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有很大的影响。刀具要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动。因此，刀具材料应具有以下基本性能:

• 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切屑。
• 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。刀具材料的总牌号很多，它们的性能差别很大。

数控加工的刀具材料必须根据要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、物理性能和化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削生产率。

金刚石工具:

钻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、高耐磨性和高导热性，广泛应用于有色金属和非金属材料的加工。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工具。

1. 金刚石工具的种类:
   • 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，刃口可极为锋利。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，聚晶金刚石(PCD)广泛用于切削。高温高压合成技术制备的聚晶金刚石在很多场合已被人工合成的聚晶金刚石所取代。PCD原料丰富，价格仅为天然金刚石的十分之一到十分之一。PCD刀具不能磨出极锋利的边缘，被加工工件的表面质量不如天然金刚石。目前工业上还不容易制造出带断片的PCD插片。因此，PCD可以用于有色金属和非金属的精细切割，而难以实现超精密镜面切割。
   • CVD金刚石工具:CVD金刚石技术在日本已经出现。CVD金刚石是指利用化学气相沉积(CVD)技术在非均相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聚晶金刚石(PCD)的优点。
2. 金刚石工具性能特点:
   • 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，金刚石刀具的寿命是硬质合金刀具的10 ~ 100倍，甚至几百倍。
   • 低摩擦系数:金刚石与某些有色金属的摩擦系数比其他刀具低，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，刀具切削部位的温度低。
   • 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:

   金刚石刀具主要用于有色金属和非金属材料的高速精细切削镗削。适用于加工各种耐磨非金属，如玻纤增强塑料粉末冶金毛坯、陶瓷材料等。各种耐磨有色金属，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，将完全失去硬度。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。在作用中，碳原子被转化为石墨结构，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)，采用与金刚石制造方法类似的方法合成，其硬度和导热系数仅次于金刚石，具有优异的热稳定性。它可以在大气中加热到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能，可广泛用于钢铁制品的加工。

1. 立方氮化硼工具种类:

   立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质，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，具有类似金刚石的结构。PCBN是一种在高温高压下通过键合相(TiC、TiN、Al、Ti等)将细小的CBN材料烧结在一起的多晶材料。统称为超硬刀具材料。PCBN用于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PCBN复合刀片。PCBN复合刀片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。其性能既有良好的韧性，又有较高的硬度和耐磨性。CBN刀片存在弯曲强度低、焊接困难等问题。

2. 立方氮化硼的性能与特点:

   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:

   • 高硬度、高耐磨性:CBN晶体结构与金刚石相似，硬度和强度与金刚石相似。PCBN特别适用于加工高硬度材料，可预先磨削，并能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1倍。PCBN刀具可用于高温合金和淬硬钢的高速切削，切削速度是硬质合金刀具的3 ~ 5倍。
   • 优异的化学稳定性:在1200-1300℃下不会与铁基材料发生化学作用，不会像金刚石那样剧烈磨损，仍能保持硬质合金的硬度。PCBN刀具适用于淬硬钢件和冷冻铸铁的切削加工，可广泛用于铸铁的高速切削加工。
   • 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。
   • 具有低的摩擦系数: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:

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

   CBN刀具材料韧性和抗弯强度较差。立方氮化硼车刀不适合低速大冲击负荷粗加工。不适合切削塑性高的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性高的钢等)，因为在切削这些金属时，会出现严重的堆积边，使加工表面劣化。

陶瓷工具:

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性优异、化学稳定性好、不易与金属结合等特点。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刀具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干式切削、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高2 ~ 10倍，从而提高切削生产效率。陶瓷刀具材料所使用的原料是地壳中最丰富的元素。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:

   陶瓷刀具材料的种类一般可分为三大类:氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷和复合氮化硅-氧化铝基陶瓷。其中，以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氧化铝基陶瓷。

2. 陶瓷刀具的性能和特点:
   • 硬度高，耐磨性好:陶瓷刀具的硬度虽然不如PCD和PCBN高，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，适合高速切削和硬切削。
   • 耐高温，耐热性好:陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍可切削。陶瓷刀具具有良好的高温机械性能，而A12O3陶瓷刀具具有特别好的抗氧化性，即使处于红热状态，刃口也可以连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干式切削，可以节省切削液。
   • 化学稳定性好: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和力小，摩擦系数低，可以降低切削力和切削温度。
3. 陶瓷刀有以下用途:

   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，以及铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。陶瓷刀具材料的性能存在弯曲强度低、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。涂层刀具在韧性好的刀具本体上涂覆一层或多层耐磨性好的耐火化合物，使刀具基体与硬质涂层相结合，从而提高刀具的使用性能。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:

   根据涂层方式的不同，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。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积，沉积温度在500℃左右。根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具和陶瓷和超硬材料涂层刀具。

   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。硬涂层刀具追求的目标是高硬度和耐磨性，其主要优点是高硬度和良好的耐磨性，典型的是TiC和TiN涂层。软涂层工具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低，约为0.1，可减少附着，减少摩擦，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、抗磨损和自润滑性能，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、高耐磨性和低强度涂层摩擦系数。涂层刀具的切削速度可比未涂层刀具高2倍以上，并允许更高的进给速度。提高了涂层刀具的使用寿命。
   • 通用性强:涂层刀具通用性广，加工范围明显扩大。可以使用一个涂层工具代替多个非涂层工具。
   • 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，容易引起剥落。当涂层太薄时，耐磨性差。
   • 复磨能力:涂层刀片的可退性差，涂层设备复杂，工艺要求高，涂层时间长。
   • 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涂层占优势。当高速切削时，TiN更合适。
3. 涂层工具的应用:

   涂层刀具在数控加工领域具有巨大的发展潜力，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、成形拉刀和各种机夹可转位刀片上，以满足各种钢材的高速加工。而需要的材料有铸铁、耐热合金和有色金属等。

硬质合金工具:

硬质合金刀具，特别是可转位硬质合金刀具，是数控加工刀具的主导产品。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刀、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碳化钨基硬质合金和碳(氮)钛(TiCN)基硬质合金。

   碳化钨基硬质合金包括钨钴(YG)、钨钴钛(YT)和稀有碳化物(YW)，它们各有优缺点。其成分有碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)等。常用的金属结合相是Co.碳(氮)钛基硬质合金是以TiC为组分的硬质合金，常用的金属结合相是Mo和Ni。

   ISO(国际标准化组织)将切削硬质合金分为三类:

   • K级，包括Kl0-K40(组分为WC.Co .)。
   • P级，包括P01 ~ P50(元器件为WC.TiC.Co .)。
   • M级，包括M10至M40(组分为WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。
2. 硬质合金刀具的性能特点:
   • 高硬度:硬质合金刀具是用高硬度、高熔点的硬质合金和金属结合剂，采用粉末冶金方法制成。高于高速钢，在5400C时，硬度仍可达到82-87HRA，与高速钢常温下的硬度(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。在粘结剂相含量相同的情况下，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。
   • 抗弯强度和韧性:常用硬质合金的抗弯强度在900-1500MPa范围内。金属结合剂相含量越高，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yg基(WC-TiC-Co)合金，强度随TiC含量的增加而降低。硬质合金是一种脆性材料，在室温下的冲击韧性是高速钢的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)在钴含量适宜加工某些特殊硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜、耐磨绝缘材料等时，硬度和耐磨性高于中晶硬质合金。

   YT型硬质合金的突出优点是硬度高，耐热性好，在高温下硬度和抗压强度都高于YG型，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合金既具有YG合金和YT合金的性能，又具有良好的综合性能。它可用于加工钢，铸铁和有色金属。如果适当增加钴含量，这类合金可具有较高的强度，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)是一种添加了W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。高速钢刀具在强度、韧性和可制造性方面具有优良的综合性能。在复杂刀具中，特别是制孔刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、齿轮刀具等复杂刀具中，高速钢仍占据主要地位。高速钢刀的刃口容易磨快。

高速钢按用途不同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是W18Cr4V (W18)，综合性能好。6000C高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。它具有研磨性好、脱碳敏感性低的优点，但由于碳化物含量高，分布不均匀，颗粒大，强度和韧性不高。
   • 钨钼钢:指用钼代替钨钢中的部分钨而制得的高速钢。钨钼钢的典型牌号是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。另一种钨钼钢是W9Mo3Cr4V，其热稳定性略高于M2钢，其抗弯强度和韧性优于W6M05Cr4V2，具有良好的可加工性。
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、含钒量以及Co、Al等合金元素，从而提高其耐热性和耐磨性的一类钢。

   • 高碳高速钢:高碳高速钢(如95W18Cr4V)，在室温和高温下具有较高的硬度，适用于制造加工有高耐磨性要求的普通钢和铸铁，钻头、绞刀、丝锥、铣刀等，或加工较硬材料的刀具，不宜承受较大的冲击。
   • 高钒高速钢:典型牌号，如W12Cr4V4Mo (EV4)， V含量提高到3% ~ 5%，耐磨性好，适用于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高材料。
   • 钴高速钢:是一种含钴超硬高速钢。典型牌号如W2Mo9Cr4VCo8 (M42)硬度较高，其硬度可达69-70HRC。适用于加工高强度耐热钢、高温合金、钛合金等难加工材料。M42具有良好的磨削性，适合制作精密复杂的刀具，但不适合在冲击切削条件下工作。
   • 铝高速钢:是一种含铝的超硬高速钢。典型牌号如W6Mo5Cr4V2Al(501)，在6000C时的高温硬度为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。用于加工合金钢、不锈钢、高强钢及高温合金等材料。
   • 氮超硬高速钢:典型的牌号，如W12M03Cr4V3N (V3N)，是含氮超硬高速钢，具有与M42相当的硬度、强度和韧性。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. 熔炼链高速钢和粉末冶金高速钢:

   根据制造工艺的不同，高速钢可分为熔炼链高速钢和粉末冶金高速钢。

   • 熔炼链高速钢:普通高速钢和高性能高速钢均采用熔炼链法生产。它们通过熔炼、铸锭、电镀等工艺制成刀具。熔体链高速钢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，对高速钢刀具的耐磨性、韧性和切削性能产生不利影响。
   • 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液，用高压氩气或纯氮雾化，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，或者先将钢毛坯锻压成叶片形状。与熔炼法生产的高速钢相比，PM高速钢的优点是碳化物晶粒细小均匀，强度、韧性和耐磨性都比熔炼法高速钢有很大提高。在复杂数控刀具领域，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、高冲击刀具，也可用于制造精密刀具。