刀具材料的种类与性能

发布时间:2010-10-25
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刀具材料的演變是由碳鋼→合金工具鋼→高速鋼→鈷鉻鎢合金鋼→碳化物→被覆碳化物等為一連串漸近式的變化。這些刀具材料商業化的參考年限如表1示。目前用在切削加工的刀具材料以高速鋼、被覆高速鋼、碳化物、被覆碳化物、陶瓷/瓷金、鑽石/氮化硼等六大類為主幹,如表2示。

1. 碳鋼

製造刀具用碳鋼之含碳量為1.00~1.25%。唯有滲入少量之鎢、鉻、錳、矽等以增加硬度及軔性。高碳鋼須經淬火硬化使鋼中之碳成為硬脆之碳化鐵(Fe3C)。淬火溫度約15000ºF,投入油中或水中急冷之。但此時質脆,須再經過回火,使部分之碳化鐵結晶析出,再行急冷之。
高碳鋼主要的缺點是硬化深度淺,對回火的軟化抵抗小,切削耐久性低,高溫硬度亦低。其有效的切削溫度僅約400ºF,如切削溫度超過500ºF時即喪失硬度,不能做切削工作,故高碳鋼並無紅硬性。因此高碳鋼僅適於製造低速切削的刀具,如鑽頭、鉸刀、螺絲攻等。

2.合金工具鋼

合金工具鋼是碳鋼內添加鉻、鎢、鉬、釩、錳、矽等元素,以改良碳鋼的各種缺點。其所含特殊元素主要的作用為增加硬化能,析出特殊碳化物以增加耐磨耗性,增加回火時的軟化抵抗等。切削用合金工具鋼有鉻鋼、鉻-鎢鋼、鉻-鎢-釩鋼、鎳鋼等。
(1) 鉻鋼
鉻可增加硬化能,對回火軟化具有抵抗性,所以鉻鋼在高溫時也有相當高的硬度。銼刀可以用含1.3~1.5%C的高碳工具鋼製造,但是添加少量的鉻時可增加硬度及耐磨耗性,所以高級的銼刀採用高碳低鉻鋼製造。
(2) 鉻-鎢鋼及鉻-鎢-釩鋼
切削用合金鋼大多數採用鉻-鎢鋼。鎢容易生成特殊碳化物,可增加鋼的淬火硬度及高溫硬度,而使磨耗抵抗及切削性增大。因鎢對硬化能無影響,所以再添加鉻以增加硬化能。因此鉻-鎢鋼兼有兩種元素的改良效果。高碳鉻-鎢鋼用於製造螺絲攻、鑽頭、弓鋸鋸條、其他的切削工具等。
鎢-鉻-釩鋼含鉻及W量較少,而V的作用與W相同,故此種鋼的用途與鉻-鎢鋼大致相同。
(3) 鎳鋼
鎳可以增加鋼的強度和韌性。所以鎳鋼用於製造需要韌性的帶鋸或圓鋸鋸片。#p#副标题#e#

3. 高速鋼

高速鋼(HSS)係含有鎢、鉻、釦、釩、鈷等元素之合金鋼,約在2350ºF淬火,於油中或空氣中,可得硬度Rc64 ~65。然後把它在930~1110ºF回火,則產生鎢、釩的碳化物,可增加硬度到Rc66~67。高速鋼硬度比碳鋼為高,耐磨性佳,並能耐高溫,切削溫度至1000~1100ºF時不減低硬度,因此可增高切削速率及使用壽命。高速鋼自本世紀被發明後,實為機械工業一大改進,爾後鋼鐵業者不斷改進,目前已達接近完美狀態。由於使用目的不同,目前在市面上有兩大系― 鎢系及鉬系,三十餘種不同成份及性能之高速鋼。表3示高速鋼的種類。

(1) 鎢高速鋼
最先發明之18-4-1高速鋼(含18%鎢、4%鉻、1%釩),係鎢系的第一種,後再加入鉬及鈷,則更耐高溫及耐磨之特性。18-4-1高速鋼中加入鈷元素,則其回火軟化後可再增加硬度(謂之二次硬化或回火硬化),高溫硬度亦大,可做強力重切削。在工件、切削條件均相同的情況下,鈷含量愈多,其壽命愈長。
(2) 鉬高速鋼
以l%鉬代替3%鎢而獲得大約相同之耐磨效果,此為鉬系高速鋼。其主要優點是價格便宜,切削速度雖不能高過鎢系含鈷高速鋼,但非高速切削之刀具,如鑽頭、螺絲攻、鉸刀等多採用鉬系高速鋼。雖然目前燒結碳化物已大量的應用於刀具上,但高速鋼具有容易加工及韌性特強之特性,故仍能在市面上被大量的使用。尤其近年來研究粉末冶金術之成功與進步,使高速鋼的性能有極大的改進:

1. 改進磨製困難而不損及刀具耐磨性。
2. 增進韌性而不降低硬度,反可增加Rc0.5~1 。
3. 增進均勻性。
4. 用粉末冶金法製造之高速鋼硬度可達Rc70,可說將近極致。

4. 非鐵鑄合金/鈷路鎢合金

非鐵鑄合金又稱鈷鉻鎢合金,其主要成分為鈷、鉻、鎢與少量的銅、矽、錳等及0.5~3%之碳。常見者有二種:A為Cr25% ,CO65% ,W10%。B為Cr15%、Co60%、W25%。
鈷鉻鎢合金最顯著之特性是切削溫度達1500ºF時不減低硬度,並能保持刀刃之完整,對空氣及化學之侵蝕有堅強的抵抗力,故切削速率比高速鋼較高。刀片的形狀不能鍛製,僅能先予鑄成接近需要的尺寸,再輪磨所需之形狀。其表面硬度為Rc55~65,不必淬火即可使用,若急冷反而不良。因此儘可能減少輪磨,以免減低硬度。

5. 燒結碳化物

燒結碳化物(Cemented carbide/Sinter carbide)亦稱超硬合金是鎢粉末與純碳混合加熱至1470~1830ºF,使鎢被碳飽和成為碳化鎢(WC),再將碳化鎢粉末與低熔點金屬為結合劑混合於模型內,約以1500kg/cm2加壓成形,再經加熱2550~2730ºF,使碳化鎢粉末分子與結合劑粉末分子相互吸引黏著成為WC-CO系合金。此種高溫結合並非將金屬熔化,而是將金屬粉末「燒凝」的方法稱為燒結法或粉末冶金術,其形成物稱為燒結金屬。
鐵族材料(Co、Ni、Fe)為碳化鎢及其他高溫碳化物(如TIC)之結合時相當有效的結合劑。在室溫時WC溶解於C。的溶解度很低(~1% ) ,而溶解於Ni和Fe的溶解度很高(分別為25%和5%)。若碳化物溶解於結合劑的溶解度愈高,燒結後的碳化物會愈脆。因此CO被廣泛地用於碳化鎢之結合劑的主要原因即是WC溶解於CO的溶解度很低。碳化物之C。含量越少,材質就越硬、越脆;鈷含量多,材質就軟、韌性增大。因此含鈷量較高之碳化物刀具常用於粗切削以快速切除工件材料。
燒結碳化物自1926年德國的第一代WIDIA 產品商業化後,幾乎獨佔了刀具世界市場,其主要原因是它具有較高之耐熱性、較高之硬度、較長之使用壽命,唯其韌性較差。
燒結碳化物之級別國際問有不同之標準,其中ISO標準雖為大家所公認。但各先進國家均有其本國規格,而各製造廠商又有其自創之形式編號。每家刀具廠商均提供詳盡的刀具選擇推薦表,使用者先按推薦表選擇適用刀具,經使用一段時問後,運用自己的經驗,再選符合本身機器及工件等條件的刀具。

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