超硬材料和硬质金属

刀具材料应具备的基本性能

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。

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。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。

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。

4.良好的工艺性和经济性

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。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。

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金刚石刀具为什么不适合加工铁基材料

用金刚石刀具加工铁系材料，金刚石表面碳元素易与切屑、切割表面发生粘

附，导致刀具不锋利，引起加工区域温度升高，温度一高，加之有空气中的氧气，金刚石就容易发元素碳化，宏观表现为金刚石石墨化。

刀具材料的种类

1.高速钢：高速钢特别适用于制造结构复杂的成形刀具，孔加工刀具例如各类铣刀、拉刀、齿轮刀具、螺纹刀具等；由于高速钢硬度，耐磨性，耐热性不及硬质合金，因此只适于制造中、低速切削的各种刀具。高速钢按其性能分成两大类：普通高速钢和高性能高速钢。

2.硬质合金：硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用。

3.涂层刀具材料：硬质合金或高速钢刀具通过化学或物理方法在其上表面涂覆一层耐磨性好的难熔金属化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，而又不降低其韧性。

4.其它刀具材料：

（1）陶瓷刀具：是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。

（2）人造金刚石：它是碳的同素异形体，是目前最硬的刀具材料，显微硬度达10000HV。

影响材料硬度的因素：晶体结构，价键

测量刀具材料硬度的两种基本方式：洛氏，维氏。

洛氏硬度与维氏硬度区别：

1.洛氏硬度（HR）

洛氏硬度（Rockwell hardness）是美国人洛克维尔于1919年提出。试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度求出材料的硬度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标度来表示： HRA 是采用60Kg载荷和钻石锥压入被测工件测试工件硬度，用于硬度极高的材料，例如：硬质合金；HRB 是采用100Kg载荷和直径1.59mm/3.18mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料，例如：退火钢、铸铁、各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金等；HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入被测工件测试工件的硬度，用于硬度很高的材料，例如：淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢等，是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。三种标尺的初始压力均为98.07N（10Kgf)，最后根据压痕深度计算硬度值。标尺A使用的是球锥菱形压头，然后加压至588.4N（60Kgf）；标尺B使用的是直径为1.588mm （1/16英寸）的钢球作为压头，然后加压至980.7N（100Kgf），因此标尺B 适用于较软的材料检测，标尺C适用于较硬的材料检测。

2. 维氏硬度（Vickers hardness）是表示材料硬度的一种标准，由英国科学家维克斯首先提出，表示为HV。以49.03~980.7N的负荷,将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压材料表面,保持规定时间后，用材料压痕凹坑的表面积除以负荷值，即为材料的维氏硬度值。它适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。维氏硬度尚有小负荷维氏硬度，试验负荷1.961~49.03N，它适用于较薄工件、工具表面或镀层的硬度测定；显微维氏硬度，试验负荷<1.961N，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定

3. 洛氏硬度适合硬度较高的金属，比如热处理后的各种合金钢等。洛氏硬度对材料表面有一定要求.

维维氏硬度适合精确测量微区的硬度，通常用来检测金属渗碳后有效硬化层。

维式硬度要求测试表面平整度非常高，必须为抛光过的表面才行。

4. 维氏硬度试验测量范围较宽，从较软材料到超硬材料，几乎涵盖各种材料。洛氏硬度操作简便，可直接读数，且压痕较小，适用于批量、成品生产，但需多点测试，才能保证精度。

金刚石

晶体结构：立方结构，共价键

物理性质：颜色：由杂志决定，含微量硼为褐色，含Ni，Mn呈黄绿色，含氮呈黄色

密度：3.51525g/cm3

硬度：HV=105N/mm2各向异性（111）>(110)>(100)

其他性质：高杨氏模量、低压缩系数、高熔点、高导热率、低比热、低热膨胀系数

化学性质：化学稳定性：常温稳定；高温纯氧>600℃反应；高温空气>740℃反应

石墨化：真空和惰性气氛>1500℃；有氮气参与~1000℃

与过渡金属的化学作用：溶解C：过渡族金属（Fe、Co、Ni、Mn 及Pt系金属）

形成强碳化物：W、V、Ti、Ta、Zr等。

金刚石合成方法：直接转变、熔媒法、外延生长法。

合成压力与温度特点：静态高压高温法、动态（超）高压高温法、动态低压（常压）高温法、静压触媒法（压力5-7GPa、1300-1700℃

）