第二章

刀具材料刀具切削部分材料的性能

切削部分的幾何參數(shù)刀具結(jié)構(gòu)

切削生產(chǎn)率、刀具使用壽命刀具消耗、加工成本加工精度、表面質(zhì)量本章主要講解刀具切削部分材料性能；常用刀具材料牌號(hào)、性能與選用。刀具切削性能的好壞刀具材料（3）高的耐熱性（2）足夠的強(qiáng)度和韌性2.1刀具材料應(yīng)具備的性能

刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志，通常用高溫下保持高硬度的性能來(lái)衡量，也稱(chēng)熱硬性刀具材料應(yīng)具備以下性能：（1）高硬度和高耐磨性（4）良好的工藝性（1）高的硬度和耐磨性硬度：刀具是從工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度應(yīng)在62HRC以上。

對(duì)于碳素工具鋼材料，在室溫條件下硬度應(yīng)在62HRC以上；高速鋼硬度為63HRC～70HRC；硬質(zhì)合金刀具硬度為89HRC～93HRC。耐磨性：表示材料抵抗磨損的能力

一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相組織中硬質(zhì)點(diǎn)（如碳化物、氮化物等）越多，顆粒越小，分布越均勻，則刀具耐磨性越好。（2）足夠的強(qiáng)度與韌性刀具材料在切削時(shí)要受到很大的切削力及沖擊和振動(dòng)。

如車(chē)削45鋼，在背吃刀量ap＝4㎜，進(jìn)給量f＝0.5㎜/r的條件下，刀片所承受的切削力達(dá)到4000N，可見(jiàn)，刀具材料必須具有較高的強(qiáng)度和較強(qiáng)的韌性。一般刀具材料的強(qiáng)度用抗彎強(qiáng)度бb表示，韌性用沖擊韌度aK表示，反映刀具材料抗脆性斷裂和崩刃的能力。一般刀具材料強(qiáng)度高，韌性則好，但硬度和耐磨性顯著降低。（3）高的耐熱性（熱硬性、紅硬性）刀具材料耐熱性是衡量刀具切削性能的主要標(biāo)志。（綜合指標(biāo)）耐熱性指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌性的能力。通常用高溫硬度值來(lái)衡量。

刀具材料高溫硬度越高，則耐熱性越好，在高溫抗塑性變形能力、抗磨損能力越強(qiáng)，切削性能越好，允許的切削速度越高。此外刀具材料在高溫下還應(yīng)具有抗氧化、抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力（化學(xué)穩(wěn)定性）；還應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性好和耐熱沖擊性。（4）良好的工藝性刀具不但要有良好的切削性能，本身還應(yīng)該易于制造，這要求刀具材料有較好的工藝性（制造和刃磨刀具的難易程度），如鍛造、熱處理、焊接、磨削、高溫塑性變形等性能。經(jīng)濟(jì)性—評(píng)價(jià)新型刀具材料的重要指標(biāo)之一；正確選用刀具材料、降低產(chǎn)品成本主要依據(jù)之一。

價(jià)格低廉、成本低、資源豐富、立足國(guó)內(nèi)小結(jié)

選擇刀具材料時(shí)很難找到各方面的性能都是最佳的，因?yàn)椴牧闲阅苤g有的是相互制約的。只能根據(jù)工藝需要保證主要需求的性能。

如：粗加工鍛件毛坯加工硬材料

四大類(lèi)：工具鋼超硬刀具材料

耐熱性差，抗彎強(qiáng)度高，價(jià)格便宜，焊接與刃磨性好，用于手工工具及中低速切削的成形刀具。

生產(chǎn)中用的最多、最廣。

耐熱性好，生產(chǎn)效率高，刀片強(qiáng)度韌性不及工具鋼，焊接與刃磨性也比工具鋼差，多用于制作車(chē)刀、銑刀及各種高效切削刀具。

強(qiáng)度低、脆性大，成本高，僅用于某些有限的場(chǎng)合。使用量日益增長(zhǎng)碳素工具鋼合金工具鋼高速鋼硬質(zhì)合金陶瓷

金剛石立方氮化硼2.2常用刀具材料圖2-1各類(lèi)刀具材料硬度和韌性一、高速鋼

（一）概念

高速鋼（又名“鋒鋼”）是一種加入了較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素的高合金工具鋼。

（二）性能

①一定的硬度和耐磨性

硬度一般為63～66HRC。

②較高的熱穩(wěn)定性

在切削溫度高達(dá)500～650℃時(shí)尚能保持高硬度。

③切削速度高

比碳素工具鋼、合金工具鋼速度提高了1～3倍，故得名“高速鋼”。

④較高強(qiáng)度和韌性

適于加工從有色金屬到高溫合金的范圍廣泛的金屬材料。⑤良好的工藝性

制造工藝簡(jiǎn)單，具有特別好的冷加工工藝性（在熱處理前，高速鋼可以象一般中碳鋼一樣的進(jìn)行各種加工；熱處理后，高速鋼刀具可以磨出鋒利的切削刃。）、磨削加工工藝性和較好的熱加工工藝性。

在鉆頭、絲錐、拉刀、齒輪刀具、成形刀具等低速小型、復(fù)雜及成形刀具制造中，高速鋼仍占主導(dǎo)地位。綜合性能好、應(yīng)用范圍廣

（三）分類(lèi)

1、普通（通用）高速鋼（1）鎢系高速鋼（W18Cr4V簡(jiǎn)稱(chēng)

W18）應(yīng)用最早，鋼磨削性能和綜合性能好，通用性強(qiáng)，可以制造各種復(fù)雜刀具。

碳化物分布常不均勻，強(qiáng)度與韌性不夠強(qiáng)，熱塑性差，不宜制造成大截面刀具。

鎢是稀有金屬，使用較少。（2）鎢鉬系高速鋼（以鉬代鎢，含鎢較少）①W6Mo5Cr4V2簡(jiǎn)稱(chēng)

M2優(yōu)點(diǎn)：碳化物顆粒細(xì)小，分布均勻，具有良好的力學(xué)性能；抗彎強(qiáng)度、韌性比W18鋼高，能承受較大沖擊力；熱塑性特別好，更適用于制造熱軋鉆頭等；磨加工性好，目前各國(guó)廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：耐熱性稍低于W18；熱處理時(shí)脫碳傾向大，易氧化；淬火溫度范圍窄。②W9Mo3Cr4V簡(jiǎn)稱(chēng)

W9（據(jù)我國(guó)資源研制）具有良好的力學(xué)性能、熱塑性和可磨性，熱處理溫度范圍寬，抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和熱穩(wěn)定性均高于M2鋼，脫碳傾向比M2鋼小得多，可用于制造各種刀具（鋸條、齒輪刀具、鉆頭、拉刀、銑刀等）。加工各種鋼材時(shí)，刀具壽命比W18和M2都有一定提高。

2、高性能高速鋼

高性能高速鋼是在普通高速鋼中增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等合金元素的新鋼種。目的是為了提高高速鋼的耐熱性和耐磨性。具有較高的耐熱性，更好的切削性能，刀具耐用度是普通高速鋼的1.5～3倍。

適合加工的零件：奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。

（1）鈷高速鋼應(yīng)用最廣：W2Mo9Cr4VCo8（M42）良好的綜合性能，硬度高，允許較高切削速度，韌性好，可磨削性好，加工耐熱合金、不銹鋼時(shí)，刀具壽命較普通高速鋼有明顯提高。

（2）鋁高速鋼W6Mo5Cr4V2Al（501）在M2基礎(chǔ)上加Al增C600℃時(shí)硬度達(dá)到54HRC，切削性能接近M42鋼，可磨性低于M42，熱處理溫度較難控制。立足于我國(guó)資源研制，成本低，已推廣使用。

表2-1高速鋼的力學(xué)性能及主要用途3、粉末冶金高速鋼

用高壓氬氣或純氮?dú)忪F化熔融的高速鋼鋼水，得到高速鋼粉末，然后在高溫高壓下，將粉末壓制成致密的鋼坯，最后再軋制（或鍛造）成材。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)碳化物偏析，提高鋼的強(qiáng)度、韌性和硬度，硬度值達(dá)69～70HRC；保證材料各向同性，減小熱處理內(nèi)應(yīng)力和變形；磨削加工性好，磨削效率比熔煉高速鋼提高2～3倍；耐磨性好；節(jié)約鋼材和工時(shí)。適于制造切削難加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滾刀和插齒刀），精密刀具和磨加工量大的復(fù)雜刀具。各類(lèi)高速鋼刀具高速鋼材料制成的中心鉆

硬質(zhì)合金是由高硬度的難熔金屬碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC等）和金屬粘結(jié)劑（如Co、Ni等）用粉末冶金方法制成的一種刀具材料。二、硬質(zhì)合金（一）主要性能硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高。常用硬質(zhì)合金的硬度為89～93HRA，耐熱性可達(dá)800～1000℃。抗彎強(qiáng)度、抗沖擊韌性比高速鋼低，工藝性比高速鋼稍差，硬度、耐熱性比高速鋼高，切削速度比高速鋼提高4～10倍。已成為切削加工中主要的刀具材料，廣泛用在切削速度較高的各種刀具甚至復(fù)雜刀具中。

主要用于制造如車(chē)刀、刨刀、銑刀、深孔鉆、鉸刀等刀具。

硬質(zhì)合金的力學(xué)性能，主要取決于金屬碳化物的種類(lèi)、數(shù)量、顆粒粗細(xì)和粘化劑的種類(lèi)、數(shù)量。

碳化物多→硬度高、耐磨性好

粘結(jié)劑多→抗彎強(qiáng)度高細(xì)晶粒強(qiáng)度低于粗晶粒細(xì)晶粒硬度高于粗晶粒（二）普通硬質(zhì)合金

1、K類(lèi)硬質(zhì)合金（WC+Co）（YG）成分：90%~97%WC+3%~10%Co常用牌號(hào)：YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8、YG8C

含鈷越多，強(qiáng)度越高，硬度、耐熱性、耐磨性越低，適宜粗加工；含碳化鎢越多，硬度、耐熱性、耐磨性越高，強(qiáng)度越低，適宜精加工。YG類(lèi)具有較高的抗彎強(qiáng)度和韌性，所以主要用于加工鑄鐵，也適用于加工有色金屬和非金屬材料。此外，YG類(lèi)硬質(zhì)合金還適用于加工鈦合金和不銹鋼。2、P類(lèi)硬質(zhì)合金（WC+TiC+Co）（YT

）成分：5%~40%TiC，其余為WC+Co常用牌號(hào)：YT5、YT14、YT15、YT30此類(lèi)合金有較高的硬度、耐磨性和耐熱性，主要用于加工切屑成呈帶狀的鋼件等塑性材料。

合金中含TiC量越多，則硬度、耐熱性和耐磨性越高，強(qiáng)度越低→粗加工一般選擇TiC含量少的牌號(hào)，精加工選擇TiC含量多的牌號(hào)。3、M類(lèi)硬質(zhì)合金（WC+TiC+TaC（NbC）+Co）（YW）成分：5%~10%TiC+TaC（NbC）

，其余為WC+Co常用牌號(hào)：YW1、YW2YW類(lèi)硬質(zhì)合金兼有YG類(lèi)和YT類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)，具有硬度高、耐熱性好和強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)。適用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金半精加工，也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼及耐熱合金鋼的半精加工和精加工，故被稱(chēng)為通用硬質(zhì)合金。

（三）其他硬質(zhì)合金

1、TiC、TiN基硬質(zhì)合金相當(dāng)于P類(lèi)硬質(zhì)合金，硬度高于WC基。主要用于合金鋼、淬硬鋼精加工和半精加工。

2、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒可達(dá)0.2～1μm主要用于不銹鋼、鈦合金等難加工材料的斷續(xù)加工，允許用較低切削速度切削。

3、鋼結(jié)硬質(zhì)合金WC、TiC作硬質(zhì)相，高速鋼作粘結(jié)相，粉末冶金方法制成。主要用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜耐磨的刀具及某些特殊刀具。選用加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料→YG

(高速切削可選YT)加工鋼料→YT

低速切削可選YG粗加工時(shí)，要求刀具抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性高→選用含鈷量多的硬質(zhì)合金精加工時(shí)，要求刀具硬度、耐磨性、耐熱性高→選用含鈷量少的硬質(zhì)合金各類(lèi)硬質(zhì)合金鋼刀具三、涂層刀具概念：涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上或在高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層或多層硬度和耐磨性很高的難熔金屬化合物而制成。常用的涂層材料有：TiC、TiN、TiCN

、Al2O3等。涂層形式：可以采用單涂層和復(fù)合涂層。

優(yōu)點(diǎn)：涂層刀具具有較好的綜合性能，基體強(qiáng)度韌性較好，表面有高的硬度、耐磨性、耐熱性，因此具有較高的刀具耐用度。（涂層硬質(zhì)合金刀具耐用度提高1～3倍，涂層高速鋼刀具耐用度提高2～10倍。）缺點(diǎn)：刃口鋒利程度、抗崩刃性不及普通合金適用范圍：主要用于車(chē)削、銑削等加工，由于成本較高，還不能完全取代未涂層刀具的使用。不適合受力大和沖擊大的粗加工，高硬材料的加工以及進(jìn)給量很小的精密切削。1、涂層高速鋼刀具采用物理氣相沉積法（PVD）涂層，沉積溫度500℃左右。用鈍后可重磨后再用。特別適合加工鋼材；適用于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的工具。2、涂層硬質(zhì)合金刀具采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）涂層，沉積溫度1000℃左右。大多采用復(fù)合涂層。其制造的可轉(zhuǎn)位刀片廣泛用于數(shù)控機(jī)床和加工中心。適用于各種鋼材、鑄鐵的精加工和半精加工，負(fù)荷較輕的粗加工也可使用。涂層硬質(zhì)合金刀片2.3其他刀具材料一、陶瓷材料組成：主要由硬度和熔點(diǎn)都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物組成，另外還有少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑，通過(guò)粉末冶金工藝方法制粉，再壓制燒結(jié)而成。

特點(diǎn)：（1）有很高的硬度和耐磨性。常溫硬度達(dá)91~95HRA，可切削60HRC以上的硬材料；耐磨性為一般硬質(zhì)合金的5倍，刀具壽命比硬質(zhì)合金高；（2）有很高的耐熱性。1200℃維持80HRA，再高溫還能切削，切削速度比硬質(zhì)合金提高2~5倍。（3）有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。陶瓷與金屬親和力小。（4）有較低的摩擦系數(shù)。切屑與刀具不易粘結(jié)。（5）強(qiáng)度和韌性差，熱導(dǎo)率低。陶瓷最大缺點(diǎn)是脆性大，抗沖擊性能很差。熱導(dǎo)率僅為硬質(zhì)合金的1/2~1/5。適用范圍：高速精細(xì)加工硬材料。常用種類(lèi)：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷（1）氧化鋁陶瓷第一代陶瓷刀具材料

50年代使用。強(qiáng)度、韌性差，切削刃易微崩，使用范圍很有限。（2）氧化鋁—碳化物系陶瓷

70年代使用。將一定量碳化物（多用TiC）添加到Al2O3中熱壓燒結(jié)而成。TiC達(dá)30%可有效提高陶瓷的密度、強(qiáng)度與韌性，使刀片不易產(chǎn)生熱裂紋，不易破損。適于中高速加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。（3）氮化硅基陶瓷新型陶瓷刀具材料

80年代使用。有氮化硅陶瓷、Al2O3-Si3N4陶瓷。硬度高，強(qiáng)度、韌性高，耐熱性高，耐熱沖擊性高，抗氧化性能好，摩擦系數(shù)小。能高速切削，速度可達(dá)500～600m/min。適于精車(chē)、半精車(chē)，精銑、半精銑，可加工冷硬鑄鐵、高速鋼、鎳基合金、鈦合金等難加工材料。氮化硅陶瓷刀具二、立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由軟的六方氮化硼（白石墨）為原料在高溫高壓下加入催化劑轉(zhuǎn)變而成。70年代發(fā)展起來(lái)的新型刀具材料。性能：

（1）有很高的硬度及耐磨性。顯微硬度為8000～9000HV，僅次于金剛石。加工淬火鋼，刀具壽命比硬質(zhì)合金提高3～15倍。

（2）有很高的熱穩(wěn)定性。耐熱性可達(dá)1400～1500℃，適合在高速下切削高溫合金。

（3）化學(xué)穩(wěn)定性好。CBN與鐵系金屬在1200～1300℃時(shí)也不起化學(xué)反應(yīng)，可高速切削淬火鋼、冷硬鑄鐵。

（4）有較高的導(dǎo)熱性和較小的摩擦系數(shù)。熱導(dǎo)率為金剛石的1/2但遠(yuǎn)高于陶瓷刀具，隨溫度升高而增加。

（5）強(qiáng)度和韌性較差。抗彎強(qiáng)度僅為陶瓷刀具的1/5～1/2，一般只用于精加工。適用范圍：

適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。不適合加工塑性大的鋼鐵金屬和鎳基合金，也不適合加工鋁合金和銅合金。CBN脆性大，不宜低速切削，常采用負(fù)前角的高速切削，發(fā)揮高溫硬度性能。種類(lèi)：1、整體聚晶立方氮化硼刀片

可用于車(chē)刀、鏜刀、鉸刀等。2、立方氮化硼復(fù)合刀片

充分發(fā)揮刀刃（CBN）的耐磨性和基體（WC）的韌性綜合作用，擴(kuò)大使用范圍，降低成本。立方氮化硼刀具三、金剛石

金剛石是碳的同素異形體，是目前最硬的刀具材料，顯微硬度達(dá)10000HV。特點(diǎn)：（1）有極高的硬度和耐磨性。可加工65~70HRC材料，耐磨性是硬質(zhì)合金的60～80倍，刀具壽命提高幾倍到幾十倍。（2）切削刃鋒利。能實(shí)現(xiàn)超精密微量加工和鏡面加工。（3）有很好的導(dǎo)熱性。熱膨脹系數(shù)低，切削加工時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大熱變形，利于精密加工。（4）耐熱性差。溫度超過(guò)800℃碳化失去切削能力，高溫下