机械制造技术基础 第二章 第二节 刀具材料

② 高性能高速钢 —在通用性高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及 添加钴、铝等合金元素 的新 钢种。比通用型高速钢具有更高的硬度、耐热性等。 常用牌号：含钴超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8（M42）；含铝超硬高速钢： W6Mo5Cr4V2Ai （501）； →常用来加工钛合金、耐热合金、不锈钢等 ③ 粉末冶金高速钢 —是用高压氩气或氮气雾化融熔的高速钢钢水，直接得到细小的高速钢粉末，然 后将这种粉末在高温高压下压制成致密的钢坯，最后将钢坯锻轧成钢材。 特点：避免产生粗大碳化物共晶偏析，得到细小均一的结晶组织→具有更高的硬度、 强度、韧性；并减小热处理变形。 →适合制作切削难加工材料刀具及大尺寸刀具，也适合制作精密复杂刀具。
③ 钨钴钛钽（铌）类硬质合金： YW 类→M 类 TaC（NbC）熔点比TiC高， 且TaC（NbC）能使碳化物颗粒均一，形成均一粘接相。 YW 类硬质合金硬度、耐磨性高于YT类；YW 类硬质合金抗疲劳强度、冲击韧性、抗弯强度也较高 → YW 类硬质合金综合切削性能高于YG、YT类硬质合金。
④ TiC(N)基硬质合金：YN 类→金属陶瓷

3、陶瓷刀具
——有Ai203基陶瓷和Si3N4基陶瓷，其中Ai203基陶瓷：包括纯Ai203和Ai203基复合陶 瓷（在 Ai203中添加TiC或ZrO2的复合陶瓷及添加 SiC晶须的增强型陶瓷）。 ① 特点 有高的硬度、耐磨性（93~95HRA，高于硬质合金）；高的耐热性（在1200℃还能切削，切削 速度比硬质合金提高2~5倍）；高的化学稳定性（陶瓷与金属亲和力小，抗粘接和抗扩散能力较）； 有较低的摩擦系数。 ② 应用场合 一般用于 高速切削灰铸铁、中等速度加工冷硬铸铁及淬火钢等。
与WC基硬质合金相比其特点： 硬度、耐磨性高于WC基硬质合金（YG、YT、YW）。 耐热性、化学稳定性、抗氧化、抗粘接能力高于WC基硬质合金。
抗弯强度、韧性较WC基硬质合金差。 主要用于精加工铸铁、钢，比普通硬质合金具有更高的效率（允许切削速度较高）。

硬质合金的选用
① 加工短切屑黑色金属→铸铁及有色金属及非金属（中低速度） YG类——粗加工：YG8；精加工：YG3(YG3X) ② 加工长切屑的黑色金属→如各种钢料（中等转速） YT类——粗加工：YT5；精加工：YT30 ③ YW类硬质合金 一般用于加工高温合金、不锈钢等难加工材料。 ④ 含钛的不锈钢及钛合金 一般应用YG类。
6

4、超硬材料刀具 ⑴ 金刚石刀具
——分为天然、人造单晶金刚石，人造整体聚晶金刚石及聚晶金刚石复合片PCD )。
① 特点 具有极高的硬度、耐磨性；导热性好、摩擦系数低；但耐热性差（T＜700℃）、强度及 韧 性 差。 ② 应用场合 用于加工高硅铝合金、陶瓷、玻璃、石墨、耐磨合成材料等高硬度、高耐磨材料。同时，是高 速高质加工有色金属（铝及铝合金，铜及铜合金等）的最佳刀具材料。 但不能用于加工钢铁类材料。（金刚石（C）和铁有很强的化学亲和力，在高温下铁原子易与 碳原子作用而使其转化为石墨结构，刀具磨损极快）。
4、良好耐热冲击能力
耐热冲击性：刀具材料抵抗热冲击的能力。刀具在断续切削或使用切削液切削时，常受到很大 的热冲击（温度变化剧烈），刀具内部会产生裂纹而导致断裂。 刀具材料的耐热冲击性与材料的一些物理性能有关。如：材料导热系数大，降低刀具表面的温 度梯度；热膨胀系数小，可减小热变形；弹性模量小，可降低因热变形而产生的交变应力幅度；这些 均有利于提高材料的耐热冲击性。

2、硬质合金
—以难熔金属碳化物（WC、TiC、TaC、NbC等）为基体，以金属（Co、Ni）为 结合剂， 用粉末冶金方法制成的一种合金。 ⑴ 特点： ① 硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性比高速钢有大幅提高，硬度一般为 74~82HRC，在 850℃~1000℃高温时尚能切削。 ② 强度、韧性及制作工艺性比高速钢差。常用制造形状简单标准刀片或焊接式 将其 焊接在 钢刀体上）刀具，也常用在小尺寸的复杂刀具制作。 另： 通常硬质合金中碳化物含量较高时，硬度较高，但抗弯强度较低；结合剂含量较高 时，则抗弯强度较高，但硬度却较低。 ⑵ 硬质合金的种类和牌号 钨钴类硬质合金（WC，Co）—YG 类→K 类（ISO） 钨钴钛类硬质合金（WC、TiC，Co）—YT 类→P 类（ISO） 钨钴钛钽（铌）类硬质合金（WC、TiC、TaC、NaC，Co）—YW 类→ M类（ISO） 碳化钛（氮）基硬质合金（TiC（N ），Ni、Mo） —YN 类→金属陶瓷 ① 钨钴类硬质合金 ： YG 类→K 类 常用牌号：YG3X、YG3、YG6X、YG6、YG8（代号中数字：表示结合剂Go 含量；X： 表示硬质相碳化物为细颗粒，否则为中颗粒） 硬度、耐磨性由高至低的顺序： YG3X → YG3 → YG6X → YG6 → YG8 强度、韧性由高至低的顺序：YG8 → YG6 → YG6X → YG3 → YG3X
⑵ 立方氮化硼
—— 由软的六方氮化硼在高温高压下在催化剂作用下转变而成的。分为：整体立方氮化硼
（CBN ）、立方氮化硼复合片（PCBN）。
① 特点 具有高硬度及耐磨性，硬度仅次于金刚石；高的耐热性(达1400 ℃）；高的化学惰性与铁族金属 直至1200~1300 ℃是也不发生化学反应）；但脆性大、强度及韧性差（一般的PCBN刀具均带负倒 棱来增加刀具切削部分的抗破损能力）

5、良好工艺性
为便于刀具制造，要求刀具材料应具有良好的工艺性能。如：锻造性能、热处理性能、高温塑 形 变性能力、磨削加工性能、焊接性能等等。

刀具材料：
（碳素、合金工具钢）1 、高速钢 2、硬质合金 3、涂层刀具 4、陶瓷
5、金刚石 6、立方氮化硼。
硬度：由高到低顺序—5→6→4→2→1 强度韧性：由高到低顺序—1→2→4→5→6 耐热性：由高到低顺序—6→4→2→5→1 制造工艺性：由好到坏顺序—1→2→4→5→6
是一种高硬度的耐磨化合物，是最早出现的涂层物质，有良好的抗后刀面磨损和 抗月牙洼磨损能力。它与基体的附着牢固，在制备多涂层耐磨涂层时，常将TiC作为与 基体接触的底层膜。 b、 TiN → 与金属亲和力小、润湿性好，抗粘接性好 是继TiC涂层以后采用非常广泛的一种涂层。 TiN 涂层硬度稍低，但它与金属的亲 和力小，润湿性能好，在容易产生粘接时TiN涂层较好。 TiN在空气中的抗氧化能力比 TiC好，但在使用温度达500℃时，涂层会出现明显氧化而被烧蚀。 c、 Ai2O3 →高温热稳定性和化学稳定性好，耐高温性能好。 涂层具有良好的热和化学稳定性和高的抗氧化性，因此，在高温场合下， Ai2O3 涂层较好。但由于氧化铝与基体材料的物理化学性能相差太大，单一的氧化铝涂层无 法制成理想的涂层刀具。 d、TiCN →具有TiC和TiN的综合性能，其硬度高于TiC和TiN。 TiCN是在单一的TiC 晶格中，N原子占据原来C原子在点阵中的位置而形成的复合 化合物。它具有TiC和TiN的综合性能，其硬度高于TiC和TiN，将TiCN设置为涂层刀具 的主耐磨层，可显著提高刀具的寿命。是一种较为理想的涂层刀具。
第二节 刀具材料

一、刀具材料应具备的性能 二、 常用刀具材料
1、高速钢 2、硬质合金 3、陶瓷刀具 4、超硬材料刀具 5、涂层刀具

三、刀具材料选择
一、刀具材料应具备的性能

1、高硬度及耐磨性
硬度是刀具材料应具备的基本特性。 一般刀硬度＞1.5工硬度，切削金属所用刀具常温HRC ＞60 耐磨性：抗磨损能力，它是刀具材料机械性能、组织结构和化学性能的综合反映。通常，刀具 材料硬度越高，耐磨性越好。组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越 小，分布越均匀，则耐 磨性越高。
② 物理气相沉积（多弧、等离子溅射、离子注射等多种工艺） 沉积温度低（500 ℃左右）；涂层厚度2~5um；涂层为压应力，有利于抑制裂纹 的扩展；刃口可不做钝化处理，刀具仍保持锋利；表面致密，粗糙度低；无污染。但涂 层结合强度低。 ③ 应用场合 化学气象沉积（CVD）—通常是硬质合金标准刀片的主要涂覆工艺（刀片不需锋利的 刃口）。 物理气相沉积（PVD）—用于高速钢刀具，要求刃口锋利的整体硬质合金刀具及硬质 合金刀片。 ④ 涂层厚度 通常涂层厚度太薄，则耐磨性能差，不能有效的保护基体；涂层太薄，则强度降低。 不同的涂层物质有其不同的最佳涂层厚度。 由于涂层与基体材料之间的热膨胀 系数的差别，在涂层中通常会产生残余应力，在所有的CVD法的涂层中随涂层厚度的增加 残余应力增大。涂层材料的硬度对涂层厚度也有影响，一般涂层越硬，涂层厚度对裂纹越 敏感。因此，较硬的TiC和Ai2O3 涂层通常都比TiN涂层要薄一些。 ⑤ 涂层方式 有单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。
⑴ 涂覆工艺 ——化学气相沉积（CVD）；物理气相沉积（PVD）。
① 化学气相沉积
沉积温度高（950~1050 ℃）；涂层厚度5~20um，适合开发多涂 层；涂层结合强度高。 但，涂层为拉应力，易生成裂纹；刃口必须做钝化处理；表面粗糙；排出废气对 空 气有污染。 另，目前CVD涂层又增加了700~900 ℃的TiCN中温涂层、基体材料表面富钴等，提高了CVD 涂层的综和性能；由单涂层发展为多涂层。
⑵ 涂层材料 一般为晶粒极细的碳化物、氮化物等。分为硬涂层和软涂层。 ① 硬涂层材料 目前应用较多的硬涂层物质是TiC、TiN、TiCN、Ai2O3及TiAiN等，并向着复合多涂 层发展如：TiC/TiCN/TiN、TiC/ Ai2O3、 TiC/ Ai2O3 /TiN 等。
a、TiC → 硬度高、耐磨性好
② 应用场合 用于高速加工铸铁、冷硬铸铁、淬火钢和高温合金的高效刀具材料。

5、涂层刀具 ——涂层刀具是在韧性较好的硬质合金、高速钢等基体上，涂覆一薄层耐磨、耐热、 抗粘接等
难熔金属化合物而得到的。 涂层对刀具材料的改性和切削性能的提高有十分显著的效果，可称为刀具材料提高切削效率的 兴奋剂，目前，涂层刀具 的应用非常广泛。