1.3　金属切削刀具的材料

刀具材料是指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量、生产效率影响极大。

1.刀具材料应具备的性能

切削过程中，刀具切削部分是在很大的切削力、较高的切削温度及剧烈摩擦等条件下工作的，同时，由于切削余量和工件材质不均匀或切削断续表面时，还伴随冲击和振动，因此刀具切削部分的材料应具备以下性能：

1）高硬度和耐磨性

硬度是刀具材料最基本的性能。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，以便刀具切入工件。在常温下刀具材料的硬度应在60HRC以上。耐磨性是刀具抵抗磨损的能力，在剧烈的摩擦下刀具磨损要小。一般来说，材料的硬度越高，耐磨性越好。刀具材料含有耐磨的合金碳化物越多、晶粒越细、分布越均匀，则耐磨性越好。

2）足够的强度和韧性

刀具材料只有具备足够强度和韧性才能承受较大的切削力和切削时产生的振动，以防刀具断裂和崩刃。

3）较高的耐热性

高耐热性是指刀具在高温下仍能保持原有的硬度、强度、韧性和耐磨性的性能。

4）良好的工艺性

为便于刀具本身的制造，刀具材料还应具有良好的工艺性能，如切削性能、磨削性能、焊接性能及热处理性能等。

5）经济性

经济性是评价刀具材料的重要指标之一，刀具材料的价格应低廉，便于推广。但有些材料虽单件成本很高，但因其使用寿命长，平均到每个工件上的成本不一定很高。

2.常用的刀具材料

目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。碳素工具钢（如T10A、T12A）、合金工具钢（如9SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。

1）高速钢

高速钢是一种加入较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。有较高的热稳定性，切削温度达500～650℃时仍能进行切削；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的刀具，如钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。

高速钢按用途分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

（1）通用型高速钢：主要用于制造切削硬度不大于300HB的金属材料的切削刀具和精密刀具，常用的有W18Cr4V、W6M05Cr4V2号钢等。

W18Cr4V：含W为18％、Cr为4％、V为1％。有较好的综合性能，在600℃时其高温硬度为48.5HRC，刃磨和热处理工艺控制较方便，可以制造各种复杂刀具。

W6Mo5Cr4V2：含W为6％、Mo为5％、Cr为4％、V为2％。碳化物分布细小、均匀，具有良好的机械性能，抗弯强度比W18Cr4V高10％～15％，韧性比W18Cr4V高50％～60％。可做尺寸较大、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨削加工性也好。目前各国广为应用。

（2）高性能高速钢：在通用型高速钢的基础上再增加含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素。按其耐热性，又称高热稳定性高速钢。在630～650℃时仍可保持60HRC的硬度，具有更好的切削性能，耐用度较通用型高速钢高1.3～3倍。适合于加工高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8、超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8等。

（3）粉末冶金高速钢：用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻轧成材或刀具形状。其特点是有效地解决了一般熔炼高速钢时铸锭产生粗大碳化物共晶偏析的问题，而得到细小均匀的结晶组织，使之具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的两倍和2.5～3倍；磨削加工性好；物理、机械性能高度各向同性，淬火变形小；耐磨性提高20％～30％，适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具、精密刀具、磨削加工量大的复杂刀具、高压动载荷下使用的刀具等。

2）硬质合金

硬质合金由难熔金属碳化物（如WC、TiC）和金属黏结剂（如Co）经粉末冶金法制成。

因含有大量熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好的金属碳化物，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高。硬度可达89～93HRA，在800～1000℃还能承担切削任务，耐用度较高速钢高几十倍。当耐用度相同时，切削速度可提高4～10倍。只有抗弯强度较高速钢低，仅为0.9～1.5GPa（90～150kgf/mm），冲击韧性差，切削时不能承受大的振动和冲击负荷。

国家标准化组织（ISO）将切削用的硬质合金分为三类：

（1）K类（相当于我国YG类）：硬质合金由WC和Co组成。此类合金韧性、磨削性、导热性较好，较适于加工易产生崩碎切屑、有冲击切削力作用在刃口附近的脆性材料。

（2）P类（相当于我国YT类）：硬质合金除含有WC外，还含5％～30％的TiC。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗黏结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性和导热系数下降，低温脆性大、韧性差。适于高速切削钢料。

需要注意的是，此类合金不宜用于加工不锈钢和钛合金。因YT类硬质合金中的钛元素和工件中的钛元素之间的亲合力会产生严重黏刀现象，在高温切削及摩擦因数大的情况下会加剧刀具磨损。

（3）M类（相当于我国YW类）：在YT类中加入TaC（NbC）可提高其抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度和抗氧化能力、耐磨性等。既可用于加工铸铁件，也可加工钢件。因而又有通用硬质合金之称。

表1-1所示为各种硬质合金牌号的应用范围。

3）其他刀具材料

（1）涂层刀具：通过在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂敷一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1000℃左右；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500℃左右。

常用的涂层材料有TiC、TiN、A12O3等。涂层厚度：硬质合金为4～5µm，表层硬度可达2500～4200HV；高速钢的为2µm、表层硬度可达80HRC。

涂层刀具有较高的抗氧化性能和黏结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力；有较低的摩擦因数，可降低切削时的切削力及切削温度，并提高刀具耐用度（提高硬质合金刀具耐用度l～3倍，高速钢刀具耐用度2～10倍）。但也存在着锋利性、韧性、抗剥落性、抗崩刃性差及成本高的问题。

（2）陶瓷：有A12O3陶瓷及A12O3-TiC混合陶瓷两种，以其微粉在高温下烧结而成。有很高的硬度（9l～95HRA）和耐磨性；有很高的耐热性，在1200℃以上仍能进行切削；切削速度比硬质合金高2～5倍；有很高的化学稳定性、与金属的亲合力小、抗黏结和抗扩散的能力好。可用于加工钢、铸铁，也同样适用于车、铣加工。

缺点是脆性大、抗弯强度低，冲击韧性差，易崩刃。但作为连续切削用的刀具材料，还是有较广的应用范围。

（3）金刚石：目前最硬的物质，是在高温、高压和其他条件配合下由石墨转化而成。硬度高达l0000HV、耐磨性好，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料，刀具耐用度比硬质合金可提高几倍到几百倍。其切削刃锋利，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；有较低的摩擦因数，切屑与刀具不易产生黏结，不产生积屑瘤，很适于精密加工。

其缺点是热稳定性差，切削温度不宜超过700～800℃；强度低、脆性大，对振动敏感，只适于微量切削；与铁有强的化学亲合力，不适于加工黑色金属。

目前主要用于磨具及磨料，适用于有色金属及非金属材料的高速精细车削及镗削。加工铝合金、铜合金时，切削速度可达800～3800m/min。

（4）立方氮化硼：由软的立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成。有很高的硬度（8000～9000HV）及耐磨性；有比金刚石更高的热稳定性（达1400℃），可用来加工高温合金；化学惰性很大，与铁族金属在温度为1200～1300℃时也不易起化学反应，可用于加工淬硬钢及冷硬铸铁；有良好的导热性、较低的摩擦因数。目前不仅用于磨具，也逐渐用于车、镗、铣、铰等机械加工工艺。