第三講 刀具材料

金屬切削與機床

MetalCutting&MachineTools第三講刀具材料刀具材料應具備的性能常用刀具材料的特性及應用場合高速鋼硬質(zhì)合金材料介紹其它刀具材料的性能概述刀具材料是指刀具上參與切削的那部分材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的幾何形狀，而且還要求有相應的刀具材料。目前廣泛應用的刀具材料有高速鋼和硬質(zhì)合金。高速鋼一般允許切削速度為25～30m/min；硬質(zhì)合金允許的切削速度為100m/min。要提高切削加工的生產(chǎn)率，就需要提高切削速度和刀具耐用度。就要求提供切削性能更好的刀具材料。切削過程中會產(chǎn)生切削抗力、切削熱、沖擊和振動。刀具材料應具備的性能一、足夠的硬度和耐磨性1.硬度是指材料抵抗其它物體壓入其表面的能力刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度，一般比工件高出1.5—2倍，否則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形狀。目前，切削性能最差的刀具材料—碳素工具鋼，其硬度在室溫條件下也應在62HRC以上；高速鋼的硬度為63～70HRC。硬質(zhì)合金在89～93HRC左右。

刀具材料應具備的性能2.耐磨性是指材料抵抗磨損的能力。它與材料的硬度、強度和組織結(jié)構(gòu)有關。一般來說，刀具材料硬度越高越耐磨。二、足夠的強度和韌性在切削過程中，刀具承受很大的壓力、沖擊和振動，只有抗彎強度好，切削用量才不會發(fā)生變化。粗加工余量不均，切削力發(fā)生變化，對刀具有沖擊和振動，如果韌性不好，常會出現(xiàn)崩刃或折斷。一般用沖擊韌度ak反映刀具材料抗脆性和抗崩刃能力。刀具材料應具備的性能三、較高的耐熱性和傳熱性在高溫下刀具材料保持硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。用紅硬性表示。高溫下硬度越高，則紅硬性越好，允許的切削速度越高。刀具材料的傳熱系數(shù)大，有利于切削區(qū)熱量的傳出，降低切削溫度。刀具材料應具備的性能四、良好的工藝性為了便于刀具的加工制造，刀具材料要有良好的工藝性能。工藝性良好熱處理性能良好——淬透性好焊接性能良好——易焊接鍛造性能良好——如麻花鉆，先擰后鍛磨削性能良好——易刃磨刀具材料應具備的性能五、經(jīng)濟性好

經(jīng)濟性是評價新型刀具材料的重要指標之一，也是正確選用刀具材料、降低產(chǎn)品成本的主要依據(jù)之一。

刀具材料的選用應立足于本國資源，注意經(jīng)濟效果，力求價格低廉。

沒有一種刀具材料能具備所有性能的最佳指標，所以在選擇刀具材料時應合理選用。刀具材料材料類型目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金及陶瓷等。常用刀具材料一、碳素工具鋼碳素工具鋼是一種含C(碳)量較高的優(yōu)質(zhì)鋼(含C一般在0.65～1.35%)。1、常用牌號：T7A、T8A·······T13A其中：T——碳，A——高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼數(shù)字表示含碳量，如7表示含碳0.7%。常用刀具材料2、主要性能

淬火后硬度可達HRC61～65；紅硬性為攝氏200～250度，價格低廉，不耐高溫。允許切削速度Vc≤10m/min只能制作低速手用刀具，如板牙、鋸條、銼等。優(yōu)點：易刃磨，可獲得鋒利的刀刃。常用刀具材料二、合金工具鋼在碳素工具鋼中加入一定量的鉻(Cr)、硅(Si)、鎢(W)、錳(Mn)、釩(V)等合金元素（合金元素總量不超過3-5%），能夠提高材料耐熱性、耐磨性和韌性，同時可以減少熱處理時的變形。1、主要牌號：9SiCr：9表示平均含C量為0.9%，Si、Cr平均含量小于1.5%CrWMn：平均含C量大于1.0%，Cr、W、Mn平均含量小于1.5%常用刀具材料2、主要性能淬火后的硬度可達HRC61～65；紅硬性為攝氏300～400度；允許切削速度Vc=10～15m/min；制作低速、形狀比較細長、截面積大、刃形復雜、要求淬火后變形小的刀具。

如：板牙、拉刀、手用鉸刀、絲錐等。常用刀具材料三、高速鋼高速鋼是一種高合金工具鋼，鋼中含鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金元素，這些合金元素含量較高。高速鋼經(jīng)過適當熱處理，可獲得良好的切削性能。用高速鋼制成的刀具，在切削時顯得比一般低合金工具鋼刀具更加鋒利，因此又俗稱鋒鋼。高速鋼區(qū)別于其他一般工具鋼的主要特性是它具有良好的熱硬性（紅硬性），當切削溫度高達600℃左右時硬度仍無明顯下降，能以比合金工具鋼更高的切削速度進行切削，高速鋼由此而得名。常用刀具材料1、高速鋼性能具有較高的強度和韌性；良好的耐磨性，硬度達HRC63～66(V元素的作用)紅硬性為攝氏600度(W元素的作用)；允許切削速度Vc=25～30m/min；具有良好的制造工藝性；可獲得鋒利的刀刃（有鋒鋼之稱）加工范圍較大：鑄鐵、有色金屬、鋼等。常用刀具材料2、高速鋼的分類普通高速鋼：鎢系高速鋼（W18Cr4V），最常用，刃磨性好鎢鉬系高速鋼（W6Mo5Cr4V2），高溫塑性好、韌性好，但淬火溫度范圍窄，脫碳過熱敏感性大。鎢鉬系高速鋼（W9Mo3Cr4V），抗彎強度與韌性好于前者。高溫熱塑性好，脫碳敏感性小。

普通高速鋼工藝性好，可以滿足一般工程材料的切削加工。常用刀具材料2、高速鋼的分類高性能高速鋼：高碳高速鋼(95W18Cr4V)，含碳量0.95%，很少用。高釩高速鋼(W6Mo5Cr4V3)，提高耐磨性。鈷高速鋼(W6Mo5Cr4V2Co8—M42)，鈷熱導率高，有利于提高刀具切削性能，降低摩擦因數(shù)。鋁高速鋼(W6Mo5Cr4V2Al)，提高高溫硬度、熱塑性、韌性。刀具表面易形成氧化鋁薄膜，減少摩擦與粘結(jié)

性能較普通高速鋼提高，可用于切削高強度鋼、高溫合金、鈦合金等難加工材料。常用刀具材料2、高速鋼的分類粉末冶金高速鋼(PMHSS)：具有細小均勻的結(jié)晶組織，硬度達69.5-70HRC，抗彎強度達2.73～3.43GPa；無方向性，刀具各個點的壓縮強度、沖擊性、抗折能力、韌性都相同，適于制造精密刀具；無碳化偏析現(xiàn)象，PMHSS加工性好，不易變形。粉末冶金高速鋼成本較高，主要用于制造復雜成形刀具。以及加工高強度鋼、鎳基合金、鈦合金等難加工材料用的刨刀、鉆頭、銑刀等刀具常用刀具材料2、高速鋼的分類涂層高速鋼：TiN涂層，厚度2μm，硬度達2200HV，高熱穩(wěn)定性；TiAlN高性能涂層：耐熱攝氏800度，提高壽命；AlTiN高鋁涂層：耐熱攝氏800度，高硬度；TiCN復合涂層：耐熱攝氏400度，高韌性，適合做絲錐、成形刀具；TiAlCN復合涂層：耐熱攝氏500度，適合做銑刀、鉆頭，可加工60HRC的高硬度材料；DLC(類金剛石涂層)，適合用于加工硬木材的成形刀具常用刀具材料四、硬質(zhì)合金是指由高硬度、高熔點的碳化物，用金屬粘結(jié)劑，通過粉末冶金的工藝，經(jīng)過高壓成形，在攝氏500度的高溫下燒結(jié)而成的材料。成分組成：硬質(zhì)相（TiC、WC、TaC、NbC）+

粘結(jié)相（Co、Ni、Mo等）

硬質(zhì)合金的主要成分，具有高硬度、高熔點和化學穩(wěn)定性好的特點。硬度↑

抗彎強度↓

硬度↓抗彎強度↑常用刀具材料1、硬質(zhì)合金的主要性能常溫硬度74～81.5HRC，紅硬性為800～1000攝氏度，耐磨性優(yōu)良；允許切削速度100m/min≤Vc≤200m/min，比高速鋼提高4～7倍，刀具壽命提高5～80倍；脆性較大，怕沖擊，易崩刃。制造工藝性差，一般制成一定規(guī)格的刀片焊在刀體上。加工范圍廣，脆性材料、鋼材、有色金屬等均可常用刀具材料2、普通硬質(zhì)合金分類K類合金——鎢鈷類硬質(zhì)合金（合金代號YG）（1）組成：WC+Co（2）常用牌號：YG3、YG6、YG8

符號中的數(shù)字代表Co含量占3%、6%、8%

Co的含量↑韌性↑強度↑HRC↓耐磨性↓（3）應用：主要用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。YG3（精加工）、YG6（半精加工）、YG8（粗加工）常用刀具材料2、普通硬質(zhì)合金分類P類合金——鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金(合金代號YT)（1）組成：硬質(zhì)相(WC+TiC)+粘結(jié)相Co（2）常用牌號：YT5、YT14、YT15、YT30

符號中的數(shù)字代表TiC含量占5%、14%、15%TiC的含量↑硬度↑耐磨性↑脆性↑

韌性↓（3）應用：主要用于加工鋼材及有色金屬。YT5（粗加工）、YT14\YT15（半精加工）、YT30（精加工）常用刀具材料2、普通硬質(zhì)合金分類M類合金——鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金(合金代號YW)（1）組成：YG、YT合金中加入TaC、NbC（2）TaC：質(zhì)量分數(shù)達12%～15%

NbC：質(zhì)量分數(shù)在4%左右（3）性能：提高抗彎強度、疲勞強度、高溫硬度與強度，提高抗氧化能力。（4）應用：主要用于加工冷硬鑄鐵、有色金屬及合金的半精加工也能用于高錳鋼、淬火鋼、合金鋼的精加工。常用刀具材料2、普通硬質(zhì)合金分類P01類——碳化鈦基硬質(zhì)合金(原冶金部YN)（1）組成：硬質(zhì)相(TiC)+粘結(jié)相(Ni+Mo)這種合金有很高的耐磨性，有較高的耐熱性和抗氧化能力，化學穩(wěn)定性好，與工件材料的親合力小，抗粘結(jié)能力較強。缺點是導熱率和韌性較差。（2）應用：適用于半精加工與精加工，對于大長零件且加工精度較高的零件尤其適合，但不適合有沖擊載荷的粗加工和低速切削。常用刀具材料3、細晶粒、超細晶粒硬質(zhì)合金細晶粒硬質(zhì)合金：WC的平均粒度≤1.5μm；超細晶粒硬質(zhì)合金：WC的平均粒度在0.2～1μm，絕大多數(shù)≤0.5μm；多用于YG類合金，適合做小尺寸銑刀、鉆頭等，可用于加工高硬度難加工材料。4、鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬質(zhì)相WC、TiC+粘結(jié)相高速鋼常用刀具材料5、涂層硬質(zhì)合金在硬質(zhì)合金表面涂覆一層或多層5～13μm難熔金屬碳化物。涂層刀具具有高的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因此具有較高的耐磨性。涂層材料：TiC、TiN、TiCN、Al2O3

單涂層刀片已經(jīng)很少使用，大多采用TiC-TiN復合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復合涂層。適用范圍：主要用于車削、銑削等加工，不適合受力大和沖擊大的粗加工，高硬材料的加工以及進給量很小的精密切削。各類涂層刀具適用范圍涂層種類應用范圍表面顏色TiN通用涂層，常用于絲錐、鉆頭加工普通碳鋼等。金黃色TiCN常用于絲錐，銑刀加工工具鋼、銅合金，以及常用于各類工模具加工高強度鋼和有色金屬等。藍灰色TiAlN常用于硬質(zhì)合金銑刀和絲錐加工高強度、高韌性材料以及加工難加工材料。紫黑色CrN用于加工銅皮、銅合金的模具和工具。銀灰色TiAlCN用于加工淬火鋼及輕合金等難切削材料。紫色CrN+CBC用于加工切削阻力大的非金屬材料及有色金屬等工模具。灰黑色其他各種復合涂層常用刀具材料五、陶瓷以氧化鋁（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等為主要成分，經(jīng)壓制成型后燒結(jié)而成的刀具材料。常用總類：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷特點：高硬度、高耐磨性較高壽命；具有很好的熱硬性，摩擦系數(shù)低，切削力較硬質(zhì)合金小，用該類刀具加工時能提高表面光潔度。但脆性大，抗沖擊能力差。適用于高速精細加工硬材料！常用刀具材料五、超硬刀具材料1、金剛石分類：天然單晶金剛石刀具；人造聚晶金剛石刀具；金剛石燒結(jié)體。特點：硬度高達HV10000,耐磨性是硬質(zhì)合金的60～80倍，其切削刃鋒利，切下極薄的切屑，能實現(xiàn)超精密微量加工，但耐熱性差、強度低、脆性大。適用范圍：高速條件下精細加工非鐵材料，高硬度非金屬及其難加工的復合材料。常用刀具材料五、超硬刀具材料1、立方氮化硼（CBN）

概念：立方氮化硼（簡稱CBN）是由六方氮化硼為原料在高溫高壓下合成。

特點：硬度高，硬度僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性好，較高的導熱性和較小的摩擦系數(shù)。但強度和韌性較差，抗彎強度僅為陶瓷刀具的1/5～1/2。適用范圍：適用于加工高硬度淬火鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金材料。通常采用負前角的高速切削！理想刀具材料具有金剛石一樣高的硬度和耐磨性；具有立方氮化硼或陶瓷一樣高的熱穩(wěn)定性和化學惰性；具有硬質(zhì)合金一樣高的強度和抗沖擊性能。

重點掌握刀具材料應具備的性能掌握高速鋼與硬質(zhì)合金的性能及應用場合了解其他刀具材料的性能本章小結(jié)刀具材料應該具備的性能包括足夠的硬度和耐磨性、足夠的強度與韌性、較高的耐熱性、較好的工藝性、較好的傳熱性和經(jīng)濟性。工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼。碳素工具鋼優(yōu)點是工藝性能良好，有較高的耐磨性，價格低廉；最大缺點是熱硬性差，淬透性低。主要用于制造手用刀具、低速及小進給量的機用刀具。合金工具鋼比碳素工具鋼有較高的淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性。主要用于制造細長刀具或截面積大、刃形復雜的刀具。高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。高速鋼還具有較高的硬度、耐磨性以及強度和韌性。與硬質(zhì)合金相比，高速鋼的最大優(yōu)點是可加工性好并具有良好的綜合力學性能。高速鋼主要用于制造形狀復雜的刀具。高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼適于制造切削難加工材料的各種精密刀具和形狀復雜刀具。硬質(zhì)合金刀具材料有YG類、YT類、YW類和YN類四種。具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性、抗彎強度低和可加工工藝性差等特點。YG類硬質(zhì)合金主要用于加工形成短切屑的鑄鐵、有色金屬及非金屬等脆性材料以及淬硬鋼、高強度鋼和奧氏體不銹鋼等難加工材料。YT類硬質(zhì)合金主要用于加工形成長屑的鋼材等塑性材料。YW類硬質(zhì)合金主要用于加工鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。YN類硬質(zhì)合金適用于工具鋼的半精加工和精加工及淬硬鋼的加工。陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性及耐熱性，抗擴散和抗黏結(jié)能力強。最大缺點是強度低、韌性差。適用于鋼、鑄鐵及塑性大的材料的半精加工和精加工，尤其對于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料零件加工特別有效；但不適于機械沖擊和熱沖擊大的加工場合。金剛石和立方氮化硼屬于超硬刀具材料主要用于精加工。金剛石目前主要用于磨具及磨料，作為刀具多在高速下對有色金屬及非金屬材料進行精細車削，注意不能加工鐵等黑色金屬。立方氮化硼用于加工鋼鐵等黑色金屬，特別是加工高溫合金、淬火鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料。涂層刀片有效解決了刀具的硬度、耐磨性與強度、韌性之間的矛盾，大大提高了刀具的切削性能，且具有較好的通用性，但價格較高。練習題刀具材料的強度必須要大于工件材料的強度。（×）鎢系高速鋼中最主要的成分是鎢。

（

×）YG3比YG6更適宜于鑄件的粗加工。（

×）YT5比YT14更適宜于鋼件的粗加工。（

√

）根據(jù)資源特點，鋁高速鋼比鈷高速鋼更適合我國國情。（

√）粉末高速鋼在化學成分上與普通高速鋼有較大差異。（

×）陶瓷刀具硬度高，但脆性大，所以一般不宜用于粗加工。（√）×××√

√

×√

練習題W18Cr4V是屬于

系高速鋼。W6Mo5Cr4V2是屬于

系高速鋼。6-5-4-2高速鋼中鎢的含量是

%。鎢鉬系高速鋼的高溫塑性比鎢系高速鋼

。YG類硬質(zhì)合金牌號的數(shù)字越大，則其強度越

，硬度越

。YT類硬質(zhì)合金牌號的數(shù)字越大，則其強度越

，硬度越

。鎢系鎢鉬系6好高低低高各種硬質(zhì)合金牌號的應用范圍

牌號

合金性能

使用范圍YG3X

是YG類合金中耐磨性能最好的一種，但抗沖擊性能差

適用于鑄鐵、有色金屬及其合金的精鏜、精車等，亦可用于合金鋼、淬火鋼及鎢、鉬材料的精加工YG6X屬細晶粒合金，其耐磨性較YG6高，而使用強度接近于YG6

適用于冷硬鑄鐵、合金鑄鐵、耐熱鋼及合金鋼的加工，亦適用于普通鑄鐵的精加工，并可用于制造儀器儀表工業(yè)用的小型刀具和小模數(shù)滾刀YG6耐磨性較高，但低于YG6X、YG3X，韌性高于YG6X、YG3X，可使用較YG8為高的速度適用于鑄鐵、有色金屬及合金與非金屬材料連續(xù)切削的粗車，間斷切削的半精車、精車、小端面精車，粗車螺紋，旋風車絲，連續(xù)斷面的半精銑與精銑，孔的粗擴與精擴YG8

使用強度較高，抗沖擊和抗振動性能較YG6好，耐磨性及允許的切削速度較低適用于鑄鐵、有色金屬及其合金與非金屬材料加工中不平整斷面和間斷切削時的粗車、粗刨、粗銑