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(zhì)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(jì)初出現(xiàn)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(xiàn)了硬質(zhì)合金，切削速度提高到每分鐘一百多米至幾百米；當(dāng)前陶瓷刀具超硬材料刀具出現(xiàn)，使切削速度提高到每分鐘一千米以上；被加工材料發(fā)展也大大地推動了刀具材料發(fā)展。

　　一、刀具材料應(yīng)具備性能

　　性能優(yōu)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(yīng)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(xiàn)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(fù)雜，材料耐磨性還決定于它化學(xué)成分金相組織穩(wěn)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(yīng)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(yīng)克服一個關(guān)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(biāo)。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(jié)抗擴散能力。

　　良好工藝性經(jīng)濟性

　　為了便于制造，刀具材料應(yīng)有良好工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當(dāng)然制造選用時應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性。當(dāng)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(chǎn)，分?jǐn)偟矫總€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(zhì)合金、陶瓷超硬刀具材料，目前用得最多為高速鋼硬質(zhì)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(xiàn)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(fù)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(fù)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(chǎn)使用尚少。

　　硬質(zhì)合金

　　按GB2075-87(參照采用190標(biāo)準(zhǔn))可分為P、M、K三類，P類硬質(zhì)合金主要用于加工長切屑黑色金屬，用藍(lán)色作標(biāo)志；M類主要用于加工黑色金屬有色金屬，用黃色作標(biāo)志，又稱通用硬質(zhì)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(biāo)志。

　　P、M、K(后面阿拉伯?dāng)?shù)字表示其性能加工時承受載荷情況或加工條件。數(shù)字愈小，硬度愈高，韌性愈差。

　　P類相當(dāng)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(fù)雜刀具上，涂層厚度為幾微米，涂層硬度可達(dá)80HRC，相當(dāng)于一般硬質(zhì)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(zhì)合金涂層韌性較好硬質(zhì)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(xué)氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)涂層硬質(zhì)合金涂層厚度可達(dá)9?m，表面硬度可達(dá)2500-4200HV。

　　目前各工業(yè)發(fā)達(dá)國家對涂層刀具研究推廣使用方面發(fā)展非常迅速。處于領(lǐng)先地位瑞典，車削上使用涂層硬質(zhì)合金刀片已占到70%-80%，銑削方面已達(dá)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(zhì)最高硬度導(dǎo)熱系數(shù)c但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數(shù)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(yīng)用工業(yè)。隨著高技術(shù)超精密加工日益發(fā)展。例如微型機械微型零件，原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域各種反射鏡、導(dǎo)彈或火箭導(dǎo)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(fā)了多種化學(xué)機理研磨金剛石刀具方法保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)．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(shù)應(yīng)用領(lǐng)域．天然金剛石起到了重要作用。

　　20世紀(jì)50年代利用高溫高壓技術(shù)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(tài)．不具方向性，因而硬度均勻。它有很高硬度導(dǎo)熱性，低熱脹系數(shù)。高彈性模量較低摩擦系數(shù)，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(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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?nèi)斯ず铣刹牧稀Ｋ?0世紀(jì)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(jié)性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼結(jié)塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)高溫高壓下燒結(jié)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(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定件(遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石)導(dǎo)熱性，低摩擦系數(shù)。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(dāng)于我國原鎢鉆類，主要成分為WC+Co，代號為YG。

　　M類相當(dāng)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(xiàn)一種新型刀具材料，刀具發(fā)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(zhì)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(jì)70年代初首次硬質(zhì)合金基體上涂覆一層碳化鈦(TiC)后，把普通硬質(zhì)合金切削速度從80m/min提高到180m/min。1976年又出現(xiàn)了碳化鈦-氧化鋁雙涂層硬質(zhì)合金，把切削速度提高到250m/min。1981年又出現(xiàn)了碳化鈦-氧化鋁-氮化鈷三涂層硬質(zhì)合金，使切削速度提高到300m/min。