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      常用刀具材料详解

　　刀具材料决定刀具切削性能根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具超硬材料刀具出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上；被加工材料发展也大大地推动了刀具材料发展。

　　一、刀具材料应具备性能

　　性能优良刀具材料，保证刀具高效工作基本条件。刀具切削部分强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下基本要求。

　　高硬度高耐磨性

　　刀具材料硬度必须高于被加工材料硬度才能切下金属，这刀具材料必备基本要求，现有刀具材料硬度都60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料耐磨性还决定于它化学成分金相组织稳定性。

　　足够强度与冲击韧性

　　强度指抵抗切削力作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备性能。一般用抗弯强度来表示。

　　冲击韧性指刀具材料间断切削或有冲击工作条件下保证不崩刃能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度韧性一对矛盾，也刀具材料所应克服一个关键。

　　高耐热性

　　耐热性又称红硬性，衡量刀具材料性能主要指标。它综合反映了刀具材料高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结抗扩散能力。

　　良好工艺性经济性

　　为了便于制造，刀具材料应有良好工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然制造选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，成批大量生产，分摊到每个零件费用反而有所降低。因此选用时一定要综合考虑。

       二、 常用刀具材料

　　常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷超硬刀具材料，目前用得最多为高速钢硬质合金。

　　高速钢

　　高速钢一种加人了较多钨、铬、钒、相等合金元素高合金工具钢，有良好综合性能。其强度韧性现有刀具材料最高。高速钢制造工艺简单，容易刃磨成锋利切削刃；锻造、热处理变形小，目前复杂刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具成形刀具制造，仍占有主要地位。

　　高速钢可分为普通高速钢高性能高速钢。

　　普通高速钢，如W18Cr4V广泛用于制造各种复杂刀具。其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40-60m/min。

　　高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo普通高速钢再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成。它耐用度为普通高速钢1.5-3倍。

　　粉末冶金高速钢70年代投入市场一种高速钢，其强度与韧性分别提高30%-40%80%-90%．耐用度可提高2-3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产使用尚少。

　　硬质合金

　　按GB2075-87(参照采用190标准)可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑黑色金属、有色金属非金属材料，用红色作标志。

　　P、M、K(后面阿拉伯数字表示其性能加工时承受载荷情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。

　　P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC+TiC+Co，代号为YT。
高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金硬度，耐用度可提高2-5倍，切削速度可提高20%-40%o

　　硬质合金涂层韧性较好硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚高耐磨、难熔化金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产涂层硬质合金涂层厚度可达9?m，表面硬度可达2500-4200HV。

　　目前各工业发达国家对涂层刀具研究推广使用方面发展非常迅速。处于领先地位瑞典，车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70%-80%，铣削方面已达到50%以上。但涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮锻铸件。

　　四、金刚石刀具

　　金刚石刀具分为天然金刚石人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质最高硬度导热系数c但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外(如手表精密零件、光饰件首饰雕刻等加工)，很少作为切削工具应用工业。随着高技术超精密加工日益发展。例如微型机械微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域各种反射镜、导弹或火箭导航陀螺，计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件加工，单晶大然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具方法保护气氛钎焊金刚石技术．使天然金刚石刀具制造过程变得比较简易．因此，超精密镜面切削高技术应用领域．天然金刚石起到了重要作用。

　　20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70年代制造出金刚石基切削刀具即聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒呈无许许序排列状态．不具方向性，因而硬度均匀。它有很高硬度导热性，低热胀系数。高弹性模量较低摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加丁各种有色金属极耐磨高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。

　　三种主要金刚石刀具材料--PCD、CVD厚膜人工合成单晶金刚石各自性能特点为：PCD焊接性、机械磨削性断裂韧性最高，抗磨损性刃口质量居，抗腐蚀性最差。CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量断裂韧性抗磨损性居，可焊接性差，人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性断裂韧性最差。

　　金刚石刀具目前高速切削(2500~5000m/min)铝合金较理想刀具材料，但由于碳对铁亲作用，特别高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。

　　五、立方氮化硼

　　立方氮化硼(CBN)纯人工合成材料。它20世纪50年代末用制造金刚石相似方法合成第二种超硬材料--CBN微粉。由于CBN烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)高温高压下烧结而成。CBN氮化硼致密相，有很高硬度(仅次于金刚石)耐热性(1300、1500度)，优良化学稳定件(远优于金刚石)导热性，低摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲性很低，所以它高速切削黑色金属较理想刀具材料。


　　K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC+Co，代号为YG。

　　M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC(NbC)+Co，代号为YW。

　　三涂层刀具简述

　　涂层刀具近20年出现一种新型刀具材料，刀具发展一项重要突破，解决刀具材料硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾一个有效措施。涂层刀具一些韧性较好硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高难熔化金属化合物而获得。常用涂层材料有TiC、TiNAl2O3等。本世纪70年代初首次硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，把普通硬质合金切削速度从80m/min提高到180m/min。1976年又出现了碳化钛-氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m/min。1981年又出现了碳化钛-氧化铝-氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m/min。