刀具材料的优化选择与应用

刀具材料是指刀具切削部分的材料。在切削加工中，刀具的切削部分直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。刀具材料是工艺系统中影响加工效益和加工质量的重要因素。采用合理的刀具材料可大大提高切削加工生产率，降低刀具的消耗，保证加工质量。

1.刀具材料应具备的性能

1）硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度，硬度是刀具材料应具备的最基本的特征。刀具材料的常温硬度要在60 HRC以上。切削过程中为了抵抗刀具不断受到的切屑和工件摩擦引起的磨损，刀具材料必须具有高的耐磨粒磨损的性能。

2）强度和韧性

切削工件时，刀具要承受很大的切削抗力。为了不产生塑性变形，刀具必须有足够的强度。在切削不均匀的加工余量或断续加工时，刀具受到很大的冲击载荷，脆性大的刀具材料易产生崩刃和打刀，因此要求刀具有足够的冲击韧性和疲劳强度。

3）耐热性

耐热性是指在高温下能保持高硬度的能力，以适应高速切削的要求。

4）导热性

刀具材料应具有良好的导热性，以便切削时产生的热量能迅速散发。

5）抗黏结性

应防止工件和刀具材料分子间在高温高压下互相吸附产生黏结。

6）化学稳定性

化学热稳定性是指在高温下，刀具材料不易与周围介质发生化学反应。

7）良好的工艺性和经济性

刀具的材料应便于制造，即切削性能、热处理性能、焊接性能等要好。经济性是指刀具材料应结合本国资源，降低成本。

2.几种常见的刀具材料

1）高速钢

高速钢是含有W（钨）、Mo（钼）、Cr（铬）、V（钒）合金元素的合金工具钢。高速钢强度、韧性和工艺性均较好，有较高的耐热性，高温下切削速度比碳素工具钢高1～3倍。高速钢又称风钢，但由于磨出的切削刃较锋利，常被人们写成锋钢。高速钢由于热处理后可以磨光发亮，所以又常称为白钢。常用高速钢的常温硬度为62～70 HRC，耐热温度为540～620℃，切削速度为30～50 m/min。常用的高速钢分为普通高速钢和高性能高速钢。普通高速钢常用的牌号有W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V等。高性能高速钢是指在普通高速钢中增加碳或钒、钴、铝等金属元素的新钢种。常用的高性能高速钢有高碳高速钢（如9W18Cr4V）、高钒高速钢（如W12Cr4V4Mo）、钻高速钢（如W2Mo9Cr4VCo8）、铝高速钢（如W6Mo5Cr4V2Al）。高速钢只适用于制造中、低速切削的各种刀具，如钻头、铰刀、丝锥、铣刀、齿轮刀具、精加工车刀、拉刀、成形刀具等。常用高速钢的化学成分、性能和用途如表2-5所示。

表2-5　常用高速钢的化学成分、性能和用途

续表

注：高温硬度是指在600℃下的硬度，硬度和高温硬度均是洛氏硬度（HRC）。

2）硬质合金(www.xing528.com)

硬质合金是由高硬度难熔的金属化合物（WC、TiC、TaC、NbC等）微米数量级的粉末与金属黏结剂（Co、Mo、Ni等）烧结而成的粉末冶金制品。它的高温碳化物含量比高速钢高得多，因此，它的硬度，特别是高温硬度，耐磨性、耐热性都高于高速钢，焊接性好。硬质合金的常温硬度为89～93 HRA，耐热温度为890～1000℃，切削速度为160～400 m/min。

硬质合金刀具是高速切削的主要刀具，但硬质合金较脆，抗弯强度低（仅为高速钢的1/3），韧性也较低（仅为高速钢的十分之一至几十分之一）。目前硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，如外圆车刀等。随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。

常用硬质合金的类型、牌号、化学成分、性能和使用情况如表2-6所示。

表2-6　常用硬质合金的类型、牌号、化学成分、性能和使用情况

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注：表中符号的意义如下：Y——硬质合金；G——钴，它后面的数字表示含钴量；X——细晶粒合金；T——钛，它后面的数字表示TiC的含量；A——含TaC（NbC）的钨钼类硬质合金；W——通用合金；N——用镍作黏结剂的硬质合金。

3）涂层刀具材料

在韧性较好的刀具基体上，涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韧性。常用的涂层材料有TiC、TiN或Al2O3及其复合材料等，涂层厚度随刀具材料不同而异。

（1）TiC涂层：硬度高，耐磨性好，抗氧化性好，切削时能产生氧化钛膜，减少摩擦及刀具磨损。

（2）NC涂层：在高温时能产生氧化膜，与铁基材料的摩擦因数小，抗黏结性能好，并能有效降低切削温度。

（3）TiC-TiN复合涂层：第一层涂TiC，与刀具基体之间的黏结性好，不易脱落；第二层涂TiN，减少表面层与工件间的摩擦。

（4）TiC-Al2O3复合涂层：第一层涂TiC，与刀具基体之间的黏结性好，不易脱落；第二层涂Al2O3，可使刀具表面有良好的化学稳定性和抗氧化性。

目前，单涂层刀具已经很少应用，刀具大多采用复合涂层或三复合涂层。

3.其他刀具材料

1）陶瓷

常用的陶瓷是以Al2O3或Si3N4为基体成分在高温下烧结而成的。陶瓷的常温硬度为89～93 HRA，耐热温度为1000～1400℃，切削速度为320～800 m/min。

陶瓷的化学稳定性很好，耐磨性比硬质合金高十几倍，抗黏结能力强，最大的缺点是脆性大、强度低、导热性差。陶瓷刀具一般用于高硬度材料（如冷硬铸铁、淬硬钢等）的精加工。

2）金刚石

金刚石有天然和人造两类，除少数超精密加工和特殊用途外，工业上大都使用人造金刚石作为刀具和磨具材料。人造金刚石是石墨在高温（1200～2500℃）、高压（5～10个大气压）和相应的辅助条件下转化而成的。它的显微硬度可达10000 HV，耐热温度较低，在700～800℃时易脱碳，失去硬度。它的耐磨性极好，与金属的摩擦因数很小。它具有很高的导热性，刃磨非常锋利，粗糙度很小，可在纳米级（1 nm=0.001 μm）稳定切削。金刚石刀具主要用于加工各种有色金属（如铝合金、铜合金、镁合金等）、各种非金属材料（如石墨、橡胶、塑料、玻璃等），以及加工钛合金、金、银、铂、陶瓷和水泥制品等。另外，它还广泛用于磨具磨料。

3）立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是一种人造材料，用它制造的刀片有整体聚晶和复合两种。它的硬度仅次于人造金刚石，为8000～9000 HV，耐热温度可达1400℃，化学稳定性好。但它的焊接性能差，抗弯强度略低于硬质合金。

立方氮化硼刀具一般用于高硬度、难加工材料的精加工。另外，立方氮化硼可作为磨料，用于制作砂轮和研磨剂。