刀具的材料及其應具備的性能

刀具材料是決（jué）定刀具切削（xuē）性能的根本因素，對於加工效率、加工（gōng）質量、加工成本以及刀具耐用（yòng）度影響很大（dà）。使用碳工（gōng）具鋼作為刀具材料時，切削速度隻有10m/min左右;20世紀初出現（xiàn）了高速鋼刀具材料，切削速度提高到每分鍾幾十米;30年代出現（xiàn）了硬質合金，切削速度提高到每分鍾（zhōng）一百（bǎi）多米至幾百米;當（dāng）前陶（táo）瓷刀具和超硬（yìng）材料刀具的出現，使切削速度提高到（dào）每分鍾一（yī）千（qiān）米以上;被加工材料的發展也大大地推動了刀（dāo）具材料的發展。

　　一 刀具材料應具備的性能

　　性能優良的刀具材料，是（shì）保證（zhèng）刀具高效工作的基本條件。刀（dāo）具切削部分在強烈摩擦（cā）、高壓、高溫下工作，應（yīng）具（jù）備如下的基（jī）本要求。

　　高硬度和（hé）高耐磨性

　　刀具材料的（de）硬度必須高於（yú）被加工（gōng）材料的硬（yìng）度才能（néng）切下金屬（shǔ），這是刀具材（cái）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，但由於切削條件較複雜，材（cái）料的（de）耐磨（mó）性還決定於（yú）它的化學成分和金（jīn）相組織的穩定性。

　　足夠的強度與衝擊韌性

　　強度是指抵抗切削力（lì）的作用（yòng）而不（bú）致（zhì）於刀刃（rèn）崩碎與刀杆折斷所應具備的性（xìng）能。一般用抗（kàng）彎強度來表示。

　　衝擊韌性是指刀具材（cái）料在間斷切削或有衝擊的（de）工作條件下（xià）保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，衝擊韌（rèn）性越低，材料越脆（cuì）。硬度和韌性是（shì）一（yī）對矛盾，也是（shì）刀具材料所應克服的一個關鍵（jiàn）。

　　高耐熱性

　　耐熱（rè）性又稱紅硬性，是衡量刀具材（cái）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。

　　良好的工藝性和經濟性

　　為了便於製（zhì）造，刀具材料應有良好的工藝（yì）性，如鍛（duàn）造、熱處理及磨削加工性能。當然在製造和選用（yòng）時應綜合（hé）考慮經濟性。當前超硬材（cái）料及（jí）塗層刀具材料費用都（dōu）較貴，但（dàn）其使（shǐ）用（yòng）壽命（mìng）很長，在成（chéng）批大量生產中，分攤到每個零件中的費用反而有所降低（dī）。因此在選（xuǎn）用時一定要綜合考慮。

　　二 常用刀具材料

　　常（cháng）用刀具材料有工具鋼、高速鋼、硬（yìng）質合金、陶瓷和（hé）超硬刀具材料，目前用得最多的為高速（sù）鋼和硬質合金。

　　高速鋼

　　高速鋼是一種加人了較（jiào）多的鎢、鉻（gè）、釩、相等合金元素的高（gāo）合金工具鋼，有良好（hǎo）的綜合性能。其（qí）強度和韌性是現有刀具材料中的。高速鋼的製造工藝簡單，容易刃磨成鋒利的切削刃（rèn）;鍛造、熱處理變形小，目（mù）前在（zài）複（fù）雜的刀具，如麻花鑽、絲錐、拉刀、齒輪刀（dāo）具和成形刀具製（zhì）造中，仍占有主（zhǔ）要地位。

　　高速鋼可分為普通高速（sù）鋼和（hé）高性能高速（sù）鋼。

　　普（pǔ）通高速鋼，如W18Cr4V廣泛用於（yú）製造各種複雜刀具。其切削速（sù）度一般不太高，切削普（pǔ）通鋼料時為40-60m/min。

　　高性能高（gāo）速鋼，如W12Cr4V4Mo是在普通（tōng）高速鋼中再（zài）增（zēng）加（jiā）一些（xiē）含（hán）碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用（yòng）度（dù）為普通高速鋼（gāng）的1.5-3倍（bèi）。

　　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（yǔ）韌性分別提高30%-40%和80%-90%.耐用度可提高2-3倍。目前我國尚處於試驗研究階段，生產和使用尚少。

　　硬質合金

　　按GB2075—87(參照（zhào）采用190標（biāo）準)可分（fèn）為P、M、K三類，P類硬質合金主要用於加工長切屑的黑色金屬，用藍色作標誌;M類主要用於加工黑色金屬（shǔ）和有色金屬，用黃色作標誌，又稱通用硬質合金，K類主要用於加（jiā）工短切屑的黑色金屬、有色金屬和（hé）非金屬材料，用紅色作標誌。

　　P、M、K(後麵的阿拉伯數字表（biǎo）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（rèn）性愈差。

　　P類（lèi）相當於我國原鎢鈦鑽（zuàn）類，主要成分為WC+TiC+Co，代號為YT。

　　K類（lèi）相當於我國原鎢鑽（zuàn）類，主要成分（fèn）為WC+Co，代號為YG。

　　M類相當於我國原鎢（wū）鈦鉭（tǎn）鈷類通（tōng）用合金，主（zhǔ）要成分為WC+TiC+TaC(NbC)+Co，代號為YW。

　　三 塗層刀具簡（jiǎn）述

　　塗層（céng）刀具是近（jìn）20年出現的一（yī）種新型刀具材料，是（shì）刀具發展中的一項重要突破，是解決刀具材料中（zhōng）硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效（xiào）措施。塗層刀具是在一（yī）些韌性較好的硬質合金或高速鋼刀（dāo）具基（jī）體上，塗覆一層（céng）耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的塗層材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世紀70年代初首次（cì）在硬質合金基體上塗覆一層碳化鈦(TiC)後，把普通硬質合金的切削速度從80m/min提高到180m/min。1976年又出現了碳（tàn）化鈦—氧化鋁雙塗層硬質合（hé）金，把切削速度提高到250m/min。1981年又出現了碳（tàn）化鈦-氧化鋁-氮化（huà）鈷三塗層硬質合金，使切削速度提高到300m/min。

　　在高速（sù）鋼基體上刀具塗層多為TiN，常用物理（lǐ）氣相沉積法(PVD法)塗覆，一般用（yòng）於（yú）鑽頭、絲錐（zhuī）、銑刀、滾刀等複雜刀具上（shàng），塗層厚度為幾微米（mǐ），塗層（céng）硬度（dù）可達80HRC，相（xiàng）當（dāng）於一般硬質合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可（kě）提高20%-40%。

　　硬質合金（jīn）的塗（tú）層是在韌性較好（hǎo）的硬質合（hé）金基體上，塗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（chǎn）的塗層硬質合金的塗層厚度可達9µm，表麵硬度（dù）可達2500-4200HV。

　　目前各工業發達國家對塗層刀具的研究和推廣使用方（fāng）麵發展非常迅速。處於領先地位的瑞典，在車削（xuē）上使用塗層硬質合（hé）金刀片已占到70%-80%，在銑（xǐ）削方（fāng）麵已達到50%以上。但是塗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（gōng）有夾砂、硬皮的鍛鑄件。

　　四 金剛石刀具

　　金剛石刀具分為（wéi）天然金剛石（shí）和人造金剛石刀具。天（tiān）然金剛石具有自然界物質中的硬度和導熱係數c但由於（yú）價格昂貴，加（jiā）工、焊接都非常困難，除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾（shì）雕刻等加工)，很少作為切（qiē）削工具應用在工業中（zhōng）。隨著高（gāo）技術和超精密加工日益發展。例如微（wēi）型機械的微型零件，原子（zǐ）核反應堆及（jí）其它高技術領域的各種反射鏡、導（dǎo）彈或火箭中（zhōng）的（de）導航陀螺（luó），計（jì）算機硬盤（pán）芯片、加速（sù）器（qì）電子槍等超（chāo）精密（mì）零件的加工，單（dān）晶大然金剛石能滿足上（shàng）述要求。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和保（bǎo）護氣氛釺焊金剛石技術（shù）.使天然金剛石（shí）刀具的製造過程變得（dé）比（bǐ）較簡易.因此，在超精密鏡麵切削的高（gāo）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（gāo）壓技術人工合成金剛石粉以後，70年代（dài）製（zhì）造出金剛石基的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。它有很高的硬（yìng）度（dù）和導熱性，低的熱脹係數（shù）。高的彈性模量和較低的（de）摩擦係數，刀（dāo）刃非常鋒利。它可（kě）加丁各種有色金屬和極耐磨的高性（xìng）能非金屬材料（liào），如（rú）鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料（liào）、金（jīn）屬基（jī）複合材（cái）料、木材複合材料等。

　　三種主要金（jīn）剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛（gāng）石各自的性能特（tè）點為：PCD焊接（jiē）性、機械磨（mó）削性和斷裂韌性，抗磨損性和刃口質量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性，機械磨削性、刃口質量和斷裂（liè）韌性和抗（kàng）磨損性居中，可焊接性差，人工合成單晶（jīng）金剛（gāng）石刃口（kǒu）質量、抗磨損（sǔn）性（xìng）和抗腐蝕性（xìng），焊接性、機械磨削性和斷（duàn）裂韌性最差。

　　金剛石（shí）刀具是目前高速切（qiē）削(2500~5000m/min)鋁合金較理想的（de）刀具材料，但由於碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發生化學反應，因此（cǐ）它不宜於切削鐵及其合金（jīn）工件。

　　五 立方氮化硼

　　立方氮化硼(CBN)是（shì）純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用製造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由於（yú）CBN的燒結性能很差（chà），直至70年代才製成立方氮化硼結塊(聚晶立（lì）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（wēn）高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致（zhì）密相，有很高的硬度(僅次於金剛石)和耐熱性（xìng）(1300、1500度)，優良的化學（xué）穩定件(遠優於金剛石)和導熱性，低的摩（mó）擦係數。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切（qiē）削黑色金屬較（jiào）理想的刀具材料。