛造鑄鐵。

    N類:泛指非鐵類有色金屬鋁、鎂、銅及其合金,未固化鋁,精練鋁合金,鑄造鋁合金,銅及銅合金,紫銅,黃銅,電解銅類。

    S類:泛指耐熱合金等難加工材料,含耐熱不銹鋼,鎳基、鐵基、鈷基高溫合金或稱超級合金;鈦基,鈦合金類,其它含有鎢、鉬、錸、鋯、鉿、釩、鎳、鈷、鈦等稀有難熔元素的合金或難加工材料。

    H類:泛指硬材,含淬硬硬化鋼,鑄造冷硬鑄鐵,淬硬鑄鐵等。

    那么刀具材料與被加工材料該怎樣匹配?怎樣根據工件材質和切削條件準確選擇刀具材料?我們可以從以下三個方面的評估和判斷入手,來選擇匹配刀具材料和工件材料:力學性能、物理性能、化學性能。

     

     

    圖:普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比


    一、刀具材料與工件材料的力學性能匹配

    力學性能主要指的是刀具和工件的強度、韌性及硬度等參數。各種刀具材料按照抗彎強度由強到弱的順序排列,依次為:高速鋼>硬質合金>陶瓷刀具>金剛石和立方氮化硼刀具;按照韌性從高到低順序排列,依次為高速鋼>硬質合金>立方氮化硼、金剛石和陶瓷刀具;按照硬度由高到低順序排列,依次為金剛石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬質合金>高速鋼。

    由于力學性能存在差異,刀具才能適應各種不同工件材料的加工需求。刀具的硬度必須要高于它要加工的工件硬度,因此高硬度的工件材料,必須要用更高硬度的刀具才能進行加工。通常,刀具材料的硬度越高,其耐磨性也就越好,但是強度和韌性一般不會與硬度(即耐磨性)同時表現高優,就如魚和熊掌不可兼得的關系。高強度和高韌性的刀具,硬度(耐磨性)通常較低,一般被安排用于粗加工和半精加工,如高速鋼和鈷含量高的硬質合金刀具;而高硬度(高耐磨性)的刀具,強度和韌性相對較低,一般被用于精加工和高精密加工,如低鈷含量硬質合金、立方氮化硼、金剛石和陶瓷刀具。

     

    圖:刀具材料硬度與韌性的關系


    另外,同時在強度、韌性、硬度方面表現都優秀,具備強大綜合高溫力學性能的刀具,特別是近幾年來,刀具業界科研人員創新性地在硬質合金材料中添加了超級合金(也叫高溫合金)中的關鍵耐高溫組元,不僅具有超強抗塑性變形能力,超強的抗沖擊性能,還兼具更高紅硬性的超級硬質合金材質刀具,是M類(不銹鋼:不銹鋼、鑄鋼)和S類(難加工材料:高速鋼、特殊合金鋼、耐熱不銹鋼、高溫合金、難熔合金)工件粗、半精、精加工的常用刀具,其切削質量和使用壽命可比普通硬質合金刀具提高一倍以上。

    而具有優良的高溫力學性能(特指紅硬性),在高速切削下有很好的紅硬性和抗月牙洼磨損能力的刀具,則是高速切削的絕佳之選,如TiCN基金屬陶瓷刀具就具有上述優點,能夠以很高的速度進行切削,其允許的切削速度可以比硬質合金刀具高2到10倍,適合P、M、K類(鋼、不銹鋼、鑄鐵)材質工件的高速精加工、半精加工。

    二、刀具材料與工件的物理性能匹配

    里所說的物理性能主要是指材料的彈性模量、熔點、導熱性、導熱系數、熱膨脹系數、抗熱沖擊性能等參數。刀具的導熱性應該跟工件形成互補,當加工導熱性不好的工件時,一定要使用強導熱性的刀具,這樣才能將切削熱及時地導出,維持刀具和工件的尺寸精度。各種刀具材料按照耐熱性由高到低的順序排列,依次為:立方氮化硼>陶瓷>碳化鈦基硬質合金>碳化鎢基硬質合金>金剛石和高速鋼;按照導熱性由高到低的順序排列,依次為:聚晶金剛石PCD>聚晶立方氮化硼PCBN>碳化鎢基硬質合金>碳化鈦基硬質合金>高速鋼>氮化硅基陶瓷和氧化鋁基陶瓷;按照熱膨脹系數由大到小的順序排列,依次為:高速鋼>碳化鎢基硬質合金>碳化鈦基硬質合金>氧化鋁基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>氮化硅基陶瓷和聚晶金剛石PCD;按照抗熱震性由強到弱的順序排列,依次為:高速鋼>碳化鎢基硬質合金>氮化硅基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>聚晶金剛石PCD>碳化鈦基硬質合金和氧化鋁基陶瓷。

    三、刀具材料與工件的化學性能匹配

    學性能匹配包括刀具與工件是否具有化學親和性,能否發生化學反應、擴散、粘黏和溶解等現象。如果發生了這些現象,說明刀具材料與工件材料不匹配。

    各種刀具材料按照與鋼的抗粘接溫度由高到低的順序排列,依次為:聚晶金剛石PCD>聚晶立方氮化硼PCBN>陶瓷>硬質合金>高速鋼;按照抗氧化溫度由高到低的順序排列依次為:陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>硬質合金>聚晶金剛石PCD>高速鋼;按照對鋼鐵的擴散強度由大到小的順序排列,依次為:聚晶金剛石PCD>氮化硅基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN和氧化鋁基陶瓷;按照對鈦擴散強度由大到小的順序排列,依次為:氧化鋁基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>氮化硅基陶瓷和金剛石PCD。

    圖:各類刀具材料的主要性能比較


    具體選擇匹配刀具材質和被加工材質,有幾條黃金法則非常管用:

    第一條:通常刀具材料的硬度必須高于工件材料硬度。所謂一物降一物,刀具硬度比工件高,才能降得住伏地魔。

    第二條:刀具材料的導熱性應該跟工件形成互補。當加工導熱性不好的工件時,一定要使用強導熱性的刀具。例如金剛石的導熱系數為硬質合金的1.5~9倍,銅的2~6倍,由于導熱系數及熱擴散率高,切削熱容易散出,故刀具切削部分溫度低,適合加工非鐵金屬、木工木質、硬質合金、陶瓷、石材、玻璃纖維、硬質橡膠、塑料、石墨等。

    第三條:刀具材料的熱膨脹系數和加工精度成反比例匹配關系。例如金剛石的熱膨脹系數相對最小,約為高速鋼的1/10,因此金剛石刀具不會產生很大的熱變形,對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說非常適合。

    第四條:導熱性和耐熱性皆優良的刀具材料,更適合高速切削低導熱性及高硬度工件材料。其原因是切削熱易使刀尖發生熱破損和磨損,如刀具導熱性和耐熱性不好,會降低工件加工表面質量和尺寸精度,也會降低刀具加工效率和使用壽命。

    圖:刀具材料發展與切削加工高速化的關系

    最后透露一下當前選用刀具的熱門方向:根據以上分析判斷準則,不難看出,碳化鎢基硬質合金作為占據現有刀具市場高達七成的主流材料,其各類性能指標的綜合性優勢、平衡能力及出色的性價比是所有材料中表現最突出的。尤值一提的是,目前市場上硬質合金材料往高強度、高硬度、高溫化三大方向協同發展的趨勢十分明顯,基于這個發展目標,硬質合金材料圈已逐漸形成兩大技術派別:一是碳化物硬質相往超細、納米晶粒方向,如超細晶粒硬質合金、納米硬質合金;二是鈷粘接相往添加超級合金中的高溫組元微量元素,不斷優化和改良高溫強度韌性的方向,如由湖南錸因集團旗下子公司,株洲錸因材料技術有限公司發起和主導開發的金剛精工“超級硬質合金”系列產品。從各廠家生產技術實踐反饋信息來看,后者技術派別(超級硬質合金派)具有研發成本低、生產工藝成本較低、操作方便、材質性能提升明顯、經濟性佳等綜合優勢,是切削加工S類難加工材料和M類不銹鋼材料的刀具材料不二選擇。


     

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