1.常用刀具材料介绍修改后讲解

第一章常用刀具材料介绍
一．刀具材料的基本性能
在切削过程中，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时形不成带状切屑，还伴随冲击和振动，因此刀具切削部分的材料应具备以下几方面的性能：
1．高的硬度刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，以便切入工件。

一般常温时硬度在60HRC以上,对某些难切除材料，刀具的硬度要求在HRC65以上。

2．高的耐磨性刀具在切削加工中经受剧烈摩擦，要求其磨损要小，通常刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。

3．高的耐热性耐热性（又称红硬性）是指刀具在高温下能够保持其硬度的性能。

它是衡量刀具材料切削性能的主要指标。

4．足够的强度和韧性在切削过程中，刀具要经得起所承受的各种应力和冲击，才能防止刀具的崩刃或脆性断裂。

5．良好的工艺性刀具材料应具备良好的可加工性和垫处理性。

此外，还应考虑到刀具材料的经济性。

经济性差的刀具材料难以推广使用。

二．刀具材料的种类及选用
常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷材料等，其中应用最多的是高速钢和硬质合金。

1.碳素工具钢碳素工具钢是指含碳量为0.65%-1.35%的优质高碳钢，淬火硬度可
达HRC60～65。

刀具刃磨时容易达到锋利，价格低廉。

这类钢由于耐热性很差（200-250℃），允许的切削速度很低（V≤10m/min），只适宜做一些低速手动工具，如板牙、手工锯条、锉刀等。

常用的牌号是T7A、T8A……T13A等。

2.合金工具钢合金工具钢是指含铬、钨、硅、锰等合金元素的低碳合金钢。

其碳
的质量分数为0.85%-1.5%，合金元素的总质量分数在5%以下。

合金工具钢有较高的耐热性（300-400℃），可以允许有较高的切削速度下工作；此外这类钢淬透性较好，热处理变形小，耐磨性较好，因此可以用于截面积较大要求热处理变形较小，对耐磨性及韧度有一定要求的低速切削刀具，如板牙、丝锥、铰刀、拉刀等。

以上两种材料作为刀具使用的较少。

最常用的牌号有9SiCr、CrWMn等。

3.高速钢高速钢又称锋钢、白钢、钨钢。

是一种加入了较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。

它的耐磨性、热硬性都比前两者明显提高，热硬性温度可达550～600℃。

高速钢允许的切削速度远不及硬质合金，但由于其抗弯强度、冲击韧性比硬质合金高，而且有切削加工方便、刃磨容易、可以铸造及热处理等优点，所以常用来制造形状复杂的刀具，如丝锥、钻头、拉刀、铣刀齿轮刀具等。

常用的牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

高速钢性能知识点
高速钢按其用途和性能可分为通用高速钢、高性能高速钢两类；按其化学成份可分为钨系高速钢和钼系高速钢两类。

（1）通用高速钢通用高速钢是指加工一般金属材料用的高速钢。

常用的有两个品种。

1）W18Cr4V属于钨系高速钢。

其淬火后硬度为HRC63～66，由于它的含釩量低，磨削性能好，热处理工艺控制方便，在60～70年代用得比较普遍。

但是它的抗弯强度与冲击韧性比钼系高速钢差，因而使用寿命短，现在这种高速钢很少使用。

2）W6Mo5Cr4V2属于钼系高速钢，与W18Cr4V相比，淬火硬度与耐磨性相近。

它的抗弯强度、冲击韧性和高温塑性较高；但磨削性能差，淬火温度范围也狭窄。

因它的使用寿命长、介格低，所以被推广使用。

（2）高性能高速钢是在通用高速钢中加入一些合金元素，以进一步提高它的耐热性、耐磨性。

这种高速钢的切削速度可达50～100m/min,具有比通用高速钢更高的生产率与刀具寿命；同时还能切削不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。

1）高釩高速钢（W12Cr4V4Mo）这种高速钢由于含釩（V）、碳（C）量增加，提高了耐磨性，刀具寿命比通用高速钢提高了2～4倍，这是它的主要特点。

但是。

随着含釩量的提高（3～5%），使磨削性能变差，刃磨困难，目前较少使用。

2）高碳高速钢（95W18Cr4V）、含钴高速钢（W6Mo5Cr4V2Co8）及含铝高速钢
（W6Mo5Cr4V2Al）等高速钢，都是高性能高速钢，耐磨性、热塑性等较好，近年来使用较广。

高速钢的分类知识点
4.硬质合金硬质合金是有难溶金属碳化物（WC、TiC）和金属粘接剂（如Co）的粉末，在高压下成形，并经1500℃的高温烧结而成。

钴起粘结作用。

硬质合金的硬度为74～81.5HRC，有较好的耐磨性和热硬性。

硬质合金在800～1000℃仍然保持良好的热硬性，允许切削速度远远超过高速钢。

但其抗弯强度远比高速钢低，承受冲击能力差，刃口也不如高速钢锋利。

硬质合金的制造工艺性比较差，因为它的硬度比较高，所以不能进行机械加工。

但是硬质合金的加工范围比较广，脆性金属、钢材、有色金属等均可加工，是目前应用比较广的一种刀具材料。

硬质合金知识点
常用硬质合金按其化学成分和使用特性可分为四类：钨钴类（YG）、钨钛钴类（YT）、钨钛钽铌钴类（YW）、碳化钛基类（YN）及涂层硬质合金。

1)钨钴合金类（YG）这是由WC和Co组成的合金。

这类硬质合金相对于钨钴钛合金来说，韧性较好，常用来加工脆性材料（如铸铁、青铜等）或冲击性较大的工件。

但由于它的热硬性不及钨钴钛类，在640℃时严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降，所以一般不用于加工塑性材料，如碳钢等。

常用的牌号有YG3X、YG6、YG8等。

YG8用于粗加工，YG6和YG3X用于半精加工和精加工。

YG3（精加工） YG6（半精加工） YG8（粗加工） Co的含量↑ 韧性↑ 强度↑ HRC↓ 耐磨性↓
Co的含量↓ 韧性↓ 强度↓ HRC↑ 耐磨性↑ 脆性↑
2)钨钛钴合金类（YT）这是由WC、TiC和Co组成的合金。

由于在合金中加入了碳化钛（TiC）,从而提高了合金的耐磨性，但是抗弯强度、磨削性能和导热系数有所下降；低温脆性较大，不耐冲击，因此这类合金不适宜加工脆性金属，而适于高速切削一般钢材。

钨钛钴类硬质合金中，常有牌号有YT5、YT14、YT15和YT30。

合金中增加了碳化钛的含量（TiC）,同时减少了钴（Co）的含量，因而提高了合金的硬度和耐磨性，但抗弯强度和导热系数随着降低。

因些，当切削条件比较平稳，要求强度和耐磨性高时，应选用TiC 含量较多的牌号；反之，当刀具在切削过程中承受冲击、振动而容易引起崩刃时，应选用TiC含量少的牌号
YT5（粗加工） YT14、YT15（半精加工） YT30（精加工）
TiC含量↑ 硬度↑ 耐磨性↑ 脆性↑ 韧性↓
TiC含量↓ 硬度↓ 耐磨性↓ 脆性↓ 韧性↑
3）钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW）在合金中加入适量的碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）稀有难熔金属碳化物，可提高合金的高温硬度、强度、耐磨性、粘结温度和抗氧化性，同时韧性也有所增加，具有较好的综合切削性能，人们称之为“万能合金”，但是这类合金的价格比较贵，所以主要用于加工难切削材料。

4）碳化基类硬质合金（YN）它是由碳化钛作为硬质相，镍、钼作为胶结剂而组成的，所以硬度高达HRA90～95，有高的耐磨性，并具有较高的切削性能，在1000℃以上高温下，它仍能进行切削加工，因此它能采用较高的切削速度（300～400/min）,适合对较高硬度的合金钢、工具钢、淬硬钢进行连续切削的精加工
5）涂层硬质合金是60年代开始出现的，它是采用化学气相沉积法或其它方法，在硬质合金表面涂覆约3～5um耐磨的难熔金属化合物，可提高刀片的综合切削性能，与普通刀片相比，寿命可提高1～4倍。

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具发展中产生了深远的
影响，涂层刀具己经成为现代刀具的标志，目前，在国外涂层刀具己达70%以上，而国内涂层刀具的使用也越来越多。

硬质合金是用的较多的一种刀具材料。

常用的硬质合金材料的牌号的选用可见表3-1。

表1-1 常用硬质合金牌号的选用
5．陶瓷它的主要成份是氧化铝（Al2O3）,刀具用陶瓷一般是以氧化铝为基本成分的陶瓷，是在高温下烧结而成的。

其硬度可达91～95HRA，耐磨性比硬质合金高十几倍，适于加工冷硬铸铁和淬硬钢；在1200℃高温下仍能切削，高温硬度可达80 HRA，在540℃时为90HRA，切削速度比硬质合金高2～10倍；具有良好的抗粘性能，使它与多种金属的亲和力小；化学稳定性好，即使在融化时，与钢也不起相互作用；抗氧化能力强。

但缺点是脆性大、抗弯强度和冲击韧性低、导热性差。

当前用的较多的是纯氧化铝陶瓷（俗称白陶瓷）和氧化铝—碳化钛混合陶瓷（俗称黑陶瓷）。

⑺超硬刀具材料超硬刀具材料是金刚石和立方氮化硼的统称，用于超精加工及硬脆材料的加工。

它们可用来加工任何硬度的工件材料，包括淬火硬度达65～67HRC的工具钢，有很好的切削性能，切削速度比硬质合金刀具提高10～20倍，且切削时温度低。

加工超硬材料时，工件表面粗糙度的值很小，甚至可部分代替磨削加工，经济效益显著提高。

陶瓷刀具还可以实现干切削，从而省去了切削液。

陶瓷刀具材料知识点
6．金刚石刀具（PCD）金刚石具有极高的硬度，比硬质合金及陶瓷的硬度高几倍，是至今为止已发现的最硬材料。

磨削时金刚石的研磨能力很强，耐磨性比一般砂轮高100～200倍，且随着工件材料硬度增大而提高。

金刚石具有很高的导热性，切削刃可刃磨得非常锋利，被加工表面粗糙度值小，可在纳米级稳定切削。

金刚石刀具具有较低的摩擦系数，保证较好的工件质量。

但人造金刚石脆性大、抗冲击能力差，对振动敏感，要求机床精度高、平稳性好。

金刚石刀具主要用于高速精细车削或镗削各种有色金属及其合金，也可加工各种非金属材料。

但由于金刚石刀具的耐热性较差，并且与铁元素具有较强的亲和力，因此金刚石刀具一般不适合于加工铁系金属加工。

7.立方氮化硼刀具（CBN）立方氮化硼刀具的硬度及耐磨性，仅次于金刚石；热稳定性比金刚石高1倍，可高速切削高温合金，切削速度比硬质合金高3～5倍；有优良的化学稳定性，适于加工的工件材料有硬度在HRC45以上的淬硬钢和耐磨铸铁；导热性比金刚石差但比其他材料高得多，抗弯强度和断裂韧性介于硬质合金和陶瓷之间。

用CBN刀具，可加工以前只能用磨削方法加工的特种钢，它还非常适合数控机床加工。

各种刀具材料的物理力学性能见表3-2。

表1-2 各种刀具材料的物理力学性能
三．刀具材料选用的案例分析
（一）.淬火钢的加工案例与刀具选用
1.淬火钢的特点
淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度大于HRC50的钢。

它属于难切削材料。

加工淬火钢的传统方法是磨削，但是为了提高生产效率，解决工件形状复杂而不能磨削和淬火后产生形状和位置误差问题，所以就需采用车削、铣削等切削加工方法。

2.淬火钢切削时的特点
（1）.淬火钢硬度高、强度也高，基本没有塑性；
（2）.切削力大，切削温度高；
（3）.因为淬硬钢硬度高、脆性大，所以切削时不易产生积屑瘤，并可获得较低的表面粗糙度；
（4）.刀刃易崩碎，易磨损；
（5）.导热系数低，其导热系数约为普通45号钢的1/7。

3.切削淬火钢刀具材料的选择
合理选择刀具材料，是切削加工淬火钢的重要条件。

根据淬火钢的切削特点，刀具材料不仅要有高的硬度、耐磨性、耐热性，而且要有一定的强度和导热性，我们从下面几方面来分析和选择。

（1）.采用硬质合金刀具材料为了改善硬质合金的性能，在选择硬质合金时，应优先选择加入适量TaC和NbC的超细微粒的硬质合金，因为在WC-Co类硬质合金中中加入TaC 以后，可将原来的800高温强度提高150～300MPa,常温硬度提高HV40～100，所以在硬质合金的刀具材料中可选用钨钛钽（铌）钴类和碳化碳基类,常用的牌号有YN05、YNIO等。

（2）.采用陶瓷刀具加工因陶瓷刀具硬度及耐磨性较高，切削时不粘刀，不容易产生积屑瘤，可以获得较低的表面粗糙度和尺寸稳定性，但由于陶瓷刀具脆性大，抗弯强度低，在切削淬火钢时易崩刃，所以制约了陶瓷刀具的使用范围。

（3）.立方氮化硼复合刀片，它的硬度为HV8000～9000，复合抗变强度为900～1300MPa,导热性比较高，耐热性为1400～1500℃，是刀具材料中最高的，它十分适合于淬火钢的精加工，还可实现难加工材料的以车代磨的精加工，加工后零件的表面粗糙度及尺寸精度都比较理想。

综上所述，切削淬火钢最好的刀具材料是立方氮化硼，其次是陶瓷刀具，再其次是钨钛钽（铌）钴类及碳化钛基类硬质合金刀具。

（二）.冷硬铸铁和耐磨合金铸铁加工案例与刀具选用
1．冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点
（1）.冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是典型的硬脆材料，表面硬度比较高，粗加工时，单位切削力达到3000MPa，强烈的冲击极易引起振动，加剧刀具的磨损。

（2）.有些冷硬铸铁结构尺寸大，加工余量也大，为了提高生产效率，切削时采用较大的切削速度和进给量，所以对刀具的强度和工艺系统的刚性都要求较高。

（3）.冷硬铸铁和耐磨合金铸铁具有高硬度和较高的热强度，特别是大件切削，刀具连续工作时间长，从而使刀具的温度提高，容易出现刀体变形或焊接刀片开焊的现象，使刀具
寿命降低。

（4）.冷硬铸铁表层组织为白口，性质硬而脆，当刀具切入或切出时，容易出现崩边现象，造成工件报废或损坏刀具。

（5）.大多数冷硬铸件毛坯表面加工余量不均匀，或其表层存有气孔、砂眼等铸造缺陷，使切削时冲击较大，造成刀具经常崩刃，甚到出现“扎到”现象。

（6）.冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切屑呈碎状，且因切削时瞬时温度很高，造成高温铁屑飞溅。

2.切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁时刀具材料的选择
合理选择刀具，是切削加工冷硬铸铁和耐磨合金铸铁必须考虑的问题，因为刀具材料不但要有一定的硬定，要有较好的耐磨性，还要考虑切削刀具耐冲击的强度和韧性，我们从下面几个方面来进行分析和选择。

（1）.采用硬质合金刀具材料现在大部份中小企业仍然在用焊接合金刀头，如YG6、YG6X等牌号，我公司在铸铁件的加工中，也大都选用钨钴类（YG）的硬质合金刀具，此类刀具虽然抗冲击性优越，但是由于耐磨性低，刀具磨损快，刀具磨损后，遇到夹砂等，会造成刀具崩刃，所以很多人误以为焊接刀具不抗冲击，其实真实的原因是刀具耐磨性不高，在加工冷硬铸件时刀具磨损快，很快就使刀刃钝化。

（2）.采用涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具在单品种大批量的生产企业，有许多用涂层刀具和陶瓷刀具来加工冷硬铸件，此类刀具与焊接合金刀头比较，耐磨性明显提高，加工效率也得以提升，但是这种刀具也有其加工局限性，首先涂层刀具的抗冲击性差，所以基本上用于冷硬铸铁件的精加工。

因为涂层硬质合金本身基体的抗冲击性没有改变，且涂层厚度一般不超过30微米（大多数情况下，刀具的涂层厚只有8微米左右），所以涂层刀具在切削中，若遇到夹砂、气孔、白口等，也会产生崩刃现象，基本上与焊接硬质合金刀具相似，所以在生产中会引起涂层刀具的非正常消耗，增加了刀具成本。

采用陶瓷刀具来加工冷硬铸件也是可以的，因为陶瓷刀具硬度高，耐磨性也好，所以在加工中可以采用较高的切削速度，但是，由于陶瓷刀具脆性大，其抗弯强度与冲击韧性也差，所以在切削不规则的或含有夹砂、气孔等的冷铸铁件时，易崩刃，所以陶瓷刀具适用于加工无夹碴且表面比较一致的冷硬件。

（3）.采用整体式CBN立方氮化硼刀具这种刀具材料它是由立方氮化硼和触媒（催化剂）在高温高压下合成的，它是继人造金钢石问世后又一种新型高新技术产品，它具有很高的硬度、热稳定性，它的硬度仅次于金钢石，但热稳定性远胜于金钢石。

它具有比涂层刀具与陶资刀具更高的耐冲击强度和抗破裂性，可以在刚性较差的机床切削冷硬金属，可以用来加工冷硬铸铁和耐磨合金铸铁，且刀具寿命是涂层刀具的几倍到几十倍。

这种刀具可以以车代磨、以铣代磨，加工表面质量及尺寸精度都较高，适用于大批量的冷硬件的粗、精加工。