四大材料刀具的性能与选择( 二 ) _小知识

【四大材料刀具的性能与选择】R=λσb(1-µ)/Eα
式中：λ——导热系数；
σb——抗拉强度；
µ——泊松比；
E——弹性模量；
α——热膨胀系数。
导热系数大，使热量容易散走，降低刀具表面的温度梯度；热膨胀系数小，可减少热变形；弹性模量小，可以降低因热变形而产生的交变应力的幅度；有利于材料耐热冲击性能的提高。
耐热冲击性能好的刀具材料，在切削加工时可以使用切削液。
1.5 良好的工艺性能
为了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等。
1.6 经济性
经济性是刀具材料的重要指标之一，优质刀具材料虽然单件刀具成本很高，但因其使用寿命长，分摊到每个零件的成本则不一定很高。因此在选用刀具材料时要综合考虑其经济效果。
2 刀具材料
2.1 高速钢
高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的强度和韧性，并且具有一定的硬度和耐磨性。适合各类刀具的要求。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，因此尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢刀具在金属切削中仍占较大的比例。可以加工有色金属和高温合金。由于高速钢具有以上性能，活塞加工中的铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀、钻油孔用钻头等刀具都为高速钢材料。
2.2 硬质合金
硬质合金是由难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(如Co、Ni等)粉末经粉末冶金的方法制成。
由于硬质合金中都含有大量的金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金材料的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89～93HRA ，比高速钢的硬度(83～86.6HRA)高，在800～1000℃时尚能进行切削。在540℃时，硬质合金的硬度为82～87HRA ，在760℃时，硬度仍能保持77～85HRA 。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可提高4～10倍。
目前我公司使用的硬质合金刀具主要是YG类(WC-TiC-Co)中的YG6和YGX 。YT类(WC-TiC-Co)中的YT15等硬质合金用于活塞粗加工、半精加工和部分精加工工序。
2.3 金刚石
金刚石是目前已知矿物材料中硬度最高、热传导性最好的物质，与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的1/50～1/800 ，是制作切削刀具最理想的材料。然而，天然单晶金刚石仅用于制作首饰及某些有色金属的超精密加工。刀具用人造大颗粒单晶金刚石尽管目前De Beers公司、住友电工等均已工业化生产，但还没有进入大量应用阶段。
金刚石刀具的切削刃非常锋利(这对切下极小断面的切屑是很重要的) ，刃部粗糙度很小，摩擦系数又低，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量高。加工有色金属时，表面粗糙度可达到Ra0.012µm ，加工精度可达到IT5级以上。
金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具、金刚石复合刀具。天然金刚石刀具由于成本较高等原因，在实际生产中应用较少。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上经过高温、高压等先进工艺烧结一层约0.5～1µm厚的金刚石，这种材料是以硬质合金做基体，其机械性能、热传导性和膨胀系数都近似于硬质合金，基体上的人造多晶金刚石磨料中的金刚石晶体呈不规则排列，其硬度和耐磨性在各个方向都是均匀的。
聚晶金刚石(简称PCD)是由经过筛选的人造金刚石微晶体在高温高压下烧结而成。在烧结过程中，由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等为主要成分的结合桥。金刚石晶体以共价键的结合形成牢固地嵌于结构桥构成的坚强骨架中，使PCD的强度和韧性都大大提高，其硬度约为9000HV ，抗弯强度为O.21～0.48GPa ，导热系数为20.9J/cm·sµ℃ ，热膨胀系数为3.1×10-6/℃ 。现在使用的聚晶金刚石刀具大多是PCD与硬质合金基体烧结形成的复合体，即在硬质合金基体上烧结上一层PCD 。PCD的厚度一般为0.5mm和0.8mm ，由于底层为硬质合金，焊接方便；又由于PCD结合桥的导电性，使得PCD便于切割加工成各种形状，制成各种刀具，成本远远低于天然金刚石。