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Ch12. 12-1  切削加工用刀具材料. 12-1-1  刀具材料必須具備的基本性質 常溫硬度或稱冷硬度 指刀具材料在常溫時的硬度,硬度愈高時,刀具耐磨耗性愈佳。 高溫硬度或稱熱硬度 高溫硬度亦愈高,愈能夠從事於高速切削及重切削。. 韌性 衝擊強度愈高,代表其韌性愈佳。. 高溫耐氧化性 1000℃ 以上高溫時,很容易產生氧化反應。 高溫耐擴散性 切屑滑移通過刀具斜面時,很容易因為原子相互擴散而造成凹坑磨耗。 熱傳導係數 切刃損傷大多是切削時所產生的熱量所造成。. 12-1-2  主要刀具材料演變及選用原則

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12-1 切削加工用刀具材料

12-1-1 刀具材料必須具備的基本性質

  • 常溫硬度或稱冷硬度

    指刀具材料在常溫時的硬度,硬度愈高時,刀具耐磨耗性愈佳。

  • 高溫硬度或稱熱硬度

    高溫硬度亦愈高,愈能夠從事於高速切削及重切削。


  • 韌性

    衝擊強度愈高,代表其韌性愈佳。


  • 高溫耐氧化性

    1000℃以上高溫時,很容易產生氧化反應。

  • 高溫耐擴散性

    切屑滑移通過刀具斜面時,很容易因為原子相互擴散而造成凹坑磨耗。

  • 熱傳導係數

    切刃損傷大多是切削時所產生的熱量所造成。


12-1-2 主要刀具材料演變及選用原則

新工件材料的陸續開發,工具機剛性的不斷提高;為了配合生產效率,高金屬移除率要求,刀具材料亦不斷地演進。由圖12-3可看出,其演變過程是由碳工具鋼→高速鋼→燒結碳化物→陶瓷→鑽石及CBN。


  • 高碳工具鋼

    為含碳量約 0.9~1.5%高碳工具鋼(high carbon tool steel),經由淬火硬化處理,使其硬度達到HRC60左右。其特性為未硬化處理前加工成形性佳,具有良好韌性,切削時可承受較大衝擊負荷。但缺點則為高溫硬度低,受熱時易於軟化,因此不適合使用於高速及重負荷切削,僅適合使用於軟材料切削及低速切削。車刀已甚少採用此材料製造,高碳工具鋼一般均用於製造鑽頭、銑刀、鋸條及木工刀具等。


  • 合金工具鋼

    高碳工具鋼中添加鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、錳(Mn)等合金元素。可以增加工具鋼之硬化能及回火軟化抵抗;並經由特殊碳化物析出,以增加刀具的耐磨耗性,一般均用於螺絲攻、鋸條、銼刀。


3. 高速鋼

是鎢、鉬、釩、鈷及鉻含量比較多的合金工具鋼,鎢可以提高刀具高溫硬度,增加耐磨耗性,提高切削性能;鉬可以與碳結合,提高刀具韌性;釩可以使麻田散鐵及沃斯田鐵之晶粒微細化,以提高刀具強度及熱硬度;鈷可以使高速鋼具有二次硬化效應,用於高速切削及重切削加工。


高速鋼具有加工容易及韌性特強的優點,因此在工業界仍被大量使用。


  • 燒結碳化物

    又稱為超硬合金,係將碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)及碳化鉭(TaC)等碳化物粉末,以鈷為結合劑,予以混合後,置入模具中加壓成形,然後置於1400℃左右燒結爐中加熱燒結成形。


(1)K類燒結碳化物

為碳化鎢(WC)結合鈷(Co)所形成的單元碳化合物,具有極佳硬度和耐磨耗性,適合使用於會形成不連續切屑的鑄鐵、鑄鋼材料,以及非鐵金屬材料、非金屬材料的切削加工。當切削溫度高達800℃以上時,WC中之C便會分解出來,必須在低速及輕切削狀況使用。


(2)P類燒結碳化物

在K類燒結碳化物中添加碳化鈦(TiC)和碳化鉭(TaC),以阻止碳在800℃以上高溫時被分解,阻止凹坑磨耗的發生。適合於切削會產生連續切屑的鐵金屬材料。


(3)M類燒結碳化物

將P類碳化物中TiC含量減少而將TaC含量增加,其性質介於P類與K類之間,適合使用於具有長或短切屑鐵金屬材料的切削及非鐵金屬材料的切削。


  • 瓷質合金

    硬度像陶瓷(ceramic)而強度像金屬,係TiC或TiN以Ni或Co予以混合、壓製、燒結而成,主要成分為TiC;TiC具有極為優越的高溫耐磨耗性及耐擴散性,但缺點為韌性較差。


其特性為:

(1)不管是鋼鐵或鑄鐵皆可以切削。

(2)由於耐擴散性很高,因此可使用於易產生凹坑 磨耗之軟鋼等切削。

(3)由於不容易產生刃口積屑緣(built-up Edge, BUF),可得到非常良好之加工面。因此可使 用於鋼、鑄鐵之精切削加工。

(4)比超硬合金更適合於高速切削,在相同切削速 度下,其刀具壽命會比超硬合金延長數倍。


瓷質合金不適用之狀況:

(1)受到熱衝擊很容易產生裂縫之耐熱合金、 高硬度材料等難削材切削及高進給速率、 大切削深度、斷續切削等。

(2)很容易發生剝離之鑄鐵的黑皮切削及粗切 削。


  • 陶瓷

    陶瓷(ceramic)是氧化鋁(Al3O3)或氮化矽(Si3N4)粉末結合其他金屬予以燒結而成的刀具材料,具有極佳熱硬度、高溫化學穩定性,不易與工件材料發生化學反應,非常適合於鑄鐵及硬化鋼材切削。


(1)氧化鋁系陶瓷

硬度約與燒結碳化物材料接近,但彎曲強度僅約為燒結碳化物材料之四分之一左右,再加上熱傳導係數低,受到熱衝擊作用時,很容易發生剝離現象,因此用途受到限制。

為了提高陶瓷材料韌性,在氧化鋁中添加Zr元素或者是TiC,結果不僅韌性提高,耐磨耗性亦跟著提高,因此更適合於鑄鐵高速切削。


(2)氮化矽系陶瓷

以氮化矽(Si3N4)粉末為主,結合部分氧化鋁粉末予以壓製、燒結而成,具有高硬度(HV 2000左右)、低熱膨脹係數(3.2 × 10-6)及極佳熱衝擊阻抗,適合使用於鑄鐵之高速進給切削。


  • 立方晶氮化硼

    是將硼(B)和氮(N)的化合物結晶,以陶瓷和鈷為結合材料,在高溫高壓下予以燒結而成的刀具材料。CBN為目前硬度僅次於鑽石的刀具材料,由於熱傳導效應,切削熱不易聚集於切刃位置,再加上對鐵金屬化學穩定性很高,因此非常適合使用於硬化鋼材、燒結合金、冷激鑄鐵等切削。


CBN刀具材料在使用時必須注意:

(1)CBN必須使用於硬度超過HRC 48以上工件材 料,工件材料太軟時,反而會產生過度磨耗。

(2)工具機和刀柄必須具有足夠剛性,以避免切削 時產生顫動而造成刀具破裂。

(3)中高切削速率而極低進給速率為CBN刀具材料 最佳切削條件。

(4)若無法噴到足夠切削劑時,最好採取乾切削加 工。


  • 多晶鑽石燒結體

    鑽石粉末以鈷為結合劑,在高溫、高壓下予以燒結而成,具有極佳耐磨耗性,非常適合於鋁合金、銅合金的高速切削,但不可應用於鋼材的切削;且由於很脆,因此工具機和刀具都必須具有足夠剛性,且切削狀況非常穩定才可以。



為天然鑽石,由於硬度高而具有極佳耐磨耗性,再加上熱傳導性良好,刀具及工件皆不易發生熱變形,因此非常適合於超精密加工。

工件材料之材質必須均勻,內部不能有硬點或雜質存在才可以。單晶鑽石亦不適合使用於鐵金屬材料的切削及斷續切削。以單晶鑽石刀具切削鋁、銅及塑膠材料時,切削速度應愈快愈好。


  • 塗層刀具

    在碳化鎢或高速鋼刀具表面被覆TiC、TiN、TiCN、Al2O3等高硬質物質,以提高刀具之耐磨耗性,延長刀具壽命。


12-2 成形加工用模具材料

有效率高、品質穩定、節省原料及降低成本等優點,尤其是大批量生產加工。成形加工必須利用模具,進行沖壓、鍛造、壓鑄或射出成形等操作,以得到所要求形狀及精度的產品。為了確保模具性能,模具材料的正確選用為非常重要的因素。


影響模具材料選用因素包括:

  • 所欲成形零件的複雜程度、操作溫度及 潤滑劑的使用狀況等。

  • 工件材料性質、工件厚度及體積大小。

  • 生產速率及精度要求。

  • 成形加工設備種類、廠牌及操作條件。

  • 模具材料的耐疲勞性、耐磨耗性及加工 性等。


12-3 衝壓模具用材料

薄板衝壓模具的損壞主要是由於磨耗所造成,因此其模具材料的選用以耐磨耗性為主。厚板衝壓模具的損壞,除磨耗以外,還可能發生刃口崩裂及斷裂等,因此其模具材料的選用,除考慮耐磨耗性以外,還要考慮其韌性。


12-3-1 碳工具鋼

為含碳量 0.6~1.3%之碳工具鋼,雖然耐磨耗性較差,淬火變形量大,但由於價格較低廉,因此對於精度及使用壽命要求不高之小量加工,仍有人使用;不過碳工具鋼已幾乎不使用在量產用模具,常用做模具材料的碳工具鋼為SK3、SK4及SK5。


12-3-2 合金工具鋼

在碳工具鋼中添加Cr、V、W或Ni等合金元素時,可以提昇鋼材耐磨耗性及淬火性能,常使用為衝壓模具材料的合金工具鋼如表12-12所示,其中以SKD11的使用最為普遍。


12-3-3 高速鋼

用於衝壓模具的高速鋼以鈷系高速鋼為主,其具有高硬度、高抗壓強度、極高耐磨耗阻抗,因此常用於重負荷、硬材料加工衝壓模具。常使用於衝壓模具高速鋼為SKH51、SKH55及SKH57。


12-3-4 燒結碳化物或超硬合金

在WC粉末中添加TiC、TaC、TiN、V等合金元素,以Co為結合劑,予以壓製、燒結而成,由於具有高硬度、高耐磨耗性、高抗壓強度及常溫塑性變形小等優點,在精密電子零件之高精密模具領域,其使用已愈來愈普遍。


12-4 壓鑄模具用材料

壓鑄模具是在高壓下將熔融金屬予以壓鑄成形。在成形過程中,模具要週期性地受到加熱和冷卻的交互作用,而且還要受到熔融金屬衝擊和腐蝕。因此,模具材料要具有較高的耐熱疲勞性、耐腐蝕性、高熱傳導性、低熱膨脹係數、高溫強度及回火軟化抵抗能力。一般建議使用熱作模具用鋼,但仍以SKD61使用最多。


12-5 塑膠模具用材料

塑膠模具材料選用,必須配合產品及產量的需求,以達到最經濟有效為目的。由於塑膠模具之基本破壞模式為表面磨損、變形及斷裂,因此選擇塑膠模具材料時,必須考慮材料鏡面加工性、切削性、耐蝕性、耐磨耗性及硬度分佈均勻性等。


12-5-1 選用原則

  • 依據工作條件及性能要求,選用能滿足 要求的材料。

  • 選用冶金品質好、性能可靠、貨源取得 容易的材料。

  • 選用加工性良好、品質可靠、使用壽命 長的材料。

  • 選用鏡面加工性良好、精度持久的材 料。


塑膠模具材料可分為預硬鋼材、淬火回火鋼材、時效處理鋼材及非鐵金屬材料(銅合金、鋁合金等)四類,不同的塑膠模具材料要配合不同的製程使用。


12-5-2 塑膠模具材料特性及用途

  • 預硬鋼

    組織及硬度均勻,模具製作完成便可以直接使用。

  • 淬火回火鋼

    具有極佳之切削性;模具製成完成後,再實施淬火、回火處理。

  • 時效處理鋼

    處理溫度低、沒有嚴重變形問題。



12-6 鍛造模具用材料

12-6-1 鍛造模具具備條件

  • 足夠韌性與抗壓能力。

  • 高溫硬度與耐磨耗性良好。

  • 切削性良好,模穴容易加工。

  • 材質非常均勻。

  • 熱傳導性良好。

  • 高抗氧化能力。

  • 耐熱疲勞性佳。


12-6-2 鍛造模具材料選用

  • 熱鍛模具材料

    要求特性為韌性、回火軟化抵抗能力及高溫強度。


  • 冷鍛模具材料

    具有很大的抗壓強度,良好的耐磨耗性、足夠的硬度和韌性。

  • 溫鍛模具材料

    兼具冷鍛與熱鍛之優點。