工具钢的选择,特别是在专业工具厂,几大类主要切削工具的常用工具钢的牌号已经基本定型,似乎不存在选择工具钢牌号的问题,但是作为材料和热处理工作者,应该明白为什么要做这样的选择,即明白选择的依据。同时,也会有一些非常规的特殊的订货,工具的切削条件可能有些特殊情况,这时可能采用常规用钢解决不了问题,必须要针对用户的特殊条件进行材料的选择,这就要求材料热处理工作者必须掌握工具选材的基本依据。对某些机械厂自制的特殊工具,可能有很多非常规的切削条件和技术要求,这时选择工具钢更有必要结合工具的实际使用条件,依据工具选材的基本要求做出最佳的选择,以便用尽量低的成本制造出寿命高的工具。
工具钢的选择应根据该种工具对材料的基本性能和工艺性能的要求,针对哪些牌号的工具钢可以满足这些性能要求,来从中选择。同一种工具可能有很多牌号的钢可以满足要求,但必须考虑工具的寿命,制造工具时的生产率和制造的难易,以及制造成本的高低等因素来综合考虑。
不同种类的工具对材料性能的要求有所不同。各种工具由于切削时的情况不同(连续切削还是断续切削,高速切削还是低速切削,重切削还是轻切削),对材料的性能要求有所不同。同时,被切削材料的硬度、可加工性,切削时是否带有冲击或切削时是否采用切削液等诸多条件,对工具材料的选择也有很大影响。
被切削材料的影响比较复杂,材料的合金元素含量影响材料的断面收缩率和热导率,因此合金工具钢比碳素工具钢难加工。切削高硬度的材料和切削低硬度的软材料所用的工具材料有所不同。
对切削工具的材料性能要求主要是对耐磨性、韧性和热硬性的要求。各种切削工具的切削方式和性能要求见表1-8。该表根据某种性能对此类工具重要性程度的不同进行了排序。
表 1-8 各种切削工具的切削方式和性能要求
(续)
表1-8中有几种切削工具的情况比较典型。例如:铰刀属于低速、连续、轻切削工具,耐磨性排在第1位;铣刀、滚刀属于高速、连续、重切削工具,因此耐磨性排在第1位;丝锥属于低速、连续、轻切削工具,对韧性的要求排在第1位;剃齿刀属于高速、连续、轻切削类型工具,因此耐磨性和韧性排在第1位。
同样一种工具可能因切削条件的差别而对性能的要求有所不同。例如:粗加工用的车刀由于是高速切削,切削用量较大,通常要求很高的热硬性;而精加工用的车刀由于切削用量较小,热硬性要求稍低,而对耐磨性的要求较高。
同样,也要考虑工具制造的生产率和制造的难易。例如:为提高生产率而采用热轧成形法制造钻头,要求材料必须具备很高的热塑性;齿轮滚刀和剃齿刀热处理后需要磨削加工,其材料必须具备良好的可磨削性。
在选材时还要考虑生产成本。例如:不要求热硬性的某些低速切削工具选用高速钢来制造,虽然可能有更高的切削性能,但是由于会大大增加生产成本,因而一般不选用高速钢,而选用成本较低的碳素工具钢或合金工具钢;同样,热硬性要求不是很高的切削工具,选用普通高速钢就够了,一般不选用W2Mo9Cr4VCo8(M42)一类的含钴高速钢制造,因为这时含钴的M42高速钢也发挥不了热硬性好的优势,只能增加工具的制造成本。
低合金高速钢用作高速钢的代用品,用来制造某些不太重要的工具,其目的是降低工具的制造成本,因为低合金高速钢的合金元素含量比正常的高速钢低,价格比较便宜。
粉末高速钢最大特点是碳化物的颗粒细小均匀,与冶炼高速钢相比可以在钢中加入更多的碳、钒等合金元素,得到性能更高的高速钢。粉末高速钢的可磨削性好,更适于制造形状复杂的齿轮刀具,特别需要的情况也可选用合金元素含量更高的粉末高速钢。
表1-8所列是国外提出的各种工具对材料性能的主要要求,现在国内专业工具厂的工具钢大体上符合表1-8对材料的性能的要求。但是仅仅根据工具的种类选择工具钢是不够的,同一种工具由于各种情况的不同,也会对工具钢的选择产生重要影响。
1.工具的规格大小
即使同一类切削工具由于规格大小的不同,对材料的要求也可能有所不同。例如:直径0.5mm的钻头和直径50mm钻头的切削情况差异很大,小规格的钻头在切削时产生折断的情况比较普遍,因此对材料的韧性和强度的要求非常高,对热硬性的要求不太高;大规格的钻头除要求较高韧性外,对耐磨性和热硬性的要求也很高。
2.切削时是否有切削液
在充分冷却的情况下切削和在没有冷却的情况下切削,对工具的热硬性的要求会有很大的差别。在干切削的情况下,可能原来对热硬性要求不高的切削工具,这时对热硬性的要求可能上升到第1位;而在有切削液充分冷却的情况下,对材料的热硬性的要求会降低一些。
3.切削时是否有冲击
在切削时机床的刚性情况如何,是否有明显振动;被切削工件表面是否平整;被切削材料硬度是否均匀,是否有硬点等情况都会影响到切削时是否有会产生冲击。如果切削时产生较大的冲击,即使原本对韧性要求不高的工具,此时对韧性的要求很可能上升到第1位。
4.被切削材料的可加工性
即使是同一种工具在切削不同种类的材料或切削同一种类但不同硬度的材料时,特别是切削含有大量的合金元素的难加工材料时,选择的工具钢会有所不同,有时甚至有可能需要选择高性能的高速钢。
工具使用者使用的工具有两种:一种是外购工具,由专业工具厂生产;另一种是自制工具,由本厂的工具车间生产。外购工具的用钢是由专业工具厂选择的,专业工具厂生产的工具是供给广大用户普遍使用的,一般来说不太可能针对个别用户的实际使用情况来选择材料。
机械制造厂使用本厂生产的自制工具,更有条件进行合理选材。首先应该详细了解本厂工具使用情况:所要制造的工具的种类、规格,以及被切削材料的种类、硬度和切削时是否有较强烈的冲击、切削时是否有切削液等。根据这些具体条件来选择最佳的工具钢牌号,工具制成后,应该对成品工具反复进行现场切削试验,以便选择出切削性能最好、生产成本较低的工具材料。
在国内专业工具厂,锉刀、手用锯条和切削有色金属和胶木板等材料的金属带锯等通常多用T10和T12钢制造。机用锯条和切削钢材的金属带锯用高速钢制造。木工用的圆锯、手锯和錾子等多用T8和T10钢制造。木工用的铣刀、钻头、刨刀和切刀常用T8和T10钢制造,切削速度较高时,也采用高速钢制造。手用丝锥、板牙、铰刀常用9SiCr、GCr15、GCr6或T12A钢制造。要求耐磨性高的圆板牙在国外也有采用高速钢制造的。机用丝锥采用高速钢制造。滚丝轮和搓丝板要求较高的耐磨性,尺寸较大,多采用Cr12MoV钢制造。
机床上用的金属切削工具,如各种铣刀、钻头、铰刀等一般采用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、W9Mo3Cr4等通用高速钢制造。滚刀、插齿刀、剃齿刀等齿轮刀具根据加工的材料不同和切削速度的高低一般多采用通用高速钢W6Mo5Cr4V2制造,也有采用W6Mo5Cr4V2Co5(M36)、W2Mo8Cr4V2Co8(M42)等高性能高速钢制造。有时也采用Asp23和Asp30等牌号粉末高速钢制造。车刀一般采用通用高速钢W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V制造;要求性能较高时采用耐磨性高的高速钢来制造,如采用W12Cr4V5Co5(T15)、W6Mo5Cr4V3(M3)和W6Mo5Cr4V2Al(M2Al)制造,可以得到较高的使用寿命。