刀具金属材料性质

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金属切削刀具材料的选择

为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。
材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。
机械性能 机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。
1.强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。
2.屈服点（бs）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。
3.抗拉强度（бb）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。
4.延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。
5.断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。
6.硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度（HKA、HKB、HRC）
7.冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2（J/cm2）.
工艺性能
指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。
8.铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。
9.焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。
10.顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。
11.冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度 α （外角）或弯心直径 d 对材料厚度 a 的比值表示， a 愈大或 d/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。
12.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。
13.锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。
化学性能
指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。
14.耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。
15.抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。
剪刀材料是决定修剪性能的根本因素，对于修剪效率、修剪质量以及剪的耐用度影响很大。
性能优良的剪刀材料，是保证剪刀高效工作的基本条件。剪刀刀片部分在强烈摩擦、修剪的工作下，为了能使剪刀获得良好的机械性能、工艺性能、化学性能，剪刀材料应具备的条件：
1.硬度和高耐磨性
剪刀材料必须具有一定的硬度，这是剪刀材料必备的基本要求，现有剪刀材 料硬度一般在60HRC以上。剪刀材料越硬，其耐磨性越好，但由于工作条件较 复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分合金相组织的稳定性。
2.足够的强度与冲击韧性
强度是指材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力，抵抗剪切力的作用而不致于刀刃崩碎所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。
冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷的能力.剪刀材料在剪切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，也是剪刀、刀具材料所应克服的一个关键。
3.良好的工艺性和经济性
为了便于制造，剪刀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剪刀材料费用都较贵，但其使用寿命很长，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。
常用刀具材料有碳素钢、铝合金钢、涂层钢和特殊材料，目前用得最多的为2Cr13不锈钢刀片。
1.碳素钢（高碳钢）
碳素钢指：含碳量小于1.35％，除铁、碳和限量以内的硅 、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。 适用于公称压力≤32.0MPa，温度为-30-425℃的水、蒸汽、空气、氢、氨、氮及石油制品等介质。常用牌号有WC1、WCB、ZG25及优质钢20、25、30及低合金结构钢16Mn。
按含碳量分为低碳钢(碳含量为0.04％～0.25％) 、中碳钢（碳含量为0.25％～0.6％）、高碳钢（碳含量为0.6％～1.35％）。用于制造刀具、量具、模具等，一般属高碳钢。
2.铝合金钢
以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元
素有镍、铁、钛、铬、锂等。
⑴.密度小：铝的密度为2.7约为铜（8.9）或钢（7.8）的1/3。对于密度小航天航空器、船舶、车辆等交通工具及建筑物的轻量化非常有益，同时也可以节省搬动费和加工费，减轻成本，在工业、建筑业、民用等各领域的应用越广泛;
⑵.良好的耐腐蚀性、耐候性：铝及铝合金在大气中能够形成一层硬而且致密，具有良好抗腐蚀性能的氧化膜，通过阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂等表面处理，可进一步提高铝材的抗腐蚀性;
⑶.良好的装饰性：铝合金具有良好的可塑性，可加工各种规格、形成的产品，通过表面处理可生成不同性质，不同颜色的膜层，具有良好的装饰性；
⑷.良好的导热性：铝的导热率很高，在金属中仅次于银、金、铜，是铁的3倍，同等重量的铝是铁的12倍，因此，铝合金是制造散热器、取暖器的良好材料。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。
3.涂层钢
涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具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。常用的涂层材料有Tic、Tin和Al2O3
等。本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(Tic)，1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，1981年又出现了碳化钛—氧化铝—氮化钴三涂层硬质合金。
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，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍。硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9um，表面硬度可达2500—4200HV。目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方面发展非常迅速，处于领先地位的瑞典。
4.金刚石刀具
金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数c但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)。随着高技术和超精密加工日益发展。例如微型机械的微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺，计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件的加工，单晶天然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术．使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易。
20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70年代制造出金刚石基的刀具即聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒呈无顺序排列状态．不具方向性，因而硬度均匀。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。它可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。
三种主要金刚石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为：PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差，人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。
5.立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉。由于CBN的烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或Tin、Tic或Al2O3)在高温高压下烧结而成。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度)，优良的化学稳定性(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。
6.2Cr13
2Cr13的一些参数：标准：GB/T 1220-1992
淬火状态下硬度高，耐蚀性良好。用作汽轮机叶片。
化学成份：
　　碳 C ：0.16～0.25
　　硅 Si：≤1.00
　　锰 Mn：≤1.00
　　硫 S ：≤0.030
　　磷 P ：≤0.035
　　铬 Cr：12.00～14.00
镍 Ni：允许含有≤0.60
力学性能：
　　抗拉强度 σb (MPa)：淬火回火,≥635
　　条件屈服强度 σ0.2 (MPa)：淬火回火,≥440
　　伸长率 δ5 (％)：淬火回火,≥20
　　断面收缩率 ψ (％)：淬火回火,≥50
　　冲击功 Akv (J)：淬火回火,≥63
　　硬度 ：退火,≤223HB;淬火回火,≥192HB
热处理规范及金相组织：
热处理规范：1)退火,800～900℃缓冷或约750℃快冷;2)淬火,920～980℃油冷;3)回火,600～750℃快冷。
金相组织：组织特征为马氏体型。
以上的材料都可以用于折叠式桌椅的设计，但设计时应从机械性能、化学性能、工艺加工性能、经济性能等因素的综合考虑，选择最优材料。

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