刀具材料的選用及新材料主講:鄧志節本講座共分為三個部分第一部分、介紹金屬材料的基礎知識第二部分、刀具材料的性質以及牌號第三部分、切削加工及刀具技術的展望第一部分、金屬材料的基礎知識前言材料是人類活動的基礎，材料的發展是人類發展的標志。人類歷史時代劃分：石器時代、銅器時代、鐵器時代。當今，材料仍然是科學與工業發展的基礎，先進材料是當代文明的主要支柱之一。工程材料的分類：金屬材料、無機材料（最主要的是工程陶瓷）、高分子材料以及復合材料。近幾十年來，金屬材料”一統天下”部分被其他材料取代金屬材料正朝著高性能化、復合化、多功能化和智能化方向發展。一、金屬的性能金屬的使用性能：使用條件下所表現出來的性能。包括物理性能（密度、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學性能、力學性能。金屬的工藝性能：在加工制造過程中表現出來的各種性能。直接影響零件的制造工藝與質量。包括：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能等。第一節金屬的力學性能一、強度二、塑性三、硬度四、沖擊韌性五、疲勞強度一、強度定義：指金屬在靜載荷作用下，抵抗變形或斷裂的能力。是機械零件（工程構件）在設計、加工、使用過程中的主要性能指標，特別是選材和設計的主要依據。強度的測定－－－－拉伸試驗二、塑性（一）定義金屬材料斷裂前發生永久變形的能力。（二）衡量指標伸長率：試樣拉斷后，標距的伸長與原始標距的百分比。斷面收縮率：試樣拉斷后，頸縮處的橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比。三、硬度

（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）維氏硬度（一）布氏硬度

應用測量比較軟的材料。測量范圍HBS<450、HBW<650的金屬材料。優缺點壓痕大，測量準確，但不能測量成品件。（二）洛氏硬度

1.原理

加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值應用范圍

常用洛氏硬度標度的試驗范圍HRA120°金剛石圓錐體600N70~85HRB1.588mm鋼球1000N25~100HRC120°金剛石圓錐體1500N20~67

優缺點優點：操作簡便、迅速，效率高，可直接測量成品件及高硬度的材料。缺點：壓痕小，測量不準確，需多次測量。四、沖擊韌性

（一）定義金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。（二）沖擊試樣（三）沖擊試驗原理及方法五、疲勞強度疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。據統計，在機械零件失效中大約80％以上屬于疲勞破壞。疲勞破壞之前沒有明顯的變形，斷裂是突然發生的。所以疲勞破壞經常造成重大事故。3、鐵碳合金鐵碳合金的基本組織：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體，碳溶解到α——鐵中的固溶體叫鐵素體，溶解到γ——鐵中的固溶體叫奧氏體。鐵素體與奧氏體都具有良好的塑性。當鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時，剩余出來的碳將與鐵形成化合物——碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。(2)鐵碳合金相圖FeFe3C00.77%2.11%4.3%6.69%91215381148727GSECAD1227F+PPP+Fe3CALL＋A鐵碳合金相圖的意義C點是共晶點S點是共析點（共析鋼）G點是純鐵的同素異構轉變點A點是純鐵的熔點D點是滲碳體的熔點第四節鋼的熱處理熱處理的定義：將固態的金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。熱處理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面熱處理。根本原因：同素異構轉變加熱的目的：獲得奧氏體1、退火將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后使它慢慢冷卻，稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發生相變或部分相變的溫度，經過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的：是為了消除組織缺陷，改善組織使成分均勻化以及細化晶粒，提高鋼的力學性能，減少殘余應力；同時可降低硬度，提高塑性和韌性，改善切削加工性能。退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內應力，又為后續工序作好準備，故退火是屬于半成品熱處理，又稱預先熱處理。退火的方法：完全退火、球化退火、去應力退火2、正火鋼的正火：正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，使鋼全部轉變為均勻的奧氏體，然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。目的：它能消除過共析鋼的網狀滲碳體，對于亞共析鋼正火可細化晶格，提高綜合力學性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經濟的。

3、淬火.鋼的淬火：淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低，以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻，而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度，但要減少其塑性。淬火中常用的淬火劑有：水、油、堿水和鹽類溶液等。4、回火.鋼的回火：將已經淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻稱為回火。目的：消除淬火產生的內應力，降低硬度和脆性，以取得預期的力學性能。回火分高溫回火、中溫回火和低溫回火三類。回火多與淬火、正火配合使用。

⑴調質處理：淬火后高溫回火的熱處理方法稱為調質處理。高溫回火是指在500-650℃之間進行回火。調質可以使鋼的性能，材質得到很大程度的調整，其強度、塑性和韌性都較好，具有良好的綜合機械性能。⑵時效處理：為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發生變化，常在低溫回火后（低溫回火溫度150-250℃）精加工前，把工件重新加熱到100-150℃，保持5-20小時，這種為穩定精密制件質量的處理，稱為時效。對在低溫或動載荷條件下的鋼材構件進行時效處理，以消除殘余應力，穩定鋼材組織和尺寸，尤為重要。

一、碳素鋼的分類、合金鋼的分類碳素鋼：含碳量大于0.0218%,小于2.11%的碳素合金鋼。1、碳素鋼的分類：1）按含碳量分：低碳鋼（含碳量小于0.25%)、中碳鋼（含碳量0.25%----0.60%)、高碳鋼（含碳量大于0.60%)2）按用途分：結構鋼（含碳量小于0.70%）、工具鋼（含碳量大于0.70%）3）按質量（硫、磷含量大小）分：普通鋼、優質鋼、高級優質鋼。2、合金鋼的分類按用途分：合金結構鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼按合金含量分：低合金鋼（小于5％）、中合金鋼（5％－－10％）、高合金鋼（大于10％）。第二部分刀具的材料刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機床，還是先進的數控機床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發展對提高生產率和加工質量具有直接影響。刀具材料、刀具結構和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起著關鍵性作用。國際生產工程學會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進，允許的切削速度每隔10年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀初的高速鋼、硬質合金發展到現在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上，允許切削速度已超過1000m/min，使切削加工生產率在不到100年時間內提高了100多倍。因此可以說，刀具材料的發展歷程實際上反映了切削加工技術的發展史。第一節刀具材料必需具備性能1)高硬度和高耐磨性

2)足夠的強度與沖擊韌性

3)高耐熱性

4)良好的工藝性和經濟性

1)高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度才能切下金屬，這是刀具材料必備的基本要求，現有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削條件較復雜，材料的耐磨性還決定于它的化學成分和金相組織的穩定性。2)足夠的強度與沖擊韌性

強度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎與刀桿折斷所應具備的性能。一般用抗彎強度來表示。沖擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應克服的一個關鍵。3)高耐熱性

耐熱性又稱紅硬性，是衡量刀具材料性能的主要指標。它綜合反映了刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度、抗氧化、抗粘結和抗擴散的能力。4)良好的工藝性和經濟性

為了便于制造，刀具材料應有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當然在制造和選用時應綜合考慮經濟性。當前超硬材料及涂層刀具材料費用都較貴，但其使用壽命很長，在成批大量生產中，分攤到每個零件中的費用反而有所降低。因此在選用時一定要綜合考慮。第二節常用刀具材料

1、高速鋼

2、硬質合金

3、涂層刀具

4、陶瓷刀具5、金剛石刀具

6、立方氮化硼

1、高速鋼

高速鋼是一種加人了較多的鎢、鉻、釩、相等合金元素的高合金工具鋼，有良好的綜合性能。其強度和韌性是現有刀具材料中最高的。高速鋼的制造工藝簡單，容易刃磨成鋒利的切削刃；鍛造、熱處理變形小，目前在復雜的刀具，如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具制造中，仍占有主要地位。高速鋼可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。普通高速鋼，如W1J8c24v廣泛用于制造各種復雜刀具。其切削速度一般不太高，切削普通鋼料時為40—60m／min。高性能高速鋼，如W12Cr4V4Mo是在普通高速鋼中再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用度為普通高速鋼的1．5—3倍粉末冶金高速鋼是70年代投入市場的一種高速鋼，其強度與韌性分別提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我國尚處于試驗研究階段，生產和使用尚少。高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷2、硬質合金

在各種刀具材料的發展中，硬質合金起著主導作用，此外，其它刀具材料的性能也得到了顯著改善，擴大了各自的應用領域，形成了各種刀具材料既有獨特優勢、使用范圍又相互取代補充的整體格局。正是刀具材料全面、迅速的發展為當今高速、高效的金屬切削加工奠定了基礎。硬質合金的性能不斷改進，應用面不斷擴大，成為切削加工的主要刀具材料，對推動切削效率的提高起到了重要作用。硬質合金按GB2075—87(參照采用190標準)可分為P、M、K三類，P類硬質合金主要用于加工長切屑的黑色金屬，用藍色作標志；M類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標志，又稱通用硬質合金，K類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，用紅色作標志。P、M、K(后面的阿拉伯數字表示其性能和加工時承受載荷的情況或加工條件。數字愈小，硬度愈高，韌性愈差。P類相當于我國原鎢鈦鉆類，主要成分為WC十TiC十Co，代號為YT。K類相當于我國原鎢鉆類，主要成分為WC十Co，代號為YG。M類相當于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為WC+TiC+TaC(NbC)十Co，代號為YW。3、涂層刀具涂層刀具是近20年出現的一種新型刀具材料，是刀具發展中的一項重要突破，是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有TiC、TiN和Al2O3等。

涂層技術發展本世紀70年代初首次在硬質合金基體上涂覆一層碳化鈦(TiC)后，把普通硬質合金的切削速度從80m／min提高到180m/min1976年又出現了碳化鈦—氧化鋁雙涂層硬質合金，把切削速度提高到250m／min。1981年又出現了碳化鈦—氧化鋁—氮化鈷三涂層硬質合金，使切削速度提高到300m／min。涂層技術簡介在高速鋼基體上刀具涂層多為TiN，常用物理氣相沉積法(PVD法)涂覆，一般用于鉆頭、絲錐、銑刀、滾刀等復雜刀具上，涂層厚度為幾微米，涂層硬度可達80HRC，相當于一般硬質合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20％一40％o硬質合金的涂層是在韌性較好的硬質合金基體上，涂覆一層幾微米至十幾微米厚的高耐磨、難熔化的金屬化合物，一般采用化學氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質合金廠生產的涂層硬質合金的涂層厚度可達9um，表面硬度可達2500—4200HV。PVD涂層超微粒硬質合金涂層刀具4、陶瓷刀具

陶瓷可能繼高速鋼、硬質合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高強度(抗彎強度為750~1000MPa)，耐磨性好，化學穩定性好，抗粘結性能良好，摩擦系數低且價格低廉等優點。不僅如此，陶瓷刀具還具有很高的高溫硬度，1200°C時硬度達到HRA80。常用的有：氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金屬陶瓷和晶須增韌陶瓷。陶瓷刀具能在切削加工的以下方面，顯示出其優越性：1、可加工傳統刀具難以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度達HRC65的各類淬硬鋼和硬化鑄鐵，因而可免除退火加工所消耗的電力；并因此也可提高工件的硬度，延長機器設備的使用壽命；

2、不僅能對高硬度材料進行粗、精加工，也可進行銑削、刨削、斷續切削和毛坯拔荒粗車等沖擊力很大的加工；

3、刀具耐用度比傳統刀具高幾倍甚至幾十倍，減少了加工中的換刀次數，保證被加工工件的小錐度和高精度；

4、可進行高速切削或實現“以車、銑代磨”，切削效率比傳統刀具高3-10倍，達到節約工時、電力、機床數30-70%或更高的效果。5、金剛石刀具眾所周知，金剛石材料的成分是碳，金剛石與鐵系有親和力，切削過程中，金剛石的導熱性優越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700度，否則會發生石墨化現象，工具會很快磨損。因為金剛石在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發生反應，與黑色金屬(鐵碳合金)在加工中會發生化學磨損，所以，金剛石不能用于加工黑色金屬只能用在有色金屬和非金屬材料上，而CBN即使在1000oC的高溫下，切削黑色金屬也完全能勝任。已成為未來難加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金剛石、人造CBN。這兩種材料的同時存在，起到了互補的作用、可以覆蓋當前與今后發展的各種新型材料的加工，對整個切削加工領金剛石刀具材料聚晶金剛石(PCD)：PCD晶粒呈無許許序排列狀態．不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導熱性，低的熱脹系數。高的彈性模量和較低的摩擦系數，刀刃非常鋒利。它可加丁各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜CVD厚膜抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差，人工合成單晶金剛石刃口質量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。厚膜金剛石不同于PCD之處是沒有結合劑，是純金剛石，所以它的硬度高得多，與天然金剛石不同，它具有各向同性，成本低，因此在許多方面將取代PCD。人工合成單晶金剛石人工合成單晶金剛石刃口質量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差金剛石刀具分類(以車刀為例）6、立方氮化硼

立方氮化硼(CBN)是純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼結塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300、1500度)，優良的化學穩定件(遠優于金剛石)和導熱性，低的摩擦系數。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。立方氮化硼CBN含量高的復合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好，其缺點是熱穩定性差和化學惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。CBN含量高的復合聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具硬度高、耐磨性好、抗壓強度高及耐沖擊韌性好，其缺點是熱穩定性差和化學惰性低，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結金屬的切削加工。第三部分、切削加工及刀具技術的展望

隨著近幾年競爭愈加激烈，對制造業提出了更高的要求。在切削加工領域，通過高速、大進給加工以提高加工效率，縮短加工時間；使用精密刀具實現高精度、高品質加工以提高附加價值；延長刀具壽命以降低刀具使用成本；使用最新技術的刀具以改變加工工序（由研磨、電火花加工變更為切削加工）等各方面，機加工用戶提出了越來越高的要求，切削刀具發揮了非常大的作用。

一、現狀刀具材料的發展與車削加工高速化的關系

1、切削技術與刀具工業進入了新的時代,切削技術與刀具工業的變化顯現出質的飛躍

◆切削刀具由傳統的機械工具實現了向高科技產品的飛躍，刀具的切削性能有顯著的的高。

◆切削技術由傳統的切削工藝向創新制造工藝的飛躍，大大提高了切削加工的效率。

◆刀具工業由脫離使用、脫離用戶的低級階段向面向用戶、面向使用的高級階段的飛躍，成為用戶可利用的專業化的社會資源和合作伙伴2、

切削技術新舊時代的更替是制造業發展和制造技術進步的產物

◆重要地位--是制造業中主要工業部門和裝備制造業的基礎工藝和關鍵技術；