刀具材质与镀层课件

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,*,刀具材質,&,鍍層,、,刀具材質,-,近代機製生產能力不斷的大幅提高，尤其在大量生產的工作要求下，從事於大量且高速的切削工作。為發揮高性能工作母機應有之生產工作效能，則切削刀具尤須密切的配合。為了發揮刀具之切削能力，故刀具材料需有顯著之進展與改良，目前使用之各種刀具材料均有其特性以適應各種不同加工的要求。一般刀具材料必須具備的性能為生產製造費用須最低、具有高溫之抵抗軟化的能力、低的摩擦係數、較高的抵抗磨耗性質，導熱性良好、充分的韌性以及耐衝擊性等等，一般使用的刀具材料有下列幾種：,高速鋼,、,燒結式碳化物,Carbides,、,瓷金工具,Cermet,陶瓷刀具,Ceramics,、,CBN,刀具,、,鍍層,-,由於工程材料不斷持續的發展，在,1960,年之後，陸續開發出新一代的合金材料。這些新材料不僅有高強度，而且具有高磨損性甚至有極高的化學性質，在切削時會與切削刀具產生化學作用造成侵蝕現象。除此之外，在時間及成本降低的要求下，高速切削正逐漸被人們廣泛的接受。因此以往的刀具材料已不敷人們的需求。在因應如此嚴格的需求下，發展出刀具材料再加上鍍層保護。具有鍍層保護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的,10,倍，常見的刀具鍍層有下列幾種：,uncoated,未鍍層,、,TiN,氮化鈦,、,TiCN,氮碳化鈦,TiAlN,氮鋁鈦,、Al,2,O,3,氧化鋁,刀具材料,&,鍍層與加工時間,碳鋼,Carbon Steel,高速鋼,HSS,鑄造合金,Cast cobalt-base alloys,超硬合金,Cemented Carbides,新超硬合金,Improved Carbide Grades,鍍層,First coated Grades,雙鍍層,First double-coated Grades,複合鍍層,First triple-coated Grades,加工時間,min,年代,100,26,15,6,3,1.5,1,0.7,1900,10,20,30,40,50,60,70,80,左邊的圖表顯示出自,1900,年後至今，由於刀具技術的發展使得切削時間縮短了,100,倍。而在,1960,年之後，因為鍍層刀具的出現，縮短了,4,倍的加工時間。,高速鋼High-Speed Steel,1900,年發展成功之切削刀具材料為切削工具鋼之一種，含有鎢、鉻、鉬、釩、鈷等合金元素。因含有較多的合金元素故有相當高的硬度，經熱處理後其硬度可高達,HRc 68,。做為切削工具在高速切削時其刀鋒即使被加熱至,500600,也不會產生回火軟化,，仍能保持其硬度之性質，而且在高溫時硬度降低極微，是刀具材料所具備的重要性質之一，故能耐高溫及重切削。一般常用者有鎢,W,系高速鋼以及鉬,Mo,系高速鋼：1、鎢,W,系高速鋼-係為鋼基中含有,18,%,鎢,、,4,%,鉻以及,1,%,釩，為一般之多用途刀具材料。2、鉬,Mo,系高速鋼-此為,W,系高速鋼中,W,之含量降至,6,%,後,，,再加入,4.57,%,鉬的合金鋼，具有良好之韌性及耐衝擊性。適合於製造強力之切削、耐磨刀具，如銑刀、螺絲攻等。,燒結式硬質合金,在鋼的麻田散鐵Martensite組織中如果分布著有特殊碳化物的話，其比單是麻田散鐵組織的鋼更具有磨耗性，但是麻田散鐵在高溫時會失去其硬度，要改良此缺點的方法為使碳化物的量增加。可能的話，,能做成全部都是碳化物的工具最好。但是一般碳化物的熔點很高，無法以熔解法來製造。所以必須利用,燒結法,(sintering),來固著碳化物，利用燒結方式產生的工具材料中有：,碳化物超硬合金,（Carbides）,瓷金工具,（,Cermet Tools,）,陶瓷工具,（,Ceramic Tools,）,多晶鑽石刀具,（,CBN）,碳化物超硬合金Sintered Hard Carbides,以碳化鎢,WC,、碳化鈦,TiC,、碳化,鉭,TaC,等粉末以適當比例之鈷,Co,金屬粉末，壓成適當形狀之壓塊，經過半燒結後以增加其強度，然後修整成正確之形狀之尺寸，然後以鈷粉為粘結劑再於,1500,燒結完成。燒結後硬度大增，約為,HRa 9092,。碳化物超硬合金比高速鋼具有更高的高溫硬度，溫度即使於,1200,也不會損害其刀刃之性質，而且抗壓強度大、耐磨耗性佳，其切削效率約為高速鋼之三倍。故此合金被廣泛使用於鋼的切削用途上，一般碳化物材料之使用上可分為下類幾種：,碳化鎢加鈷粉製造而成，密度大、耐磨耗高、又稱為普通碳化物。但是因為其韌性低，不宜用於切削性不良之材料，適用於切削鑄鐵、非鐵金屬以及硬化鋼。,碳化鎢加碳化鈦及鈷粉製成，密度較小、耐磨耗，又稱為鈦碳化物，適用於一般材料、鋼材之切削。,碳化鎢加碳化鈦、碳化,鉭及,鈷粉製造而成，密度與,K,級相同。其性質介於,P,、,K,級碳化物之間，具有相當之強度及韌性，又稱為,鉭,碳化物。適用於切削不銹鋼、合金鋼、延性鑄鋼等抗拉強度大而難以切削的材料。,K級碳化物,P級碳化物,M級碳化物,ISO分類-碳化物系列,主要類別,P,顏色：藍色,適合重切削量,M,顏色：黃色,適合重切削量及,韌性強而難以切削的材料,K,顏色：紅色,適合微量切削與精加工,適用切削材料,鋼,鑄鐵,4系列不銹鋼,鑄鐵,耐熱鋼,錳鋼,鎳合金,3,系列不銹鋼,等,級,K01 K03 K10 K20 K30 K40,M01 M10 M20 M30 M40,耐磨耗性,韌性,P01 P10 P20 P30 P40 P50,切削速度增高耐磨耗性增大,切削速度增高耐磨耗性增大,切削速度增高耐磨耗性增大,韌性增大 切削量增大,韌性增大 切削量增大,韌性增大 切削量增大,硬化鋼,鑄鐵,非鐵金屬,瓷金工具Cermet Tools,碳化矽,TiC,具有良好的高溫硬度、高溫耐氧化性、耐凹蝕性,Crater,，所以開發出,TiC,與,Ni,的燒結合金，稱之為瓷金工具。,為介於碳化物合金與陶瓷工具之間的工具材料。,材質,:,TiC,（,Titan Carbide,）,碳化鈦,(,最常使用,),TiCN,（,Titan Carbonitrit,）,氮碳化鈦,TiN,（,Titan Nitrit,）,氮化鈦,WC,（,Wolfram,C,arbide,）,碳化鎢,金屬結合劑,:,Ni/Co,（,Nickel/Cobalt,）,鎳,/,鈷,瓷金工具的優點,：適合切削高硬度的超硬合金,或是用來作鋼及鑄鐵材料的精加工,陶瓷工具Ceramic Tools,陶瓷工具可分為兩種基本類型：,A,型,&,B,型,A,型,：,以,氧化鋁,(Al,2,O,3,),為主,A1 =,純的氧化鋁,A2 =,添加,20,40,的碳化鈦,(TiC),和氮化鈦,(TiN),來加以混和,A3 =,增加碳化矽晶體的含量,B,型,：,以,氮化矽,(Si,3,N,4,),為主,以氧化鋁,（,Al,2,O,3,）,為主體，而類似於陶瓷器的材料。通常是在純度為,99.5%,以上的,Al,2,O,3,中加入微量的,MgO,、,CaO,、,Na,2,O,、,K,2,O,、,SiO,2,等而在,1600,以上加以燒結製成。與前述瓷金工具不同的是燒結時不使用結合劑。,MgO,、,SiO,2,的添加物是為了保持,Al,2,O,3,粒子的細微，而且使密度增加。在高溫時具有極大的硬度及強度，此為其特徵。所以可比,WC,系超硬合金在更高的速度進行切削，而且在切削時可以不需要使用切削劑。但是因為陶瓷工具比,WC,系合金更脆而缺乏耐衝擊性，所以僅做為最後精加工或半最後加工用的切削工具。,以氮化矽,(,Si,3,N,4,),為主體，氮化物系陶瓷中之氮化矽,(,Si,3,N,4,),因其熱衝擊抵抗大，機械強度可維持到高溫，另外亦有優良的耐氧化性及耐蝕性所以適合高溫機械零件與切削工具等。近年來已成為最重要的機械零件用新陶瓷。,A,型,B,型,陶瓷刀具的選用,陶瓷刀具又稱為氧化刀具，硬度極高，可達到,HRa 94,。,陶瓷的耐熱性可達到,1200,，有極高之抗壓強度，不過脆性太大所以強度不高，因此切削量不能太大，故適合最後精加工或半最後加工用之切削工具或是其他高度耐磨之非金屬。,NTK HC1,NTK C1,NTK HC2,分類,性質,鋼,鑄鐵,鑄鋼,鋼 淬火鋼,鑄鐵,鑄鋼,鋼,鑄鐵,鑄鋼,適用切削材料,200500 m/min,200400 m/min,100300 m/min,切削速度,震動較小之作業 尺寸精密之加工,震動較小之作業不適合粗加工,比,C1,、,HC1,更耐震動之切削，適合中、細切削,工作條件,韌性增大,耐磨耗性增大,多晶鑽石刀具,CBN,在以,氮化物做為切削刀具中，除了氮化矽,Si,3,N,4,以外，尚有氮化硼,BN,與氮化鋁,AlN,皆為燒結體，其性質皆為硬度極高、抗熱性佳。尤其是以,BN,為立方晶結構的立方晶氮化硼,CBN,具代表性。立方晶結構的氮化硼使它成為僅次於鑽石,（,Diamond,）,之後最硬的材料。用此類材料所作成的切削工具，其承受溫度可達到,2000,，但是與陶瓷刀具一樣，因為脆性太大所以強度不高，因此切削量不能太大，故只適合最後精加工用之切削工具或適用於超過,50HRC,的硬化合金鋼與鑄鐵之精加工或是其他高度耐磨之工件材料。使用,CBN,做為,切削刀具時，其切削速度為,5001000m/min,，在普通工具機之速度下是不足以產生足夠之切削速度來配合。,各種工具材料的高溫硬度,溫度,(),硬度,(,Hb),0,200,400,600,800,1000,100,200,300,400,500,600,700,800,1500,1600,1700,碳化物超硬合金,碳工具鋼,高速鋼,鑄造合金,鍍層,一般刀具的鍍層厚度在,25,m,，鍍層應有以下的特點以符合需求：,a,、在溫度不斷的提昇下，仍能保持相當的硬度。,b,、穩定的化學性質並且不會與工件的材料發生作用。,c,、熱傳導性低。,d,、與刀具材質的結合性良好、不會發生剝落或裂開。,e,、多孔性低，最好不會產生孔洞。,鍍層的好處可以強化刀具材料的硬度、韌性以及熱傳導性。,具有鍍層保護的刀具其壽命將近是一般沒有鍍層刀具的,10,倍。而無鍍層的刀具，可以用於一般的切削速度，或於老舊機台使用較低的速度，亦可重新研磨或修改再使用。,鍍層技術,鍍層的產生為使用汽化沉澱法製作，通常所使用的有兩種方法-,化學汽化沈澱法,CVD,以及物理汽化沈澱法,PVD,。,汽化沉澱法可有效的控制其成分組成、厚度以及多孔性。,製程方式,HT-CVD,高溫-化學汽化沈澱法,MT-CVD,中溫-化學汽化沈澱法,Plasma-CVD,電漿-化學汽化沈澱法,PVD,物理汽化沈澱法,製程溫度範圍,950-1000,700-900,400-600,400-600,適用鍍層種類,TiN、TiCN、TiC、Al,2,O,3,TiN、TiCN、TiC、TiAlN、Al,2,O,3,TiN、TiCN、TiC、TiAlN、Al,2,O,3,TiN、TiCN、TiAlN、Al,2,O,3,鍍層特色,鍍,層,TiN,TiC,TiCN,Al,2,O,3,TiAlN,顏色,金色,灰色,黑紫色,黑色,表面硬度,HV,0.05,2.300-2.700,2.800-3.000,2.800-3.000,3.700,3.000-3.600,鍍層技術,PVD,Plasma-CVD,PVD,Plasma-CVD,&,PVD,PVD,製程溫度,450,450,450,500,450,鍍層厚度,2-5,2-5,2-5,4-6,2-5,於切削加工時所能承受之最高溫度,黑紫色,600,600,400,850,800,氮-鋁-鈦（,TiAlN,）鍍層的優點,TiAlN,鍍層結構,氧化鋁 （Al,2,O,3,）,氮-鋁-鈦 （,TiAlN,）,基體,（,Substrate,）,為在基體上度上一層氮-鋁-鈦的鍍層。使用這樣的材料當作切削工具時，由於溫度升高，鍍層中的鋁會被釋放出來並且與