刀具材料的种类及其适用场合有哪些?

随着刀具材料的快速发展，各种新型刀具材料的物理、机械性能和切削性能都有了很大的提高，应用范围不断扩大。

刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本都有很大的影响。切削工具会受到高压、高温、摩擦、冲击和振动的影响。因此，刀具材料应具备以下基本性能:

• 硬度和耐磨性:刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。
• 强度和韧性:刀具材料应具有较高的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和剥落。
• 耐热性:刀具材料具有较好的耐热性，能承受较高的切削温度，并具有良好的抗氧化性。
• 工艺性能和经济性:刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削性能等，并应追求高性价比。

有哪些类型的工具材料?它们的性质、特点和应用。

目前广泛使用的数控刀具材料主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具等。刀具材料的总等级有很多，其性能差别很大。

数控加工的刀具材料必须根据被加工的工件和加工的性质来选择。刀具材料的选择应与加工对象合理匹配。刀具材料与加工对象的匹配主要是指两者的机械性能、物理性能、化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削生产率。

金刚石工具:

金刚石是碳的同素异形体，是自然界中发现的最坚硬的物质。金刚石工具具有高硬度、高耐磨性、高导热性等特点，广泛应用于有色、非金属材料的加工。特别是在铝和硅铝合金的高速切削中，金刚石刀具是难以替代的刀具类型。能够实现高效率、高稳定性、长寿命的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的刀具。

1. 金刚石工具类型:
   • 天然金刚石工具:天然金刚石作为切削工具已经使用了数百年。天然单晶金刚石工具经过精细研磨，切削刃可以非常锋利。尖端半径可达0.002μm，可实现超薄切削，可产生极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的、不可替代的超精密加工工具。
   • PCD金刚石工具:天然金刚石价格昂贵，多晶金刚石(PCD)被广泛应用于切割。高温高压合成技术制备的聚晶金刚石在很多场合已经被人工合成的聚晶金刚石所取代。PCD原料丰富，价格仅为天然钻石的十分之一到十分之一。PCD刀具不能磨出极锋利的边缘，加工后工件的表面质量不如天然金刚石。目前，工业上还不能轻易制造出带破片器的PCD刀片。因此，PCD可用于有色金属和非金属的精细切割，很难实现超精密镜面切割。
   • CVD金刚石工具:CVD金刚石技术已在日本出现。CVD金刚石是指通过化学气相沉积(CVD)在非均质衬底上合成金刚石薄膜。CVD金刚石具有与天然金刚石相同的结构和特性。CVD金刚石的性能接近天然金刚石，具有天然单晶金刚石和多晶金刚石(PCD)的优点。
2. 金刚石工具的性能特点:
   • 极高的硬度和耐磨性:天然金刚石是自然界中发现的最坚硬的物质。金刚石具有极高的耐磨性。在加工高硬度材料时，金刚石工具的寿命是硬质合金工具的10 ~ 100倍，甚至是数百倍。
   • 摩擦系数低:金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他工具低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。
   • 切削刃锋利:金刚石刀具切削刃锋利，天然单晶金刚石刀具可高达0.002 ~ 0.008μm，可进行超薄切削和超精密加工。
   • 导热系数高:金刚石的导热系数和热扩散系数高，切削热容易散失，刀具切削部分温度低。
   • 具有较低的热膨胀系数:金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，切削热引起的刀具尺寸变化小，这对于要求尺寸精度高的精密和超精密加工尤为重要。
3. 金刚石工具的应用:

   金刚石工具多用于精细切削和高速镗削有色和非金属材料。适用于加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金坯料、陶瓷材料等。各种有色金属耐磨，各种有色金属精加工。

   金刚石工具的缺点是热稳定性差。当切削温度超过700℃~ 800℃时，就会完全失去硬度。不适合切割黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子相互作用。在行动中，碳原子转化为石墨结构，工具很容易损坏。

立方氮化硼工具:

第二种超硬材料，立方氮化硼(CBN)，是用类似于金刚石制造方法的方法合成的，在硬度和导热性方面仅次于金刚石，并且具有优异的热稳定性。它可以在大气中被加热到10000摄氏度。氧化不会发生。CBN对黑色金属具有极其稳定的化学性质，可广泛用于钢铁产品的加工。

1. 立方氮化硼工具类型:

   立方氮化硼(CBN)是自然界不存在的一种物质，可分为单晶和多晶，即CBN单晶和多晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素异形体之一，结构类似于金刚石。PCBN是一种多晶材料，在高温高压下通过粘结相(TiC, TiN, Al, Ti等)将精细的CBN材料烧结在一起。统称为超硬刀具材料。PCBN被用来制造刀具或其他工具。

   PCBN刀具可分为整体式PCBN刀片和硬质合金烧结的PCBN复合刀片。PCBN复合镶件是在具有良好强度和韧性的硬质合金上烧结一层厚度为0.5 ~ 1.0 mm的PCBN。其性能既具有良好的韧性又具有较高的硬度和耐磨性。CBN镶件抗弯强度低、焊接困难等问题。

2. 立方氮化硼的性能和特点:

   立方氮化硼的硬度虽然略低于金刚石，但远高于其他高硬度材料。CBN的突出优点是热稳定性远高于金刚石，可以达到1200℃以上(金刚石为700-800℃)的反应。立方氮化硼的性能特点如下。

   • 硬度高、耐磨性好:CBN晶体结构像金刚石，具有金刚石一样的硬度和强度。PCBN特别适用于加工高硬度材料，之前可以研磨，可以获得较好的工件表面质量。
   • 热稳定性高:CBN的耐热性可达1400 ~ 1500℃，几乎是金刚石(700 ~ 800℃)的l倍。PCBN刀具可用于高温合金和淬硬钢的高速切削，切削速度比硬质合金刀具高3 ~ 5倍。
   • 优异的化学稳定性:在1200-1300℃与铁基材料不发生化学作用，不会像金刚石那样剧烈磨损，仍能保持硬质合金的硬度。PCBN刀具适用于切削淬火钢件和冷冻铸铁，可广泛应用于铸铁的高速切削。
   • 导热性好:虽然CBN的导热性不如金刚石，但PCBN的导热性在各种刀具材料中仅次于金刚石，高于高速钢和硬质合金。
   • 具有较低的摩擦系数:较低的摩擦系数可以减小切削时的切削力，降低切削温度，提高被加工表面的质量。
3. 立方氮化硼刀具的应用:

   立方氮化硼适用于加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料以及其他难切削材料。加工精度可达IT5(孔为IT6)，表面粗糙度值可小至Ra1.25~0.20μm。

   CBN刀具材料具有较差的韧性和弯曲强度。立方氮化硼车刀不适合低速、冲击载荷大的粗加工。不适合切削塑性高的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、高塑性钢等)，因为在切削这些金属时，会出现严重的堆积边缘，会使加工表面恶化。

陶瓷工具:

陶瓷工具具有硬度高、耐磨性好、耐热性优良、化学稳定性好等特点，不易与金属结合。陶瓷刀具在数控加工中占有重要地位，陶瓷刀具已成为高速切削和难加工材料加工的工具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削、难加工材料的切削。陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬质合金刀具提高2 ~ 10倍，从而提高切削生产效率。陶瓷工具材料所用的原料是地壳中含量最丰富的元素。陶瓷刀具的推广应用可以提高生产率，降低加工成本，促进切削技术的进步。

1. 陶瓷刀具材料种类:

   陶瓷刀具材料的类型一般可分为三类:铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷和复合氮化硅-铝基陶瓷。其中，铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氮化硅基陶瓷的性能优于铝基陶瓷。

2. 陶瓷工具的性能和特点:
   • 硬度高，耐磨性好:陶瓷刀具的硬度虽然不如PCD和PCBN，但高于硬质合金和高速钢刀具，达到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适用于高速切削和硬切削。
   • 耐高温、耐热性好:陶瓷刀具在1200°C以上的高温下仍然可以切削。陶瓷刀具具有良好的高温机械性能，A12O3陶瓷刀具具有特别好的抗氧化性，切削刃即使处于红热状态也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，可以节省切削液。
   • 良好的化学稳定性:陶瓷刀具不易与金属结合，具有良好的耐腐蚀性和化学稳定性，可减少刀具的结合磨损。
   • 摩擦系数低:陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。
3. 陶瓷刀的用途:

   陶瓷是用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削各种铸铁、钢材，以及铜合金、石墨、工程塑料、复合材料等。陶瓷刀具材料的性能存在抗弯强度低、冲击韧性差的问题，不适合低速和冲击载荷下的切削。

涂布工具:

刀具涂层是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具的出现使刀具的切削性能有了突破。涂层刀具是在具有良好韧性的刀体上涂覆一层或多层具有良好耐磨性的耐火化合物，使刀具基体与硬质涂层相结合，从而提高了刀具的性能。涂层刀具可以提高加工效率，提高加工精度，延长刀具寿命，降低加工成本。数控机床中使用的刀具约80%采用涂层刀具。

1. 涂层工具类型:

   根据涂层方法的不同，涂层工具可分为化学气相沉积(CVD)涂层工具和物理气相沉积(PVD)涂层工具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢工具一般采用物理气相沉积，沉积温度在500℃左右。根据涂层工具基体材料的不同，涂层工具可分为硬质合金涂层工具、高速钢涂层工具，涂层工具分为陶瓷和超硬材料。

   根据涂层材料的性质，涂层工具可分为硬涂层工具和软涂层工具。硬涂层刀具所追求的目标是高硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高和耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂层。软涂层工具所追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑工具。其与工件材料的摩擦系数较低，约为0.1，可减少附着力，减少摩擦，并降低切削力，降低切削温度。

   纳米涂层工具可以使用各种涂层材料(如金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等)的不同组合，以满足不同的功能和性能要求。合理设计的纳米涂层可使刀具材料具有优异的抗摩擦、抗磨损、自润滑性能，适用于高速干式切削。

2. 涂层工具的特点:
   • 良好的机械和切削性能:涂层刀具结合了基材和涂层材料的优良性能，既保持了基材的良好韧性和高强度，又具有高硬度、高耐磨性、低强度的涂层摩擦系数。涂层刀具的切削速度可比未涂层刀具提高2倍以上，并允许更高的进给速度。涂层刀具的使用寿命得到提高。
   • 通用性强:涂层刀具通用性广，加工范围明显扩大。一个涂层工具可以代替几个非涂层工具。
   • 涂层厚度:随着涂层厚度的增加，刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和时，刀具寿命不再明显增加。当涂层太厚时，很容易造成脱皮。当涂层过薄时，耐磨性较差。
   • 再磨能力:覆膜叶片返回性差，覆膜设备复杂，工艺要求高，覆膜时间长。
   • 涂层材料:不同涂层材料的刀具具有不同的切削性能。低速切削时，TiC涂层占主导地位。高速切削时，TiN更适合。
3. 涂层工具的应用:

   涂层刀具在数控加工领域具有巨大的潜力，将成为数控加工领域最重要的刀具品种。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工工具、齿轮滚刀、插齿刀、剃须刀、成型拉刀和各种机夹可转位刀片，以满足各种钢材的高速加工。以及对铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需求。

硬质合金工具:

硬质合金工具，特别是可转位硬质合金工具是数控加工工具的主导产品。整体可转位硬质合金刀具或刀片的品种已扩展到各种刀具领域，其中可转位硬质合金刀具已从简单的车削刀具、面铣刀扩展到各种精密、复杂、成形刀具。

1. 硬质合金刀具种类:

   硬质合金按化学成分可分为钨基硬质合金和碳(氮化)钛(TiCN)基硬质合金。

   碳化钨基硬质合金包括钨钴合金(YG)、钨钴钛合金(YT)和稀有硬质合金(YW)，每种硬质合金都有其优缺点。主要部件有碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)等。常用的金属结合相为Co.碳(氮化)钛基硬质合金是一种以TiC为组分的硬质合金，常用的金属结合相为Mo和Ni。

   ISO(国际标准化组织)将切削碳化物分为三类:

   • K类，包括Kl0-K40(组件为WC.Co)。
   • P类，包括P01 - P50(组件为WC.TiC.Co)。
   • M级，包括M10至M40(组件为WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。
2. 硬质合金刀具的性能特点:
   • 高硬度:硬质合金刀具是由具有高硬度和熔点的硬质合金与金属粘结剂经粉末冶金方法制成。高于高速钢，在5400C时，硬度仍能达到82-87HRA，与常温下高速钢的硬度(83-86HRA)相同。硬质合金的硬度值随硬质合金金属结合相的性质、数量、粒度和含量而变化，一般随结合金属相含量的增加而降低。当粘结相含量相同时，YT合金的硬度高于YG合金，添加TaC (NbC)的合金具有更高的高温硬度。
   • 弯曲强度和韧性:常用硬质合金的弯曲强度在900-1500MPa范围内。金属粘结相含量越高，抗弯强度越高。在粘结剂含量相同的情况下，yg基(WC-Co)合金的强度高于y基(WC-TiC-Co)合金，且强度随TiC含量的增加而降低。硬质合金是脆性材料，其室温冲击韧性为高速钢的1/30 ~ 1/8。
3. 常用硬质合金刀具的应用:

   YG合金用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶硬质合金(如YG3X、YG6X)在钴含量适合加工一些特殊硬质铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬质青铜、耐磨绝缘材料等时，硬度和耐磨性均高于中晶硬质合金。

   YT型硬质合金的突出优点是硬度高，耐热性好，比YG型硬度高，高温下抗压强度大，抗氧化性好。因此，当要求刀具具有较高的耐热性和耐磨性时，应选择TiC含量较高的品牌。YT合金适合加工钢等塑料材料，但不适合加工钛合金和硅铝合金。YW合金兼有YG和YT合金的性能，具有良好的综合性能。可用于加工钢、铸铁、有色金属等。如果适当增加钴含量，这种合金具有较高的强度，可用于难加工材料的粗加工和间断切削。

高速钢刀具:

高速钢(HSS)是一种高合金工具钢，添加了较多的合金元素，如W、Mo、Cr、V。高速钢工具在强度、韧性和可制造性方面具有优异的综合性能。在复杂工具中，特别是开孔工具、铣刀、螺纹工具、拉刀、齿轮刀具等复杂刀具中，高速钢仍占据主要地位。高速钢刀容易磨尖刃口。

根据用途的不同，高速钢可分为通用高速钢和高性能高速钢。

1. 万能高速钢刀具:

   通用高速钢。可分为钨钢和钨钼钢两种。这种类型的高速钢(C)含有0.7%至0.9%。钨在钢铁的内容可分为钨钢W含量12%或18%,钨钼钢铁W含量6%或8%,和钼钢W含量2%或没有W .通用高速钢具有一定的硬度(63 - 66 hrc)和穿阻力,高强度和韧性,塑性好,和加工性能,所以被广泛用于制造各种复杂的工具。

   • 钨钢:通用高速钢钨钢的典型牌号为W18Cr4V (W18)，综合性能较好。6000C的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂工具。具有可磨性好、脱碳敏感性低的优点，但由于碳化物含量高，分布不均匀，颗粒较大，强度和韧性不高。
   • 钨钼钢:是指用钼代替钨钢中的部分钨而得到的高速钢。钨钼钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2 (M2)。M2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性、高温塑性均优于W18Cr4V。另一种钨钼钢为W9Mo3Cr4V，其热稳定性略高于M2钢，抗弯强度和韧性优于W6M05Cr4V2，具有良好的切削加工性。
2. 高性能高速钢刀具:

   高性能高速钢是指在通用高速钢成分中加入含碳量、含钒量、Co、Al等合金元素，从而提高耐热性和耐磨性的一种钢。

   • 高碳高速钢:高碳高速钢(如95W18Cr4V)，室温和高温下硬度高，适用于制造加工普通钢和铸铁，钻头、绞刀、丝锥、铣刀等对耐磨性要求高，或加工较硬材料的刀具，不宜承受较大冲击。
   • 高钒高速钢:典型牌号，如W12Cr4V4Mo (EV4)，含V量增加到3% ~ 5%，耐磨性好，适合切削刀具磨损大的材料，如纤维、硬质橡胶、塑料等，可用于加工不锈钢、高强度钢和高温合金等材料。
   • 钴高速钢:是一种含钴的超硬高速钢。典型牌号如W2Mo9Cr4VCo8 (M42)硬度较高，其硬度可达69-70HRC。适用于加工高强耐热钢、高温合金、钛合金等难加工材料。M42具有良好的可磨性，适合制造精密复杂的刀具，但不适合在冲击切削条件下工作。
   • 铝高速钢:是含铝的超硬高速钢。典型牌号如W6Mo5Cr4V2Al(501)，在6000C时高温硬度为54HRC，切削性能相当于M42。适用于制造铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀、拉刀等。适用于加工合金钢、不锈钢、高强钢及高温合金等材料。
   • 含氮超硬高速钢:典型牌号，如W12M03Cr4V3N (V3N)，是含氮超硬高速钢，硬度、强度和韧性与M42相当。它们可作为含钴高速钢的替代品，用于难加工材料的低速切削和低速高精度加工。
3. 熔炼链高速钢、粉末冶金高速钢:

   根据制造工艺的不同，高速钢可分为熔炼链式高速钢和粉末冶金高速钢。

   • 熔链高速钢:普通高速钢和高性能高速钢都是采用熔链法制造的。它们通过熔炼、铸锭和电镀等工艺制成刀具。熔体链高速钢中容易出现的问题是碳化物偏析。高速钢中硬脆碳化物分布不均匀，晶粒粗大，不利于高速钢刀具的耐磨性、韧性和切削性能。
   • 粉末冶金高速钢(PM HSS):粉末冶金高速钢(PM HSS)是从高频感应炉中熔化的钢水，用高压氩气或纯氮气雾化，然后淬火得到细而均匀的钢。结晶结构(高速钢粉末)，然后将得到的粉末在高温高压下压制成叶片毛坯，或先将钢毛坯通过锻造和轧制制成叶片形状。与熔炼法生产的高速钢相比，PM HSS的优点是碳化物晶粒细而均匀，强度、韧性和耐磨性较熔炼链式高速钢有很大提高。在复杂数控工具领域，粉末冶金高速钢刀具将进一步发展并占据重要地位。典型牌号如F15、FR71、GFl、GF2、GF3、PT1、PVN等，可用于制造大尺寸、重型、高冲击工具，可用于制造精密工具。