如果没有指定硬质合金等级或应用范围的国际标准,用户必须依靠相关判断和背景知识才能取得成功。

虽然冶金术语“碳化物等级”特指与钴烧结的碳化钨 (WC),但同一术语在机械加工中具有更广泛的含义:结合涂层和其他处理的烧结碳化钨。例如,由相同硬质合金材料制成但具有不同涂层或后处理的两个车削刀片被认为是不同的等级。然而,硬质合金和涂层组合缺乏分类标准化,因此不同的刀具供应商对其等级表使用不同的名称和分类方法。这会使最终用户难以进行等级比较,鉴于硬质合金等级对给定应用的适用性会极大地影响可能的切削条件和刀具寿命,这是一个特别棘手的问题。

要在这个迷宫中导航,用户必须首先了解硬质合金材质的构成以及每个元素如何影响加工的不同方面。

什么是底物?

基材是涂层和后处理下方的切削刀片或实体工具的裸露材料。它通常由 80% 到 95% 的 WC 组成。为了使基材具有所需的性能,材料制造商会添加各种合金元素。主要的合金元素是钴 (Co)——钴含量越高,韧性越大,而钴含量越低,硬度越高。非常硬的基材可以达到 1800 HV 的硬度并提供出色的耐磨性,但非常脆,仅适用于非常稳定的条件。非常坚韧的基材的硬度约为 1300 HV。这些基材只能以较低的切割速度进行加工,磨损更快,但对中断切割和不利条件具有更好的抵抗力。

在为特定应用选择牌号时,硬度和韧性之间的正确平衡是最关键的因素。选择太硬的牌号会导致沿切削刃的微小破损甚至灾难性故障。同时,太硬的材质会很快磨损或需要降低切削速度,从而降低生产率。表 1 提供了一些选择正确硬度的基本指南:

材料 车削 铣削
  连续 光线中断 重度中断  
难的 中等的 艰难的 艰难的
不锈钢 难的 中等的 艰难的 艰难的
难的 中硬 中等的 中等的
铬镍铁合金 很难 难的 中等的 艰难的
很难 难的 中等的 中等的

什么是硬质合金涂层?

大多数现代硬质合金刀片和整体硬质合金刀具都涂有一层薄膜(3 到 20 微米,或 0.0001 到 0.0007 英寸)。涂层通常由氮化钛、氧化铝和氮化碳钛层组成。该涂层增加了硬度并在切口和基材之间形成了隔热层。

切削刀具涂层是通过两种主要技术之一添加的:

  1. CVD(化学气相沉积) —CVD 涂层可厚至 25 微米。与 PVD 涂层相比,这种厚度可确保有效的隔热层并实现更高的切割速度。另一方面,相同的厚度使得涂层不可能非常锋利的切削刃,并且涂层更容易出现裂缝和破损。
  2. PVD(物理气相沉积) — PVD ​​涂层的厚度范围为 1 至 8 微米。与 CVD 相比,PVD 涂层刀片需要在较低的切削速度下运行;然而,它们更坚韧,可以应用在锋利的切削刃上,并且具有更光滑的表面,产生的摩擦力更小。

表 2 提供了为不同应用选择最合适涂层的基本指南。

材料 车削 切断和开槽 铣削
  高切削速度 低切削速度    
化学气相沉积 PVD PVD PVD/薄CVD
不锈钢 薄CVD PVD PVD PVD/薄CVD
无涂层 无涂层 无涂层 无涂层
铬镍铁合金 薄 PVD 薄 PVD 薄 PVD PVD
薄 PVD ​​/ 无涂层 薄 PVD ​​/ 无涂层 薄 PVD ​​/ 无涂层 PVD / 无涂层

什么是后期处理?

尽管大约十年前才获得关注,但在涂层后添加后处理已成为行业标准。这些处理通常是喷砂或其他抛光技术,可以使顶部涂层光滑,减少摩擦,从而产生热量。价格差异通常很小,并且在大多数情况下,建议使用后处理的等级。

等级选择图表

要为特定应用选择正确的硬质合金牌号,请查看供应商的目录或网站以获取指导。尽管没有正式的国际标准,但大多数供应商使用图表来描述基于其“应用范围”的等级推荐的工作范围,以三个字符的字母数字组合表示,例如 P05-P20。

第一个字母代表符合 ISO 标准的材料组。每个材料组都分配了一个字母和相应的颜色。

材料 颜色
蓝色
不锈钢 黄色的
ķ 铸铁 红色的
ñ 有色金属 绿
小号 超级合金 橘子
H 硬化钢 灰色的

以下两个数字代表等级的相对硬度等级,范围从 05 到 45,以 5 为增量。05 应用需要适合有利和稳定条件的非常硬的等级。45 应用需要非常坚韧的牌号,适用于不利和不稳定的条件。

同样,这些值没有标准,因此它们应该被解释为它们出现的特定等级表中的相对值。例如,在不同供应商的两个目录中标记为 P10-P20 的等级可能具有不同的硬度。

等级选择表通常针对四种不同的主要应用分别显示:

  1. 车削
  2. 铣削
  3. 开槽/分型
  4. 钻孔

即使在同一目录中,车削等级表中标记为 P10-P20 的等级也可能具有与铣削等级表中标记为 P10-P20 的等级不同的硬度。这种差异归结为有利条件因不同应用而异的事实。车削应用最好使用非常硬的材质来解决,但在铣削中,由于其间断性,有利的条件需要一定的韧性。

表 3,“车削等级”

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表 3 描述了一个假设的牌号图表,以及它们在不同难度的车削应用中的用途,这可能出现在切削工具供应商目录中。在此示例中,A 级将推荐用于广泛的车削条件,但不适用于重断续切削,而 D 级将推荐用于重断续车削和其他非常不利的条件。MachiningDoctor.com的 Grades Finder 等工具可以根据此指定系统搜索等级。

硬质合金等级名称

正如等级应用范围没有官方标准一样,等级名称也没有正式标准。也就是说,大多数主要的硬质合金刀片供应商在其牌号名称中都遵循通用指南。“经典”名称遵循六字符格式 BBSSNN,其中:

  • BB —品牌代码:每个主要供应商都有自己的相关字母。
  • SS —等级序列号:等级序列号通常由两个随机数字表示。一个系列通常是为特定原材料设计的一组牌号,并共享一个共同的涂层类型。成绩系列的一些例子可能是:

    • BB85 — 用于车削钢的 CVD 牌号。
    • BB64 — 用于镍基合金的 PVD ​​牌号。
    • BB23 — 用于铣削铸铁的 CVD 材质。
  • NN——硬度等级:最后两位数字,在大多数情况下,反映了一个系列中不同等级的硬度等级。根据上述关于成绩表的相同系统,该数字通常从 05 到 45 不等。例如:

    • BB8505 — 一种非常坚硬的材质,用于在稳定条件下车削钢材。
    • BB8540 — 一种非常坚韧的材质,用于在重度断续切削中车削钢材。

上面的解释在很多情况下是正确的。但由于这不是 ISO/ANSI 标准,一些供应商会自行对系统进行调整,留意这些变化是明智之举。

车削成绩

与任何其他应用相比,等级在车削应用中起着至关重要的作用。因此,在查看任何供应商的目录时,车削部分的牌号选择最多。

为什么成绩对车削如此重要?

这种广泛的车削等级源于广泛的车削应用。从连续加工(切削刃不断与工件接触,不会受到冲击但会产生大量热量)到具有严重影响的断续切削,一切都属于这一类。

广泛的车削等级还与制造中的大量直径有关,从瑞士型机器的 1/8 英寸(3 毫米)到重工业用途的 100 英寸。由于切削速度还取决于直径,因此需要针对低切削速度或高切削速度进行优化的不同等级。

主要供应商通常为每个材料组提供单独的等级系列。在每个系列中,等级范围从用于断续切削的硬质材料到用于连续加工的硬质材料。

铣削等级

在铣削中,提供的牌号范围更小。由于应用程序的基本中断性质,铣削工具需要具有高抗冲击性的坚韧牌号。出于同样的原因,涂层必须很薄——否则,它将无法承受冲击。

大多数供应商将使用坚韧的基材和各种涂层来铣削不同的材料组。

切断和切槽等级

在切断或切槽应用中,由于切削速度因素,材质选择受到限制。也就是说,随着切口接近中心,直径变小。切割速度因此逐渐降低。在向中心切断时,速度最终在切割结束时达到零,操作变为剪切而不是切割。

因此,用于切断的等级必须与广泛的切割速度兼容,并且基材应该足够坚韧以应对操作结束时的剪切。

浅槽是其他类型的例外。由于它与车削有相似之处,因此拥有大量切槽刀片选择的供应商通常会针对特定材料组和条件提供更广泛的牌号。

钻井等级

在钻孔中,钻头中心的切削速度始终为零,而周边的切削速度取决于钻头直径和主轴转速。针对高切削速度优化的材质将失效,因此不应使用。大多数供应商只会提供少数几个等级。

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