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

班级：

机械工程学院11级卓越班

姓名：

学号：

日期：

2014.05.02

摘要

用刀具切削金属时，直接负担切削工作的是刀具的切削部分。

刀具切削性能的好坏取决于构成刀具切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具结构的选择是否合理。

其中，刀具材料的选择尤为重要。

本文在阐述了刀具材料应该具备的性能的基础上，对高速钢、硬质合金、涂层刀具、陶瓷、金刚石、立方氮化硼等几种不同种类的刀具进行了介绍，分别说明了它们的分类、特点及应用。

为生产中刀具材料的选用提供了指导。

关键词：

刀具材料分类应用

1绪论

刀具材料的发展在人类的生活、生产中有着很大的重要性。

在古代,“刀”和“火”是两项最伟大的发明,它们的发明和应用是人类登上历史舞台的重要标志。

刀具材料的进步曾推动着人类社会文化和物质文明的发展。

例如,在人类历史中曾有过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代等。

[1]

材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。

其中,刀具材料的性能起着关键作用。

切削加工生产率和刀具耐用度高低，刀具消耗和加工成本多少，加工精度和表面质量的优劣等，很大程度上都取决于刀具材料的合理选择。

图

（1）各类刀具、材料

2刀具材料应具备的性能

2.1高的硬度和耐磨性

硬度是刀具材料应具备的基本特性。

刀具想要加工工件，其硬度必须比工件材料的硬度大。

切削金属所用刀具切削刃的硬度一般都在60HRC以上。

耐磨性是材料抵抗磨损的能力。

一般情况下刀具硬度越高耐磨性就越好。

刀具的耐磨性也受组织中的硬质点、刀具材料的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。

考虑到材料的品质因素可用下式表示材料的耐磨性：

其中，

指材料硬度（GPa）；

指材料的断裂韧度（MPa·m1/2）；

指材料的弹性模量（GPa）。

2.2足够的强度和韧性

材料的强度决定了材料的承载能力，而材料的韧性反应材料对外来冲击功、能的吸收能力，要求材料具有一定的组织内部微裂纹扩展的能力。

[2]

刀具材料只有具备足够的强度和韧性，才能承受很大的压力，以及在切削过程中通常要出现的冲击和振动条件下工作而不产生崩刃和折断。

2.3高的耐热性

耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能，是衡量刀具材料切削性能的主要标志。

刀具材料的高温硬度越高，刀具的切削性能越好，允许的切削速度也越高。

刀具材料也应当具有良好的化学稳定性。

图

（2）不同刀具材料的硬度与温度的关系[3]

1-金刚石2-立方氮化硼3-碳化硅4-氧化铝陶瓷5-YT15硬质合金

6-YG8硬质合金7-W18Cr4V高速钢8-T12高碳钢

2.4良好的热物理性能和耐热冲击性能

热物理性能主要是指导热性，刀具材料的导热性越好，切削热越容易散走，有利于降低切削温度。

刀具材料的耐热冲击性能是指抵抗热冲击的能力，特别是断续切削时，可用耐热冲击系数表示：

其中，

指导热系数；

指抗拉强度；

指泊松比；

指弹性模量；

指热膨胀系数。

耐热冲击性能良好的刀具材料在切削加工时才可以使用切削液。

2.5良好的工艺性能

为了便于刀具制造，要求刀具材料有良好的锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等。

2.6经济性

经济性是刀具材料的重要指标之一，刀具材料的发展应结合本国资源。

使用时刀具时，应同时考虑单件刀具成本和使用寿命，即考虑其经济效果。

3常用刀具材料及其应用

3.1高速钢

高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。

这里要明确的是高速钢并不就是用来高速切削的刀具。

高速切削一般是指切削速度和进给速度比常规加工高5~10倍的加工方式，它是采用高转速、快进给、小切深和小步距来去除余量,完成零件加工的过程。

[4]

高速钢具有较高的热稳定性、高的强度，制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造，性能较稳定，在自动机床上使用较可靠。

高速钢占现用刀具材料的一半以上。

3.1.1通用型高速钢

通用型高速钢含碳量为0.7%-0.9%。

按钢中含钨量不同可分为含W12%或18%的钨钢，含W6%或8%的钨钼系钢，含W2%或不含钨的钼钢。

这类钢可称为中等热稳定性钢，具有一定的硬度和耐磨性，高的强度和韧性，良好的塑性和磨削加工性，广泛用以制造各种复杂刀具，占高速钢总产量的75%-80%。

3.1.1.1钨钢

钨钢的典型牌号是W18Cr4V（W18），具有较好的综合性能。

淬火时过热倾向小，磨加工性好，塑性变形抗性较大。

但是强度和韧性不够，热塑性较差。

同时，市场上钨价较贵也导致了现在使用率下降。

3.1.1.2钨钼钢

钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2（M2）。

M2钢具有良好的力学性能，抗弯强度高于W18，热塑性好，磨加工性好。

但是热处理时脱碳倾向较大，较易氧化，淬火温度范围较窄。

另外还有一种钨钼钢W9Mo3Cr4V（W9）。

3.1.2高性能高速钢

高性能高速钢是指在通用型高速钢的成分中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等合金元素的新钢种。

这类钢可称为高热稳定性高速钢，在高温时仍具有很高的硬度，具有更好的切削性能。

其耐用度是通用型高速钢的1.5-3倍，适合加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。

但是，高性能高速钢的不同牌号只有在各自规定的切削条件下使用才能达到良好的切削性能。

另外，高性能高速钢中还有一种超硬高速钢，硬度能达到67-70HRC。

就其成分可分为含钴的和不含钴的超硬高速钢。

3.1.3粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是采用粉末冶金方法制得致密的钢坯，再经锻、轧等热变形而得到的高速钢型材，简称粉冶钢。

用粉末冶金方法制造的高速钢有很多优点：

1）它可有效地解决一般熔炼高速钢在铸锭时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织；

2）这种钢的磨加工性很好，不会由于增加钒含量而降低磨加工性；

3）可减小淬火时的变形；

4）耐磨性可提高20%-30%；

5）成形时具有高的合格率。

粉冶钢适于制造切削难加工材料的刀具及大尺寸刀具，也适于制造精密刀具和磨加工量大的复杂刀具，对于高压动载荷下使用的刀具以及小截面、薄刃刀具和成形刀具也可适用。

3.2硬质合金

3.2.1硬质合金的特点

硬质合金是由难熔金属化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法制成的，它的成分中含有大量金属碳化物。

硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，切削性能比高速钢高的多。

但是常用硬质合金的抗弯强度比高速钢的强度低的多。

总的来说，硬度与碳化物含量正相关，抗弯强度与粘结剂含量正相关。

硬质合金被广泛用作刀具材料，如绝大多数的车刀、端铣刀、深孔钻、齿轮滚刀等等。

特别是，硬质合金刀具可以用来加工高速钢不能加工的淬硬刚等硬材料。

3.2.2常用硬质合金的分类及其性能

3.2.2.1WC-Co（YG）类硬质合金

这类合金由WC和Co组成。

我国常用的牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，主要用于加工铸铁及其有色金属。

YG类硬质合金有粗晶粒、中晶粒、细晶粒、超细晶粒之分，一般硬质合金均为中晶粒。

细晶粒硬质合金比中晶粒的硬度和耐磨性高一些，适用于加工一些特殊的铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜、硬的和耐磨的绝缘材料等等；超细晶粒硬质合金能在较高硬度时获得较高的抗弯强度，适合在较低的切削速度下工作，适于制造小尺寸刀具。

3.2.2.2WC-TiC-Co（YT）类硬质合金

这类合金中的硬质相除了WC外，还含有5%-30%的TiC。

常用牌号有YT5、YT14、YT15及YT30等，主要用于加工钢料。

随着成分中TiC含量的提高和Co含量的降低，YT类硬质合金的硬度和耐磨性提高，抗弯强度降低，导热性、磨削性能、和焊接性能显著降低。

但是其耐热性好。

3.2.2.3WC-TiC-TaC（NbC）-Co（YW）类硬质合金

YW类硬质合金是在YT类成分中加入一定量的TaC，常用牌号有YW1、YW2。

TaC提高了其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧度，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。

这类合金既可以加工铸铁及其有色金属，也可以加工钢，因此常称为通用硬质合金。

适当增加含钴量后强度可很高，能承受机械振动和热冲击，可用于断续切削。

3.2.2.4TiC（N）基硬质合金

TiC基硬质合金不同于上述3种WC基硬质合金，TiC基硬质合金是以TiC为主要成分的TiC-Ni-Mo合金。

TiC基硬质合金的硬度很高，达到了陶瓷水平。

这种合金有很高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲和力小，摩擦系数小，抗粘结能力较强，因此刀具耐用度比WC基硬质合金提高几倍。

抗弯强度和韧性还赶不上WC基硬质合。

可以加工钢，也可以加工铸铁，主要用于精加工和半精加工，尤其是加工较大较长的零件、要求表面粗糙度小和尺寸精度较高的零件。

3.2.3硬质合金的选用

加工铸铁、有色金属及非金属材料时，切屑成崩碎块粒，对刀具冲击很大，切削热和切削力集中在刀尖附近。

由于YG类合金有较高的强度和冲击韧性而且导热性也好，适合加工这类材料。

但是如果切削速度太高，反倒不如用耐热性更好的YT类合金。

加工钢料时，金属塑性变形很大，摩擦很剧烈，切削温度很高。

由于YT类合金具有较高的硬度和耐磨性、高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力，加工钢时磨损小，刀具耐用度高，适钢料合加工。

但是，如果切削速度很低，切削过程不太平稳，不如使用韧性更好的YG类合金。

加工钛的不锈钢和钛合金时，由于硬质合金中的Ti元素和加工材料中的Ti元素之前的亲和力会产生严重的粘刀现象，不宜采用YT类硬质合金。

此时采用YG类硬质合金，切削温度较低、刀具磨损较小、加工表面粗糙度较小。

加工淬硬刚、高强度钢、奥氏体钢和高温合金时，由于切削力很大，切削与前刀面接触长度很短，切削力集中在切削刃附近，易造成崩刃，不宜采用强度较低、脆性较大的YT类合金，而宜采用韧性、导热性较好的YG类合金。

粗加工时，适于采用含钴量多的硬质合金，因为其抗弯强度和冲击韧度较高。

精加工时，适于采用含钴量较少的硬质合金，因为其硬度、耐磨性及耐热性较高。

YW类合金主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。

3.3涂层刀具

3.3.1涂层刀具的定义

涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体上，或在高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。

涂层硬质合金一般采用化学气相沉积法；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法。

3.3.2常用的涂层材料

常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。

TiC的硬度高，抗磨损性能好，适用于要产生剧烈磨损的刀具；TiN与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化性能好，适用于易产生粘结的条件下；Al2O3在高温下有良好的热稳定性能，适用于高速切削产生大量热的场合。

3.3.3涂层刀具的特点

1）涂层刀具有比基体高的多的硬度；

2）涂层刀具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力；

3）涂层刀具有低的摩擦系数，可降低切削时的切削力及切削温度，可大大提高刀具的耐用度；

4）涂层硬质合金的通用性广，一种涂层刀片可代替几种未涂层刀片使用。

但是，涂层刀具不适用于小进给量切削、高硬度材料和重载切削。

而且其成本也比较贵。

3.4陶瓷

3.4.1陶瓷刀具的发展

1913年人们开始试作陶瓷刀具,因脆性大而末能推广使用,直到50年代中期才逐渐发展起来,特别是最近十年来发展的现代陶瓷刀具,其性能、品种和应用领域的开拓方面都有相当的发展。

[5]

图（3）陶瓷刀具

3.4.2Al2O3基陶瓷

Al2O3基陶瓷具有下列特点：

1）有很高的硬度和耐磨性，使用良好时有很高的刀具耐用度；

2）有很高的耐热性；

3）有很高的化学稳定性；

4）有较低的摩擦系数，切削与刀具不易产生粘结，加工表面粗糙度较小。

5）抗弯强度很低，冲击韧度很差

陶瓷刀具可用于加工钢，也可以用于加工铸铁。

对于高硬度材料、大件及高精度零件加工特别有效。

不仅可以车削加工，还可以用于铣削加工。

3.4.3Si3N4基陶瓷

Si3N4基陶瓷具有高的强度和韧性，其抗弯强度可达1GPa，使这种刀具能承受较大的冲击载荷。

它有较高的热稳定性，耐热冲击性能也大大优于Al2O3基陶瓷，切削时可使用切削液。

代表牌号是塞隆（Si3N4-Al2O3-Y2O3）。

表1一些Si3N4基陶瓷刀具加工冷硬铸铁时的切削性能对比[6]

牌号（材料）

最佳切削速度/（m·min-1）

切削总长/m

FD02

32.0

10410

FD03

47.0

21684

AT6（Al2O3-TiC）

29.4

3400

Al2O3-ZrO2（进口）

29.6

2640

K10（YG6）硬质合金

6.0

277

3.5金刚石

3.5.1金刚石刀具的分类

金刚石刀具有以下3种：

1）天然单晶金刚石刀具，价格昂贵，使用较少；

2）整体人造聚晶金刚石刀具，通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成；

3）金刚石复合刀片，是在硬质合金的基体上烧结一层月0.5mm厚的金刚石。

3.5.2金刚石刀具的性能及应用

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，是目前已知的最硬物质。

可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料。

金刚石的切削刃非常锋利，刃部粗糙度很小，摩擦系数又低，加工表面质量很高。

但是，金刚石的热稳定性较低，切削温度超过700-800℃时就会完全失去硬度。

金刚石目前主要用于磨具及磨料，用作刀具时多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细车削及镗孔。

金刚石刀具不适于加工钢铁材料。

3.6立方氮化硼

3.6.1立方氮化硼刀具的定义和分类

立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的，是七十年代才发展起来的一种新兴刀具。

立方氮化硼刀具分为整体立方氮化硼刀具和立方氮化硼复合刀片。

后者和金刚复合刀片类似，是在硬质合金基体上烧结一层厚度约为0.5mm的立方氮化硼而成。

3.6.2立方氮化硼刀具的性能及应用

立方氮化硼刀具有很高的硬度及耐磨性；有比金刚石高的多的热稳定性，可以加工高温合金；化学惰性很大，与铁族金属很高温度下也不易起化学作用，因此可以用于加工淬硬刚和冷硬铸铁。

立方氮化硼刀具可以用硬质合金加工普通钢及铸铁的切削速度对淬硬刚、冷硬铸铁、高温合金等进行半精加工和精加工，加工精度高，表面粗糙度小。

立方氮化硼刀具还可以加工某些热喷涂（焊）件及其他特殊材料。

4刀具材料未来的发展

以高的切削效率切削难加工材料的理想刀具材料，应该同时具有金刚石那样高的硬度和耐磨性，立方氮化硼或陶瓷刀具那样高的热稳定性和化学惰性，硬质合金那样高的强度和抗冲击性能，但在可预见的将来还不可能找到具有这样理想性能的高速材料。

目前使用的主要刀具材料仍然是硬质合金及高速钢，但其内部构成比将有明显变化，传统的非涂层牌号及品种将会减少，耐磨涂层品种和牌号及其在柔性加工和集成制造系统中的应用将进一步增加。

同时，这两类刀具材料将会受到陶瓷及超硬刀具材料的激烈竞争，它们所占的比重将有较快增长。

在相当长的时期内，各种刀具材料将仍然是相互补充，相互竞争。

参考文献

[1]于启勋,朱正芳.刀具材料的历史、进展与展望[J].机械工程学报,2003,12:

62-66.

[2]齐宝森，李莉，房强汉.机械工程材料[M].哈尔滨工业大学出版社，2009,04:

84.

[3]陈日曜.金属切削原理[M].机械工业出版社，2013,06:

19.

[4]刘战强,万熠,周军.高速切削刀具材料及其应用[J].机械工程材料,2006,05:

1-4+8.

[5]艾兴,邓建新,黄传真,李兆前,赵军,张建华.大力发展和应用现代陶瓷刀具提高切削加工效益[J].山东机械,1998,01:

36-39.

[6]胥锴,刘徽平,杨天雪.陶瓷刀具材料及其发展前景[J].稀有金属与硬质合金,2009,01:

56-60.