刀具材料的基本性能要求及常用刀具材料

㈠刀具材料的基本性能要求
⒈高硬度
⑴刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。
⑵刀具材料最低硬度应在60HRC以上。
⑶对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC。
⒉高强度与强韧性
⑴刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力。
⑵如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f ＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性。
⑶一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力。
⒊较强的耐磨性和耐热性
⑴刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。
一般刀具硬度越高，耐磨性越好；刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。
⑵刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。
⒋优良导热性
⑴刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。
⑵刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强。
⒌良好的工艺性与经济性
⑴刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能。
⑵经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本。

㈡常用刀具材料
Ⅰ普通刀具材料
⒈高速钢
⑴概念：
高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢
⑵性质：
①高速钢具有良好的热稳定性
②高速钢具有较高强度和韧性
③高速钢具有一定的硬度(63～70HRC)和耐磨性
⑶高速钢的分类
①普通高速钢
A钨系高速钢（简称 W18）
优点：钢磨削性能和综合性能好，通用性强。
缺点：碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具。
B钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢 ）
优点：减小了碳化物数量及分布的不均匀性 。
缺点：高温切削性能和W18相比稍差。
②高性能高速钢
优点：具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍 。
缺点：强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差。
适合加工的零件：奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。
③粉末冶金高速钢
优点：无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；
保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；
磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；
耐磨性好。
适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。
⒉硬质合金
⑴硬质合金组成
硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成。
⑵硬质合金的性能特点
硬质合金优点：硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好 ,热硬性好，切削速度高。
硬质合金缺点：脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。
硬质合金力学性能：主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定。 
⑶普通硬质合金的种类、牌号及适用范围
按其化学成分的不同可分为 ：
①钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类 ）
合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；
钴含量低，适于精加工。
②钨钛钴类
钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类 ）
此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。
合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低 → 粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号。
③钨钛钽（铌）钴类
钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）
适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工。
④碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）合金代号YN，对应于国标P01类。
用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。
⑷超细晶粒硬质合金
超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢。
适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料。
Ⅱ特殊刀具材料
⒈陶瓷刀具
⑴材料组成：主要由硬度和熔点都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物组成，另外还有少量的金属碳化物、氧化物等添加剂，通过粉末冶金工艺方法制粉，再压制烧结而成。
⑵常用种类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷
⑶优点：有很高的硬度和耐磨性，刀具寿命比硬质合金高；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力比硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。
⑷缺点：强度和韧性差，热导率低。陶瓷最大缺点是脆性大，抗冲击性能很差。
⑸适用范围：高速精细加工硬材料。
⒉金刚石刀具
⑴分类：天然金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；复合聚晶金刚石刀具。
⑵优点：极高的硬度和耐磨性，人造金刚石硬度达10000HV，耐磨性是硬质合金的60～80倍；切削刃锋利，能实现超精密微量加工和镜面加工；很高的导热性。
⑶缺点：耐热性差，强度低，脆性大，对振动很敏感。
⑷适用范围：用于高速条件下精细加工有色金属及其合金和非金属材料。
⒊立方氮化硼刀具
⑴概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。
⑵优点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。
⑶缺点：强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。
⑷适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。它不宜加工塑性大的钢件和镍基合金，也不适合加工铝合金和铜合金，通常采用负前角的高速切削。
Ⅲ涂层刀具
⑴概念：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性较高的难熔金属化合物而制成。
⑵常用的涂层材料有：TiC、TiN、Al2O3等
⑶涂层形式：可以采用单涂层和复合涂层
⑷优点：涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性 
⑸适用范围：主要用于车削、铣削等加工，由于成本较高，还不能完全取代未涂层刀具的使用。不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。
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