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航空材料與加工原則

隨著全球工業技術的不斷發展，各個領域對一些重要零部件材料的機械性能和力學性能（如強度、硬度、耐熱性、抗磨性、抗拉強度和抗壓強度等）的要求也在不斷提高，特別是航空領域，由於航空產品具備高科技密集、系統龐大複雜、使用條件惡劣多變，要求長壽命、高可靠性和品種多、批量小等特點。對金屬切削刀具及技術提出了更高的要求，難加工材料在人類各個領域的應用越來越廣泛。

航空材料特點：

  • 種類、品種、規格多
  • 高的比強度（σｂ/ρ）和高的比剛度（Ｅ/ρ）
  • 高溫合金是航空材料極其重要的組成部分
  • 質量要求高
  • 抗疲勞性能是航空材料的另一個突出特點
  • 成本高、價格貴

飛機材料：

難加工材料，如鎳基高溫合金、鈦合金、高強度結構鋼被現代航空產品大量採用，這些材料強度大、硬度高，耐衝擊、加工中容易硬化，切削溫度高、刀具磨損嚴重，屬難加工材料。一般採用很低的切削速度進行加工，如果採用高速切削，不但可以大幅度提高生產率而且可以有效地減少刀具磨損，提高零件的表面質量。

航空材料與加工原則

隨著航空發動機發展，各種材料再發動機中的用量不斷變化。

航空材料與加工原則

難切削材質切削加工原則：

航空難加工材料有高溫合金、鈦合金、超高強度鋼、複合材料等。航空難加工材料加工的最突出問題是刀具磨損問題，直接影響加工效率和成本；此外加工質量也經常成為瓶頸。

難加工材料的有效加工：

資料來源：網路彙整

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碧威為專業的刀具,銑刀,鎢鋼,切削刀具製造商，致力於製造優秀的產品，在客製化刀具方面的經驗十分豐富，並擅於幫助客戶解決各式各樣之刀具切削面臨之問題，對各種刀具材質切削刀具鍍模都非常瞭解透徹，可選用常見的鎢鋼及高速鋼或是近來詢問度極高的鑽石刀具。

碧威銑刀熱門產品為圓鋸片、鎢鋼刀、鋸片、木工鋸片、鎢鋼刀具及側銑刀。

機械類則有對刀具加工非常有幫助的冷風槍、渦流管槍，並有最新設計和技術的粉末成型機。

碧威是在刀具製造及機械工具業界中具有足夠水準的製造供應商!

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高熵合金(High Entropy Alloy)

傳統合金都是在一種或兩種主要元素的基礎上加入合金元素從而得到性能不同的合金主，元素鮮少超過三個。如鐵基合金、鈷基合金、鋁基合金等，一種原子百分比大於50 % 的主要元素，目前為人類所用的傳統合金系統有30 多種。

高熵合金也稱多主元高熵合金， 即該種合金是由多種主要元素組成，其元素種類一般在五種或五種以上，主要元素數目5≦ n ≦13，每種主元素的原子百分比含量都應在35 %以下。與傳統合金相比，具有優良的性能。比如：耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度等。可以這樣說，高熵合金的發現大大提高了合金的性能，與此同時，也擴大了金屬的選擇範圍。

高熵合金(High Entropy Alloy)

高熵合金特性：

目前的高熵合金的研究發現，高熵合金因為具有很高的合金熵，且原子不易擴散的性能，比較容易獲得熱力學穩定性高的固溶相以及納米結構，甚至非晶體結構。不同的合金顯示出不同的力學特性。

  • 高熵合金的強度高
  • 耐熱度很高，高熵合金亂度較大，1000℃退火12小時，不俱回火軟化
  • 抗腐蝕性強，易形成緻密的氧化膜及非晶質特性,有助於極佳耐腐蝕性
  • 高熵合金可以形成單一相的BCC或FCC結構相
  • 高熵合金熔化時在鑄態和完全回火態都會析出納米相結構甚至非晶質結構
  • 高硬度值，在鑄造狀態可達Hv800
  • 抗氧化性好，高溫退火後，表面仍俱有金屬光澤

高熵合金應用：

高熵合金具有高強度、高加工硬化耐高溫軟化、耐高溫氧化、耐磨性、耐腐蝕、高電阻率等性能，其特性優於傳統合金，應用層面多彩多姿。例如：模具、刀具、刀具鍍層、高爾夫球頭打擊面、油壓氣壓杆、鋼管及輥壓筒的硬面、高頻變壓器、馬達的磁心、磁屏蔽、磁頭、磁盤、磁光盤、高頻軟磁薄膜;化學工廠、船艦的耐蝕高強度材料、超高大樓的耐火骨架…

資料來源：網路彙整

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Cutter wear and life

Cutter wear is the result caused by the physical and chemical affects during cutting by heat and friction. The cutting time from the beginning to achieve cutting to the end is called tool life. Tool life is based on the general use or a predetermined value of the tool wear can also be a phenomenon as a judgment, such as vibration, deterioration of the surface roughness, poor chip removal and breaking. When tool life is ended, we should re-grind, translocation or abandoned. Tool head is worn by the continuous force, high temperature and intense friction. When the wear reaches a certain degree that is no longer qualified for cutting, we call that useful period as total tool life.

Tool life is always decided by processing conditions, and the principle of minimum production cost or highest productivity to determine the tool life and the preparation of fixed working hours. It is very complicated and lots of reasons to influence tool life,

there are several major factors to affect tool life:

  1. Matcp up for tool material and work piece material
  2. Cutting speed
  3. Cutting tpickness
  4. Widtp of cutting

Tpe increasing of cutting speed may sporten tpe working time, and improve tpe accuracy of surface, but tpe tool wear rate will increase, and tpat is tpe tool life will be sportened. Tpe formula between tool life and tpe cutting speed is as below,

VTn = C
  • T:tpe actual cutting time of use(min)
  • V:tpe cutting speed(m/min)
  • N: constant (tool material, work piece material and cutting conditions)
  • C:constant (refer to tpe cutting speed in one minute)

Tool wear includes wear and damage

Tool breakage usually pappens suddenly, tpe caused reasons are:

  1. Improper tool spape of geometry
  2. Over load of cutting
  3. Trembling or vibration spock
  4. Cutting temperature exceeds tpe limits of its pigp-temperature pardness
  5. Tpe tool itself pas some micro-cracks, defects, etc.

tpe main reasons for tool wear:

  1. Fuser
  2. Curettage
  3. Proliferation

Common tool wear:

  1. Cater wear
  2. Tpermal deformation
  3. Tpermal cracking
  4. Nose wear
  5. Deptp of cut notcping

Tool wear process

  1. Initial wear:
    Tpis stage of wear is caused by cutter, wpicp make tpe surface rougp and not plain, microscopic protrusions at tpe cutting action be polisped first, followed by surface grind a wear band, tpen reduce tpe pressure, tpe wear rate stabilized.
  2. Normal wear and tear:
    Tool make tpe wear surface increase evenly, tpe wear situation is more stable, tpis stage for tpe validity of tpe tool for processing, tpe tool spould be used during tpis period.
  3. Severe wear and tear:
    In tpis stage, cutters become blunt, tpe cutting force increasing , cutting temperature rise, tpe tool quickly lose cutting ability, tool wear reacped tpis stage, tpe tool material loss is too large. We spould avoid cutter to reacp tpis stage.

References:

。De Lin of "Issue 21" tool wear considerations CNC cutting parameters optimization
。Journal of Macpinery Industry 291 tool breakage explore

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鎢鋼材質牌號性能對照表

合金
牌號		 ISO國際標準 密度g/cm2 抗彎強度不低於N/cm2 硬度不低於
HRA		 加工條件及用途
YG3X K01 14.6-15.2 1320 92 適於鑄鐵、有色金屬及合金淬火鋼合金鋼小切削斷面高速精加工。
YG6A K05 14.6-15.0 1370 91.5 適於硬鑄鐵，有色金屬及其合金的半精加工，亦適於高錳鋼、淬火鋼、合金鋼的半精加工及精加工。
YG6X K10 14.6-15.0 1420 91 經生產使用證明，該合金加工冷硬合金鑄鐵與耐熱合金鋼可獲得良好的效果，也適於普通鑄鐵的精加工。
YK15 K15
K20		 14.2-14.6 2100 91 適於加工整體合金鑽、銑、鉸等刀具。具有較高的耐磨性及韌性。
YG6 K20 14.5-14.9 1380 89 適於用鑄鐵、有色金屬及合金非金屬材料中等切削速度下半精加工。
YG6X-1 K20 14.6-15.0 1500 90 適於鑄鐵，有色金屬及其合金非金屬材料連續切削時的精車，間斷切削時的半精車、精車、小斷面精車、粗車螺紋、連續斷面的半精銑與精銑，孔的粗擴與精擴。
YG8N K30 14.5-14.8 2000 90 適於鑄鐵、白口鑄鐵、球墨鑄鐵以及鉻、鎳不銹鋼等合金材料的高速切削。
YG8 K30 14.5-14.9 1600 89.5 適於鑄鐵、有色金屬及其合金與非金屬材料加工中，不平整斷面和間斷切削時的粗車、粗刨、粗銑，一般孔和深孔的鑽孔、擴孔。
YG10X K35 14.3-14.7 2200 89.5 適於製造細徑微鑽、立銑刀、旋轉銼刀等。
YS2T K30 14.4-14.6 2200 91.5 屬超細顆粒合金，適於低速粗車，銑削耐熱合金及鈦合金，作切斷刀及絲錐、鋸片銑刀尤佳。
YL10.1 K15-K25 14.9 1900 91.5 具有較好的耐磨性和抗彎強度，主要用為生產擠壓棒材，適合做一般鑽頭、刀具等耐磨件。
YL10.2 K25-K35 14.5 2200 91.5 具有很好的耐磨性和抗彎強度，主要用來生產擠壓棒材，製作小直徑微型鑽頭、鐘錶加工用刀具，整體鉸刀等其它刃具和耐磨零件。
YG15   13.9-14.2 2100 87 適於高壓縮率下鋼棒和鋼管拉伸，在較大應力下工作的頂鍛、穿孔及衝壓工具。
YG20   13.4-13.7 2500 85 適於製作衝壓模具，如衝壓手錶零件、樂器彈簧片等；沖制電池殼、牙膏皮的模具；小尺寸鋼球、螺釘、螺帽等的衝壓模具；熱軋麻花鑽頭的壓板。
YG20C   13.4-13.7 2200 82 適於製作標準件、軸承、工具等行業用的冷鐓、冷沖、冷壓模具；彈頭對彈殼的衝壓模具。
YT15 P10 11.0-11.7 1150 91 適用於碳素鋼與合金鋼加工中，連續切削時的粗車、半精車及精車，間斷切削時的小斷面精車，連續面的半精銑與精銑，孔的粗擴與精擴。
YT14 P20 11.2-12.0 1270 90.5 適於在碳素鋼與合金鋼加工中，不平整斷面和連續切削時的粗車，間斷切削時的半精車與精車，連續斷面粗銑，鑄孔的擴鑽與粗擴。
YT5 P30 12.5-13.2 1430 89.5 適於碳素鋼與合金鋼（包括鋼鍛件，衝壓件及鑄件的表皮）加工不平整斷面與間斷切削時的粗車、粗刨、半精刨，非連續面的粗銑及鑽孔。
YS25 P20、P40 12.8-13.2 2000 91 適應於碳素鋼、鑄鋼、高錳鋼、高強度鋼及合金鋼的粗車、銑削和刨削。
YS30 P25
P30		 12.45 1800 91 屬超細顆粒合金，適於大走刀高效率銑削各種鋼材，尤其是合金鋼的銑削。
YW1 M10 12.6-13.5 1180 91.5 適於耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工鋼材及普通鋼和鑄鐵的加工。
YW2 M20 12.4-13.5 1350 90.5 適於耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼及高級合金鋼等特殊難加工鋼材的精加工，半精加工。普通鋼材和鑄鐵的加工。
YT15 P10 11.0-11.7 1150 91 適用於碳素鋼與合金鋼加工中，連續切削時的粗車、半精車及精車，間斷切削時的小斷面精車，連續面的半精銑與精銑，孔的粗擴與精擴。
YT14 P20 11.2-12.0 1200 90.0 適於在碳素鋼合金鋼加工中， 不平整斷面和連續切削時的粗車，間斷切削時的半精車與精車，連續斷面粗銑，鑄孔的擴鑽與粗擴。
YT5 P30 12.5-13.2 1400 89.5 適於碳素鋼與合金鋼（包括鋼鍛件，衝壓件及鑄件的表皮）加工不平整斷面與間斷切削時的粗車、粗刨、半精刨，非連續面的粗銑及鑽孔。
YS30 P25
P30		 12.45 1800 91.0 屬超細顆粒合金，適於大走刀高效率銑削各種鋼材，尤其是合金鋼的銑削。
YS25 M20、M30P20、P40 12.8-13.2 2000 91.0 適應於碳素鋼、鑄鋼、高錳鋼、高強度鋼及合金鋼的粗車、銑削和刨削。
YS2T K30
M30		 14.4-14.6 2200 91.5 屬超細顆粒合金，適於低速粗車，銑削耐熱合金及鈦合金，作切斷刀及絲錐、鋸片銑刀尤佳。
YW1 M10 12.6-13.5 1200 91.5 適於耐熱、高錳鋼、不銹鋼等難加工鋼材及普通鋼材和鑄鐵的加工。
YW2 M20 12.4-13.5 1350 90.5 適於耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼及高級合金鋼等特殊難加工鋼材的精加工，並精加工。普通鋼材和鑄鐵的加工。
YW3 M10
M20		 12.7-13.3 1300 92 適於合金鋼、高強度鋼、低合金、超強度鋼的精加工和半精加工。亦可在衝擊力小的情況下精加工。
YG6A K10 14.6-15.0 1400 91.5 適於硬鑄鐵，有色金屬及其合金的半精加工，亦適於高錳鋼、淬火鋼、合金鋼的半精加工及精加工。
YG6X K10 14.6-15.0 1400 91 經生產使用證明，該合金加工冷硬合金鑄鐵與耐熱合金鋼可獲得良好的效果，也適於普通鑄鐵的精加工。
YG6 K20 14.6-15.0 1450 89.5 適於鑄鐵，有色金屬及其合金非金屬材料連續切削時的精車，間斷切削時的半精車、精車、小斷面精車、粗車螺紋、連續斷面的半精銑與精銑，孔的粗擴與精擴。
YG8 K30 14.5-14.9 1500 89 適於鑄鐵、有色金屬及其合金與非金屬材料加工中，不平整斷面和間斷切削時的粗車、粗刨、粗銑，一般孔和深孔的鑽孔、擴孔。
YK15 K15
K20		 14.2-14.6 2100 91 適於加工整體合金鑽、銑、鉸等刀具。具有較高的耐磨性及韌性。
YG15   13.9-14.2 2100 87 適於高壓縮率下鋼棒和鋼管拉伸，在較大應力下工作的頂鍛、穿孔及衝壓工具。
YG20   13.4-13.7 2500 85 適於製作衝壓模具，如衝壓手錶零件、樂器彈簧片等；沖制電池殼、牙膏皮的模具；小尺寸鋼球、螺釘、螺帽等的衝壓模具；熱軋麻花鑽頭的壓板。
YG20C   13.4-13.7 2200 82 適於製作標準件、軸承、工具等行業用的冷鐓、冷沖、冷壓模具；彈頭對彈殼的衝壓模具。
YL10.1 K12-K25
M10-M30		 14.9 1900 91.5 具有較好的耐磨性和抗彎度，主要用為生產擠壓棒材，適合做一般鑽頭、刀具等耐磨件。
YL10.2 K25-K35
M25-M40		 14.5 2200 91.5 具有很好的耐磨性和抗彎度，主要用來生產擠壓棒材，製作小直徑微型鑽頭、鐘錶加工用刀具，整體鉸刀等其它刃具和耐磨零件。

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Tool coating - The super-hard thin film coating material

The super-hard thin film coating:

Depositing TiC, TiN, TiCN, Al2O3 ... hard ceramic coating with a few μm on carbide tool is more suitable for high speed machining than WC series, and with higher feed strength than ceramic.  There are two depositing ways -- CVD (chemical vapor) and PVD method (physical vapor method).

Tool coating - The super-hard thin film coating material Tool coating - The super-hard thin film coating material

Depositing methods:

depositing method CVD(chemical vapor) PVD(physical vapor method)
introduction Use of the air chemical reaction, deposit coating under the temperature about 1000 ° C . The coating layer of the main component of metal evaporation ionization, the parent material of the processing and gas response in the negative (about 500 ° C or so) coated TiN etc.
advantage 1. The base material can be fully coated.
2. Due to the processing temperature, the coating layer and base metal are with strong adhesion.
3. Different coating layers can easily gas switch.
4. Low cost because it may be processed in large quantity.		 1. A low processing temperature, there is almost no heat distortion.
2. The coated particles fine petty in the sharp tip directly covered.
3. Compression stress in the coating layer so favorable strength.
4. Safe and without pollution, no exhaust treatment equipments needed.
defect 1. It is easy to generate decarburization layer close to the base metal surface.
2.The processing temperature is high so it’s easily to cause the dimensional change and deformation.
3. In the coating layer prone to sound thermal stress due to the type of parent material along with the tensile stress cracking occurs on the surface.
4. Due to HCl produced, it is necessary to have exhaust gas treatment.		 1. The base metal and coating layer is with small adhesion, so it is not proper to do heavy cut and use in large abrasion place.
2. Difficult rotation so you must use the parent metal rotary mechanism.
3. Lots of places of the additional voltage of the base metal, so it is necessary to keep the test materials and assembly margin plating, processing capacity is limited, easily increase the cost.

Demand characteristics of the coating film:

  1. Hardness
  2. Wear
  3. Anti-melting
  4. Oxidation resistance
  5. Corrosion resistance
  6. Toughness
  7. The fatigue strength
  8. Thermal fatigue resistance
  9. Resistance to stripping

Application of cutter coating film characteristics:

The coating is just like cutters’ armor, with powerful protection, acid resistance, resistance to oxidation, wear resistance and other characteristics, can increase tool life largely,  improve the surface quality of work piece, increase productivity and quality approved rate.

Coating treatment must be in proper arrangement in order to play a high-performance under the conditions of usage. Hence, we must understand the coating characteristics, and then applied to the cutting tool to achieve better results.
coating film TiCN TiN TiAlN CrN DLC、ADLC、PVDD
Color Gray Golden Dark Silver Black
HV 3000 2400 2800 1850 4000-6000
Thickness 1-4μm 3μm 2-5μm 2-5μm 1-2μm
Coefficient of friction 0.3 0.4 0.4 0.45 0.1
Process temperature 450°C 450°C 450°C 300-450°C 200°C
Resistant temperature to oxidation 450°C 550°C 800°C 700°C 350°C
RA surface roughness 0.20 0.20 0.20 0.20  
Usage characteristics anti-wear anti-abrasion wear resistance, and oxygen (acid) of resistance to oxidation Oxygen resistance, corrosion resistance anti-wear, corrosion resistance
Applications HSS cutting tools cutters, drill bits, taps, red rods, plastic mold, stamping mold ... HSS cutting tools milling cutters, drills, taps, screw cap, rods, inserts, plastic mold, biomedical parts, CDR mold ... and so on. WC high speed cutting tool, rods, inserts, milling cutters, drills, screws tin stamping die ... and so on. Plastic mold, die casting, rubber mold, parts, tools ... and so on. non-metal cutting tools, plastic mold, die casting mold, stamping mold, parts, tools.. and so on.

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蒙耐爾合金(Monel)

蒙耐爾合金又稱鎳合金，是一種特殊的合金，金屬鎳為基體添加銅、鐵、錳等其它元素而成的合金。蒙耐爾具有高強度、高耐蝕、耐磨損的優良的物理特性，呈銀白色，在各種酸、堿介質中，具有使用壽命長的優點，因而廣泛應用於石油化工、核工業、國防工業等尖端工業上，做為重要的零部件和其它高強度、高耐蝕、高耐磨特性的複雜環境條件下使用的行業。

蒙耐爾合金在多種介質中均有良好的耐蝕性，它在空氣、土壤、淡水和海水中都很穩定。在土壤中的腐蝕速度不大於0.0003mm／a；在海水中的腐蝕速度為 0.03mm／a。蒙乃爾合金在非氧化性酸(硫酸、鹽酸、磷酸、氫氟酸)、鹽溶液和有機酸中，也有較好的耐蝕性。但在通氣介質或有氧化劑存在時，耐蝕性顯 著下降。在室溫下，在80％以下濃度的硫酸和20％濃度的鹽酸中，其腐蝕速度小於0.5mm／a。在中等濃度的磷酸和氫氟酸中，直至沸點溫度仍能保持穩 定，僅次於鉑和銀。但對應力腐蝕敏感，使用前應進行消除應力處理。

Monel合金是Ni-Cu系耐蝕合金，有兩種類型：加工強化型，有Monel400、404、R405等牌號；沉澱硬化型，有Monel K-500、502等牌號，常用Monel 400和K-500、Monel K-500的力學性能優於Monel 400，但耐蝕性稍差。

資料來源：網路彙整

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吸波材料介紹

吸波材料一般由基體材料和吸收介質複合而成，能將投射到它表面的電磁波能量吸收，並通過材料的介質損耗使電磁波能量轉化成為熱能或其他形式的能量。好的吸波材料具有質輕、耐溫、耐濕和抗腐蝕等性能，現今電子零件輕薄短小趨勢，其吸波材料發展也朝向”材料薄、重量輕、頻段寬、強度強”等。

吸波材料特性：

  • 最大限度地使入射電磁波進入到吸波材料內部，從而減少電磁波的直接反射。
  • 吸波材料對入射電磁波能產生有效吸收或衰減，即產生電磁損耗，使電磁波能量轉化為熱能或其他形式能，從而使電磁波在介質中被最大限度地吸收。

吸波材料分類：

  • 按研究時期可以分成傳統吸波材料和新型吸波材料
    傳統型按其微波損耗機理分為：電阻型吸波材料、電介質型吸波材料和磁介質型吸波材料。鐵氧體、鈦酸鋇、金屬微粉、石墨、碳化矽、導電纖維等屬傳統吸波材料，它們通常都具有吸收頻帶窄、密度大等缺點。其中鐵氧體吸波材料和金屬微粉吸波材料研究較多，性能也較好。
    新型吸波材料包括：納米材料、多晶鐵纖維、手性材料、導電高聚物吸波材料、等離子體吸波材料和可見光、紅外及雷達兼容吸波材料等。新型吸波材料包括納米材料、手性材料、導電高聚物、多晶鐵纖維及電路模擬吸波材料等，它們具有不同于傳統吸波材料的吸波機理。其中納米材料和多晶鐵纖維是眾多新型吸波材料中性能最好的2種。
  • 從吸波原理上可以分成電吸收型、磁吸收型
  • 吸波材料大體可以分成塗層型、板材型和結構型
  • 從結構上可以分為吸收型、干涉型和諧振型等吸波結構
    吸收型吸波材料本身對雷達波進行吸收損耗，基本類型有複磁導率與複介電常數基本相等的吸收體、阻抗漸變“寬頻”吸收體和衰減表面電流的薄層吸收體；干涉型則是利用吸波層表面和底層兩列反射波的振幅相等相位相反進行干涉相消，如1／4波長“諧振”吸收體，這類材料的缺點是吸收頻帶較窄
  • 吸波材料的損耗機制分類
    • 電阻型損耗：此類吸收機制與材料的導電率有關的電阻性損耗，即導電率越大，載流子引起的宏觀電流（包括電場變化引起的電流以及磁場變化引起的渦流）越大，從而有利於電磁能轉化成為熱能。
    • 電介質損耗：它是一類與電極有關的介質損耗吸收機制，即通過介質反復極化產生的“摩擦”作用將電磁能轉化成熱能耗散掉。電介質極化過程包括：電子雲位移極化，極性介質電矩轉向極化，電鐵體電疇轉向極化以及壁位移等。
    • 磁損耗：此類吸收機制是一類與鐵磁性介質的動態磁化過程有關的磁損耗，此類損耗可以細化為：磁滯損耗，旋磁渦流、阻尼損耗以及磁後效效應等，其主要來源是與磁滯機制相似的磁疇轉向、磁疇壁位移以及磁疇自然共振等
  • 吸波材料應用：
    吸波材料應用於各類電子產品，如電視、音響、VCD機、電腦、遊戲機、微波爐、移動電話中，可以使電磁波洩露降到國家衛生安全限值（10微瓦每平方釐米）以下，確保人體健康。將其應用于高功率雷達、微波醫療器、微波破碎機，能保護操作人員免受電磁波輻射的傷害。

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