常用刀具材料分类.docx

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常用刀具材料分类

常用刀具材料分类、特点及应用

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目录

摘要3

一、刀具材料的基本要求4

二、常用刀具材料6

1.高速钢6

2.硬质合金9

三、涂层刀具12

1.硬质合金12

2.CVDChemicalVaporDeposition（化学气相沉积）12

3.PVDPhysicalVaporDeposition（物理气相沉积）13

四、金属陶瓷15

五、陶瓷17

六、立方氮化硼19

七、聚晶金刚石21

八、牌号22

1.车削牌号22

2.切断、切槽和螺纹加工牌号22

3.铣削牌号23

4.钻削牌号23

九、参考文献24

摘要

要使金属切削工序获得满意的效果，切削刀具材料和牌号的选择是重要的考虑因素。

因此必须基本了解每种切削刀具材料及其性能，以便为每一切削应用做出正确选择。

本文旨在对目前常用刀具的材料进行分类，刀具材料的特点及应用进行总结，并根据每种切削刀具材料的性能给出应用建议。

关键词刀具材料分类刀具材料特点刀具材料性能刀具材料应用

一、刀具材料的基本要求

1.高硬度

刀具是从工件上去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度；刀具材料最低硬度应在60HRC以上；对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC以上；高速钢硬度为63HRC～70HRC；硬质合金刀具硬度为89HRC～93HRC

2.高强度与强韧性

刀具材料在切削时受到很大的切削力与冲击力；如车削45钢，在背吃刀量ap＝4㎜，进给量f＝0.5㎜/r的条件下，刀片所承受的切削力达到4000N，可见，刀具材料必须具有较高的强度和较强的韧性；

一般刀具材料的韧性用冲击韧度aK表示，反映刀具材料抗脆性和崩刃能力

3.较强的耐磨性和耐热性

刀具耐磨性是刀具抵抗磨损能力。

一般刀具硬度越高，耐磨性越好。

刀具金相组织中硬质点（如碳化物、氮化物等）越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好；

刀具材料耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下保持高硬度的性能来衡量，也称热硬性。

刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强

4.优良导热性

刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分温度，减少刀具磨损。

刀具材料导热性好，其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也强

5.良好的工艺性和经济性

刀具不但要有良好的切削性能，本身还应该易于制造，这要求刀具材料有较好的工艺性，如锻造、热处理、焊接、磨削、高温塑性变形等功能；经济性也是刀具材料的重要指标之一，选择刀具时，要考虑经济效果，以降低生产成本

二、常用刀具材料

1.高速钢

（1）概念：

高速钢是一种含有钨、钼、铬、钒等合金元素较多的工具钢

（2）性质：

高速钢具有良好的热稳定性；

高速钢具有较高强度和韧性；

高速钢具有一定的硬度（63～70HRC）和耐磨性

（3）分类

1普通高速钢

A.钨系高速钢（简称W18）

优点：

钢磨削性能和综合性能好，通用性强。

缺点：

碳化物分布常不均匀，强度与韧性不够强，热塑性差，不宜制造成大截面刀具

B.钨钼钢（将一部分钨用钼代替所制成的钢）

优点：

减小了碳化物数量及分布的不均匀性

缺点：

高温切削性能和W18相比稍差

2高性能高速钢

优点：

具有较强的耐热性，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍；

缺点：

强度与韧性较普通高速钢低，高钒高速钢磨削加工性差；

适合加工的零件：

奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料

3粉末冶金高速钢

优点：

无碳化物偏析，提高钢的强度、韧性和硬度，硬度值达69～70HRC；

保证材料各向同性，减小热处理内应力和变形；

磨削加工性好，磨削效率比熔炼高速钢提高2～3倍；

耐磨性好。

适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀和插齿刀），精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。

2.硬质合金

（1）组成

硬质合金是由难熔金属碳化物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成

（2）性能特点

优点：

硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高，热熔性好,热硬性好，切削速度高

缺点：

脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性不强。

抗弯强度只有高速钢的1/3～1/2，冲击韧性只有高速钢的1/4～1/35。

性能：

主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和粘化剂的含量决定

（3）普通硬质合金的种类、牌号及适用范围

按其化学成分的不同可分为：

1钨钴类（WC+Co）（合金代号为YG，对应于国标K类）;

合金钴含量越高，韧性越好，适于粗加工；

钴含量低，适于精加工

2钨钛钴类（WC+TiC+Co）（合金代号为YT，对应于国标P类）

此类合金有较高的硬度和耐热性，主要用于加工切屑成呈状的钢件等塑性材料。

合金中TiC含量高，则耐磨性和耐热性提高，但强度降低→粗加工一般选择TiC含量少的牌号，精加工选择TiC含量多的牌号

3钨钛钽（铌）钴类（WC+TiC+TaC（Nb）+Co）（合金代号为YW，对应于国标M类）

适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工，也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工

4碳化钛基类（WC+TiC+Ni+Mo）（合金代号YN，对应于国标P01类）

用于精加工和半精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削

（4）超细晶粒硬质合金

超细晶粒硬质合金多用于YG类合金，它的硬度和耐磨性得到较大提高，抗弯强度和冲击韧度也得到提高，已接近高速钢；适合做小尺寸铣刀、钻头等，并可用于加工高硬度难加工材料

三、涂层刀具

1.硬质合金

当前在所有切削刀具刀片中，涂层硬质合金占80-90%。

它作为刀具材料的成功之处在于其耐磨性和韧性的独特组合，以及各种复杂形状的成形能力。

涂层硬质合金将硬质合金和涂层结合在一起。

它们共同形成一种适用于其应用的特定牌号。

涂层硬质合金牌号为众多刀具和应用的首选。

2.CVDChemicalVaporDeposition（化学气相沉积）

2.1定义和性质

CVD涂层是在700-1050℃高温的环境下通过化学反应获得的。

CVD涂层具有高耐磨性，并对硬质合金具有极强的粘附性。

最先推出的CVD涂层硬质合金为单层碳化钛涂层（TiC）。

之后发明了氧化铝涂层（Al2O3）和氮化钛（TiN）涂层。

现代的碳氮化钛涂层（MT-Ti（C,N）或MT-TiCN，也称为MT-CVD）提高了其与硬质合金的粘附性，更好地保护硬质合金，从而提高了牌号的性能。

现代CVD涂层将MT-Ti（C,N）、Al2O3和TiN结合在一起。

通过显微结构优化和后处理，涂层在附着力、韧性和耐磨性方面获得不断改进。

MT-Ti（C,N）-其硬度提供了耐磨料磨损性能，从而可降低后刀面磨损。

CVD-Al2O3–具有化学惰性，热传导率低，使其可耐月牙洼磨损。

它

也充当热障，可提高抗塑性变形的能力。

CVD-TiN-提高耐磨性，并用于磨损检测。

后处理-提高间断切削的切削刃韧性，并降低粘结趋势。

2.2应用

CVD涂层牌号是许多重点考虑耐磨性的应用的首选。

此类应用包括：

用于钢材的普通车削和镗削，较厚的CVD涂层可提供耐月牙型磨损性能；用于不锈钢的普通车削；用作铣削刀具牌号时，加工ISOP、ISOM、ISOK材料。

对于钻削，CVD牌号通常用于周边刀片。

3.PVDPhysicalVaporDeposition（物理气相沉积）

3.1定义和性质

涂层在较低温度（400-600°C）下形成。

在该过程中，气相的金属与气体，比如氮，发生反应，从而在切削刀具表面形成硬质氮化涂层。

PVD涂层由于高硬度而增加了牌号的耐磨性。

它们的压应力也增加了切削刃韧性和抗梳状裂纹的能力。

主要的PVD涂层种类如下所述。

现代的PVD涂层通常由以下不同涂层组成多层涂层和（或）复合涂层。

复合涂层由相当多数量的极薄涂层构成，每层厚度通常为纳米级，从而使涂层硬度更高。

​PVD-TiN-氮化钛是最早使用的PVD涂层。

它性能全面，呈金黄色。

PVD-Ti（C,N）-碳氮化钛比氮化钛硬，它增加了后刀面耐磨性。

PVD-（Ti,Al）N-铝氮化钛具有高硬度和耐氧化性，从而提高材料的总体耐磨性。

PVD氧化涂层-利用其化学惰性，增强材料的耐月牙洼磨损性能。

3.2​应用

对于要求耐磨且锋利的切削刃以及加工粘软材料，推荐使用PVD涂层牌号。

这种应用很普遍，包括所有整体硬质合金立铣刀和钻头，以及切槽、螺纹加工和铣削的大多数牌号。

PVD涂层牌号广泛用于精加工，并在钻削中用作重要刀片牌号

四、金属陶瓷

1.定义和性质

金属陶瓷是以钛基硬质微粒为主体的硬质合金。

金属陶瓷的英文名称cermet是由ceramic（陶瓷）和metal（金属）两个单词分别截取部分合并而成的。

最初金属陶瓷是由TiC和镍合成的。

现代金属陶瓷不含镍，通常以碳氮化钛Ti（C,N）微粒为主要成分，少量第二硬质相（Ti,Nb,W）（C,N）和富钨钴粘合剂。

Ti（C,N）增加了牌号的耐磨性，第二硬质相提高了抗塑性变形的能力，钴的含量控制韧性。

与烧结硬质合金相比，金属陶瓷提高了耐磨性，降低了与工件的粘结趋势。

另一方面，其压缩强度也较低，耐热冲击性较差。

金属陶瓷也可以使用PVD涂层，以提高耐磨性。

2.应用

金属陶瓷牌号用于有粘结趋势的应用，以应对积屑瘤问题。

其自锐性使其在长时间切削后依然保持较低的切削力。

在精加工工序中，这有助于获得长寿命和小公差，并加工出光亮的工件表面。

典型应用有不锈钢、球墨铸铁、低碳钢和铁素体钢的精加工。

金属陶瓷还可用于改善加工铁系材料时遇到的多种问题。

提示：

•使用低进给和小切深。

•在后刀面磨损达到0.3mm时，必须更换切削刃。

•加工时不用冷却液，以避免热裂和断裂。

GC1525韧性涂层金属陶瓷牌号，用于间断切削，车削。

CT5015耐磨金属陶瓷牌号，用于连续切削，车削。

CT530铣削牌号，可获得光亮的表面质量。

CT525切断和切槽牌号，用于精加工。

五、陶瓷

1.定义和性质

在高切削速度下，所有陶瓷切削刀具都具有出色的耐磨性。

提供适用众多应用的系列陶瓷牌号。

氧化陶瓷为氧化铝基（Al2O3），加入氧化锆（ZrO2）以抑制裂纹。

这使材料的化学性质非常稳定，但缺乏耐热冲击性。

（1）混合陶瓷是将立方碳化物或碳氮化物（TiC,Ti（C,N））加入氧化铝基陶瓷中，这提高了韧性和热传导性。

（2）晶须增强陶瓷使用碳化硅晶须（SiCw），极大提高了韧性并使冷却液的使用成为可能。

晶须增强陶瓷是加工镍基合金的理想选择。

（3）氮化硅陶瓷（Si3N4）代表另一类陶瓷材料。

它们细长的晶粒使其成为具有高韧性的自增强型材料。

氮化硅陶瓷牌号成功地用于灰铸铁加工，但由于缺乏化学稳定性，使其在其它工件材料上的应用受到限制。

赛阿龙陶瓷（SiAlON）牌号将氮化硅网状组织的强度与增强的化学稳定性结合在一起。

赛阿龙陶瓷牌号是加工耐热优质合金（HRSA）的理想选择。

2.应用

陶瓷牌号适用应用范围和材料种类广泛。

它不仅常用于高速车速工序，而且用于切槽和铣削工序。

在正确使用时，每种陶瓷牌号的特定性能可帮助获得高生产效率。

何时和如何使用陶瓷牌号的知识，对于获得成功非常重要。

陶瓷通常的局限性包括耐热冲击性和断裂韧性。

CC620氧化陶瓷，用于稳定和干切工况下灰铸铁的高速精加工。

CC6050混合陶瓷，用于硬材料的轻负荷连续精加工。

CC650混合陶瓷，用于灰铸铁和硬材料的高速精加工，以及低韧性要求的耐热优质合金的半精加工工序。

CC670晶须增强陶瓷，具有出色的韧性，用于镍基合金的车削、切槽和铣削。

在恶劣工况下也可以用于硬零件车削。

CC6190硅陶瓷，用于铸铁、珠光体球墨铸铁和硬铸铁从粗车到精车以及高速干式

CC6090铣削。

GC1690带涂层的氮化硅陶瓷，用于铸铁的轻型粗加工到精车。

CC6060赛阿龙陶瓷牌号，用于稳定工况下车削预加工的耐热优质合金时获得最佳性能。

由于耐沟槽磨损性优良，所以可预测磨损。

CC6065增强型赛阿龙陶瓷，用于对刀片有一定韧性要求的耐热优质合金的车削工序。

六、立方氮化硼

1.定义和性质

立方氮化硼CBN材料具有出色的热硬性，可以在非常高的切削速度下使用。

它还表现出良好的韧性和耐热冲击性。

现代CBN牌号多为陶瓷与CBN的复合材料，CBN含量大约40-65％。

陶瓷粘合剂增加了CBN的耐磨性，但是也降低了抗化学磨损性能。

另外一种为高含量CBN牌号，CBN占85%到约100%。

这些牌号使用金属粘合剂，以提高它们的韧性。

将CBN焊接到硬质合金载体上，形成刀片。

Safe-Lok™技术大大增强了负前角刀片上CBN切削刀尖与载体的结合强度。

2.应用

CBN牌号被大量用于淬硬钢（硬度超过HRc45）的精车。

对于硬度高于HRc55的材料，CBN是唯一可替代传统磨削方法的切削刀具。

较软的钢（低于HRc45），铁素体的含量较高，这对CBN的耐磨性有负面影响。

CBN也可以用于灰铸铁车削和铣削工序的高速粗加工。

​CB7015使用陶瓷粘合剂的PVD涂层CBN牌号，用于淬硬钢的连续车削和轻型间断切削。

CB7025使用陶瓷粘合剂的CBN牌号，用于淬硬钢的间断切削并满足切削时的高韧性要求。

CB7050使用金属粘合剂的高含量CBN牌号，用于淬硬钢的重载间断切削和灰口铸铁的精加工

七、聚晶金刚石

1.定义和性质

PCD是由金刚石粒子和金属粘合剂烧结而成的复合物。

金刚石是已知所有材料中最硬的，因此也是耐磨料磨损性最强的。

作为切削刀具，它具有良好的耐磨料磨损性，但缺乏高温下的化学稳定性，很容易溶解于铁中。

2.应用

PCD刀具仅限于加工非铁材料，如：

高硅铝、金属基复合材料（MMC）和碳纤维增强塑料（CFRP）。

使用大量冷却液的PCD也可用于钛材料的超级精加工。

CD10PCD牌号用于有色和非金属材料车削和铣削的精加工和半精加工工序

八、牌号

1.车削牌号

2.切断、切槽和螺纹加工牌号

3.铣削牌号

4.钻削牌号

九、参考文献

1.姚辉，吴琼，金岩，赵俊华，常用高速切削刀具材料的性能分析与应用.材料开发与应用.2012年8月

2.陈日曜，金属切削原理.机械工业出版社.第二版

3.肖诗纲编著.现代刀具材料.重庆：

重庆大学出版社，1991

4.机械工程手册.金属切削刀具.北京：

机械工业出版社，1981