常用刀具材料詳解

　　刀具材料決定刀具切削性能根本因素，對于加工效率、加工質量、加工成本以及刀具耐用度影響很大。使用碳工具鋼作為刀具材料時，切削速度只有10m/min左右；20世紀初出現了高速鋼刀具材料，切削速度提高到每分鐘幾十米；30年代出現了硬質合金，切削速度提高到每分鐘一百多米至幾百米；當前陶瓷刀具超硬材料刀具出現，使切削速度提高到每分鐘一千米以上；被加工材料發展也大大地推動了刀具材料發展。

　　一、刀具材料應具備性能

　　性能優良刀具材料，保證刀具高效工作基本條件。刀具切削部分強烈摩擦、高壓、高溫下工作，應具備如下基本要求。

　　高硬度高耐磨性

　　刀具材料硬度必須高于被加工材料硬度才能切下金屬，這刀具材料必備基本要求，現有刀具材料硬度都60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削條件較復雜，材料耐磨性還決定于它化學成分金相組織穩定性。

　　足夠強度與沖擊韌性

　　強度指抵抗切削力作用而不致于刀刃崩碎與刀桿折斷所應具備性能。一般用抗彎強度來表示。

　　沖擊韌性指刀具材料間斷切削或有沖擊工作條件下保證不崩刃能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度韌性一對矛盾，也刀具材料所應克服一個關鍵。

　　高耐熱性

　　耐熱性又稱紅硬性，衡量刀具材料性能主要指標。它綜合反映了刀具材料高溫下保持硬度、耐磨性、強度、抗氧化、抗粘結抗擴散能力。

　　良好工藝性經濟性

　　為了便于制造，刀具材料應有良好工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當然制造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，成批大量生產，分攤到每個零件費用反而有所降低。因此選用時一定要綜合考慮。

       二、 常用刀具材料

　　常用刀具材料有工具鋼、高速鋼、硬質合金、陶瓷超硬刀具材料，目前用得最多為高速鋼硬質合金。

　　高速鋼

　　高速鋼一種加人了較多鎢、鉻、釩、相等合金元素高合金工具鋼，有良好綜合性能。其強度韌性現有刀具材料最高。高速鋼制造工藝簡單，容易刃磨成鋒利切削刃；鍛造、熱處理變形小，目前復雜刀具，如麻花鉆、絲錐、拉刀、齒輪刀具成形刀具制造，仍占有主要地位。

　　高速鋼可分為普通高速鋼高性能高速鋼。

　　普通高速鋼，如W18Cr4V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普通高速鋼再增加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成。它耐用度為普通高速鋼1.5-3倍。

　　粉末冶金高速鋼70年代投入市場一種高速鋼，其強度與韌性分別提高30%-40%80%-90%．耐用度可提高2-3倍。目前我國尚處于試驗研究階段，生產使用尚少。

　　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黑色金屬，用藍色作標志；M類主要用于加工黑色金屬有色金屬，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黑色金屬、有色金屬非金屬材料，用紅色作標志。

　　P、M、K(后面阿拉伯數字表示其性能加工時承受載荷情況或加工條件。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+TiC+Co，代號為YT。
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硬度，耐用度可提高2-5倍，切削速度可提高20%-40%o

　　硬質合金涂層韌性較好硬質合金基體上，涂覆一層幾微米至十幾微米厚高耐磨、難熔化金屬化合物，一般采用化學氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質合金廠生產涂層硬質合金涂層厚度可達9?m，表面硬度可達2500-4200HV。

　　目前各工業發達國家對涂層刀具研究推廣使用方面發展非常迅速。處于領先地位瑞典，車削上使用涂層硬質合金刀片已占到70%-80%，銑削方面已達到50%以上。但涂層刀具不適宜加工高溫合金、鈦合金及非金屬材料，也不適宜粗加工有夾砂、硬皮鍛鑄件。

　　四、金剛石刀具

　　金剛石刀具分為天然金剛石人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質最高硬度導熱系數c但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件首飾雕刻等加工)，很少作為切削工具應用工業。隨著高技術超精密加工日益發展。例如微型機械微型零件，原子核反應堆及其它高技術領域各種反射鏡、導彈或火箭導航陀螺，計算機硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件加工，單晶大然金剛石能滿足上述要求。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具方法保護氣氛釬焊金剛石技術．使天然金剛石刀具制造過程變得比較簡易．因此，超精密鏡面切削高技術應用領域．天然金剛石起到了重要作用。

　　20世紀50年代利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉以后，70年代制造出金剛石基切削刀具即聚晶金剛石(PCD)。PCD晶粒呈無許許序排列狀態．不具方向性，因而硬度均勻。它有很高硬度導熱性，低熱脹系數。高彈性模量較低摩擦系數，刀刃非常鋒利。它可加丁各種有色金屬極耐磨高性能非金屬材料，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。

　　三種主要金剛石刀具材料--PCD、CVD厚膜人工合成單晶金剛石各自性能特點為：PCD焊接性、機械磨削性斷裂韌性最高，抗磨損性刃口質量居，抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質量斷裂韌性抗磨損性居，可焊接性差，人工合成單晶金剛石刃口質量、抗磨損性抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性斷裂韌性最差。

　　金剛石刀具目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想刀具材料，但由于碳對鐵親作用，特別高溫下，金剛石能與鐵發生化學反應，因此它不宜于切削鐵及其合金工件。

　　五、立方氮化硼

　　立方氮化硼(CBN)純人工合成材料。它20世紀50年代末用制造金剛石相似方法合成第二種超硬材料--CBN微粉。由于CBN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)，它由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)高溫高壓下燒結而成。CBN氮化硼致密相，有很高硬度(僅次于金剛石)耐熱性(1300、1500度)，優良化學穩定件(遠優于金剛石)導熱性，低摩擦系數。PCBN與Fe族元素親性很低，所以它高速切削黑色金屬較理想刀具材料。


　　K類相當于我國原鎢鉆類，主要成分為WC+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)+Co，代號為YW。

　　三涂層刀具簡述

　　涂層刀具近20年出現一種新型刀具材料，刀具發展一項重要突破，解決刀具材料硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾一個有效措施。涂層刀具一些韌性較好硬質合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高難熔化金屬化合物而獲得。常用涂層材料有TiC、TiNAl2O3等。本世紀70年代初首次硬質合金基體上涂覆一層碳化鈦(TiC)后，把普通硬質合金切削速度從80m/min提高到180m/min。1976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。