普通刀具材料的选择和使用技巧

当前所使用的刀具材料有许多种，不过应用最多的还是工具钢（碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）和硬质合金类普通刀具材料，以下对这些普通刀具材料分别介绍。

1.高速钢

高速钢是一种含钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢。高速钢具有良好的热稳定性，在500℃～600℃的高温下仍能切削，和碳素工具钢、合金工具钢相比较，切削速度提高1～3倍，刀具耐用度提高10～40倍。高速钢具有较高强度和韧性，如抗弯强度为一般硬质合金的2～3倍，为陶瓷的5～6倍，且具有一定的硬度（63～70 HRC）和耐磨性。

1）普通高速钢

普通高速钢分为两种，钨系高速钢和钨钼系高速钢。

（1）钨系高速钢。这类钢的典型钢种为W18Cr4V（简称W18），它是应用最普遍的一种高速钢。这种钢综合性能好，通用性强，常温硬度为63～66 HRC，600℃高温硬度为48.5 HRC左右。不过此钢的缺点是碳化物分布不均匀，强度与韧性低，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。

（2）钨钼系高速钢（钨钼钢）。钨钼钢是将一部分钨用钼代替所制成的钢。典型钢种为W6Mo5Cr4V2（简称M2）。这种钢的优点是减小了碳化物数量及分布的不均匀性，和W18钢相比，M2钢抗弯强度提高了17%，抗冲击韧度提高了40%以上，而且大截面刀具也具有同样的强度与韧性。此钢的缺点是高温切削性能和W18相比稍差。我国生产的另一种钨钼系钢为W9Mo5Cr4V2（简称W9），它的抗弯强度和冲击韧性都高于M2钢，而且热塑性、刀具耐用度、磨削加工性和热处理时脱碳倾向性都比M2钢有所提高。

2）高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢中增加碳、钒含量并添加钴、铝等合金元素而形成的新钢种。此类钢的优点是具有较强的耐热性，在630℃～650℃高温下仍可保持60 HRC的高硬度，而且刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。它适合加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。此类钢的缺点是强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。典型的钢种有高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2、高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5及超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等。

3）粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔化的高速钢，得到细小的高速钢粉末，然后经热压制成刀具毛坯。

粉末冶金高速钢有以下优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70 HRC；保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；耐磨性好。

此类钢适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀）、精密刀具和磨削加工量大的复杂刀具。

2.硬质合金

硬质合金是由难熔金属碳化物（如TiC、WC、NbC等）和金属黏结剂（如Co、Ni等）经粉末冶金方法制成的。

1）硬质合金的性能特点

硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，因此硬质合金常温硬度很高，达到78～82 HRC，热熔性好，热硬性高，切削速度比高速钢高4～7倍。(www.xing528.com)

硬质合金的缺点是脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，抗冲击韧性只有高速钢的1/4～1/3。

硬质合金力学性能主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和黏结剂的含量决定。碳化物的硬度和熔点越高，硬质合金的热硬性也越好。黏结剂含量大，则强度与韧性好。碳化物粉末越细，而黏结剂含量一定，则硬度高。

2）国产普通硬质合金的种类、代号及适用范围

国产普通硬质合金按其化学成分的不同可分为以下四类。

（1）钨钴类（WC＋Co），合金代号为YG，对应于国标K类。此合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；钴含量低，适于精加工。

（2）钨钛钴类（WC＋TiC＋Co），合金代号为YT，对应于国标P类。此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑呈带状的钢件等塑性材料。合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低。因此粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。

（3）钨钛钽（铌）钴类（WC＋TiC＋TaC＋Co），合金代号为YW，对应于国标M类。此类硬质合金不但适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。

（4）碳化钛基类（WC＋TiC＋Ni＋Mo）。合金代号为YN，对应于国标P01类。一般用于精加工和半精加工，对于大而长，且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。

3）超细晶粒硬质合金

超细晶粒硬质合金的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢，适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。

3.涂层刀具材料

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成的。

常用的涂层刀具材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的硬度比TiN的硬度高，耐磨性能好。不过TiN与金属亲和力小，在空气中抗氧化能力强。因此，对于摩擦剧烈的刀具宜采用TiC涂层，而在容易产生黏结条件下宜采用TiN涂层。

涂层可以采用单涂层和复合涂层，如TiC—TiN、TiC—Al2 O3、TiC—TiN—Al2 O3等。涂层厚度一般为5～8μm，它具有比基体高得多的硬度，表层硬度可达2 500～4 200 HV。

涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗黏结性能，因此具有较高的耐磨性。涂层摩擦系数较低，可降低切削时的切削力和切削温度，提高刀具耐用度，高速钢基体涂层刀具耐用度可提高2～10倍，硬质合金基体涂层刀具耐用度提高1～3倍。加工材料硬度愈高，涂层刀具效果愈好。

涂层刀具主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。硬质合金涂层刀具在涂覆后强度和韧性都有所降低，不适合受力大和冲击大的粗加工，也不适合高硬材料的加工。涂层刀具经过钝化处理，切削刃锋利程度减小，不适合进给量很小的精密切削。