新型刀具材料的发展

目录

一、摘要 (2)

二、刀具材料的基本要求： (2)

三、现代刀具材料 (3)

（一）高速钢刀具材料 (3)

（二）硬质合金刀具材料 (3)

（三）陶瓷刀具材料 (4)

1、氮化硅基陶瓷刀具

2、金属陶瓷刀具

（四）超硬刀具材料 (6)

1、金刚石类

2、立方氮化硼类

四、总结... . (6)

五、参考文献.. (7)

新型刀具材料的发展探究

----------------工业“手术刀”的进步一、摘要：

随着刀耕火种的褪去和工业革命的强势崛起，与工业生产过程有关的方方面面都开始变得越来越重要。即使是在自动化工业高度发达的今天，与工业生产有关的知识仍然在被不断探究。而与之密切相关的加工刀具尤为被人们重视，加工产品的好坏与否直接决定于刀具材料性能的好坏，因此对刀具材料的研究，从开始到现在以及将来，都是一个与人类工业生产发展“同生同死”的过程。

社会进步基石之一依赖于机械生产自动化，而自动化程度的高地取决于加工工具的精度与性能。在自动化已成为主流浪潮的今天，作为一切产品的源头——刀具的选择就成为重中之重。工业生产的发展带来的是工件材料的力学性能不断提高，加工精度的要求日益提高，各种难加工材料的出现和应用，都对刀具提出了更高的要求。

刀具材料从人类诞生之初就在人类的生活、生产和战争中有着很大的重要性,其重要性不亚于手术刀在医学上的重要作用。毫不夸张的说，工业加工生产刀具在工业加工中就是生产的“手术刀”！从原始文明的石器加工的新石器时代到古代文明发展的青铜时代和铁器时代，刀具材料的进步都起着至关重要的作用。

二、刀具材料的基本要求：

材料、结构和几何形状是决定刀具加工性能的三个重要因素。其中，尤以刀具材料重要。20实际以来，刀具经过多次发展最终成为今天各大工业生产领域的主流材料。刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量以及刀具使用寿命等都影响很大。现代工业最初使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右；20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米；30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米；当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上;被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。

性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，因此刀具应具备如下的基本要求：

1、高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性，这是保证工业加工生产最基本的条件。

2、足够的强度与冲击韧性

强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是矛盾的存在，很难同时满足高的指标，因此需要根据加工生产要求选定合适的刀具材料，以满足生产要求。

3、高耐热性

耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。是保证加工生产精度的重要性能。

4、良好的工艺性和经济性

刀具材料的选择应有良好的经济型和规模化生产。为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。但是大规模话生产中，在制造和选用时还应综合考虑经济性。硬度高韧性好耐热高的刀具材料费用都比较高，而费用较低的刀具材料综合性能较差，因此在保证加工要求的前提下应尽量采用费用低的刀具材料。

常用的刀具材料大致分为以下几类：（一）高速钢材料；（二）硬质合金材料；（三）陶瓷刀具材料；（四）超硬刀具材料等。

三、现代刀具材料：

（一）高速钢材料

高速钢是一种加入了较多的钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。高速钢具有较高的硬度，一般硬度为62-67HRC和耐热性。在切削温度高达500-650℃时仍能进行切削。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。抗弯性是一般硬质合金的2-3倍，是陶瓷的5-6倍。韧性很好，可以在有冲击、振动的场合应用。它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。

高速钢主要分为两类：通用型高速钢和高性能高速钢。通用型高速钢包括钨系高速钢和钨钼系高速钢；高性能高速钢主要为高速钢成分添加其他合金元素形成。

高速钢材料是一种“传统”的刀具材料。然而随着工业生产的发展，在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受大部分成形加工，适应性好，因此在日常生活领域中还是一种常用的刀具材料。最常使用也是最传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。

（二）硬质合金材料

硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TIC等）和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89-93HRA，760°时其硬度为77-85HRA，在800-1000℃时硬质合金还能进行切削。刀具寿命比高速钢刀具高几倍甚至几十倍。可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是强度和韧性比高速钢差，常温下冲击韧性仅为高速钢的1/8—1/30，因此硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金也是常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和面铣刀，也可以用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的刀具可以采用硬质合金制造。但是整体硬质合金刀具的成本较高，其价格是高速钢刀具的8-10倍。

现代工业生产中常常添加一些其他合金元素，使之力学性能跟高。目前新型的硬质合金主要包括：

1．添加TaC和NbC的硬质合金：添加后能有效地提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化的能力。其塑性抗变形能力高，化学性稳定。

2．细晶粒和超细晶粒硬质合金：合金粒细化后提高了合金的硬度和耐磨性，抗弯强度也有一定的提升。

3．TiC基和Ti（C，N）基硬质合金金：合金的密度小，硬度更高，切削钢材时摩擦因数小，抗黏结与抗扩散的能力较强，但其韧性的抗塑变的能力稍弱。Ti（C，N）基合金具有与TiC基合金相同的优点，但其韧性和抗塑变能力高于TiC基合金。这类合金多用以加工未淬火的钢材。

4．添加稀土元素的硬质合金：加少量铈、钇等稀土元素，可以有效地提高合金的韧性与抗弯强度，耐磨性亦有一定提高。

5．表面涂层硬质合金：包括化学涂层CVD和物理涂层PVD技术。在硬质合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti（C，N），Al2O3等薄层，形成涂层硬质合金。硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂层材料自身的性能，故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力，