常用刀具材料分類、特點(diǎn)及應(yīng)用
常用刀具材料分類、特點(diǎn)及應(yīng)用
發(fā)布時間：2020-09-11
刀具材料的切削性能直接影響著生產(chǎn)效率、工件的加工精度、已加工表面質(zhì)量和加工成本等，所以正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一。
一、刀具材料應(yīng)具備的性能
金屬切削時，刀具切削部分直接和工件及切屑相接觸，承受著很大的切削壓力和沖擊，并受到工件及切屑的劇烈摩擦，產(chǎn)生很高的切削溫度，即刀具切削部分是在高溫、高壓及劇烈摩擦的惡劣條件下工作的。因此，刀具切削部分材料應(yīng)具備以下基本性能。
1、高的硬度和耐磨性
硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本特性。刀具要從工件上切下切屑，其硬度必須比工件材料的硬度大。 耐磨性是材料抵抗磨損的能力。一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。組織中硬質(zhì)點(diǎn)（碳化物、氮化物等）的硬度越高，數(shù)量越多，顆粒越小，分布越均勻，則耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性實(shí)際上不僅取決于它的硬度，而且也和它的化學(xué)成分、強(qiáng)度、纖維組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)。
2、足夠的強(qiáng)度和韌性
要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程中通常要出現(xiàn)的沖擊和振動的條件下工作，而不產(chǎn)生崩刃和折斷，刀具材料就必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性。
3、高的耐熱性
耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標(biāo)志。它是指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的性能。
4、導(dǎo)熱性好
刀具材料的導(dǎo)熱性越好，切削熱越容易從切削區(qū)散走，有利于降低切削溫度。刀具材料的導(dǎo)熱性用熱導(dǎo)率表示。熱導(dǎo)率大，表示導(dǎo)熱性好，切削時產(chǎn)生的熱量就容易傳散出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。
5、具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性
既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、熱處理性能、焊接性能等要好，且又要資源豐富，價格低廉。
二、常用刀具材料分類、特點(diǎn)及應(yīng)用
刀具材料可分為工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷和超硬材料等五大類。常用刀具材料的主要性能及用途見表2-1。
1、高速鋼
1.1 普通高速鋼
普通高速鋼指用來加工一般工程材料的高速鋼，常用的牌號有：
（1）W18Cr4V（簡稱W18）。屬鎢系高速鋼，具有較好的切削性能，是我國最常用的一種高速鋼。
（2）W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）。屬鉬系高速鋼，碳化物分布均勻性、韌性和高溫塑性均超過W18Cr4V，但其磨削性能較差。 （3）W9Mo3Cr4V（簡稱W9）。是一種含鎢量較多，含鉬量較少的鎢鉬系高速鋼。其碳化物不均勻性介于W18和M2之間，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度高于M2。具有較好的硬度和韌性，其熱塑性也很好。普通高速鋼常見用途見圖2-1。
圖2-1 普通高速鋼常見用途
1.2 高性能高速鋼
高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，用調(diào)整其基本化學(xué)成分和添加一些其它合金元素（如釩、鈷、鉛、硅、鈮等）的辦法，著重提高其耐熱性和耐磨性而衍生出來的。它主要用來加工不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料。
2、硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是用高硬度、高熔點(diǎn)的金屬碳化物（WC、TiC、NbC、TaC等）作硬質(zhì)相，用鈷、鉬或鎳等作粘結(jié)相，研制成粉末，按一定比例混合，壓制成型，在高溫高壓下燒結(jié)而成。
硬質(zhì)合金的常溫硬度很高（89～93HRA，相當(dāng)于78～82HRC）。耐熔性好，熱硬性可達(dá)800～1000℃以上，允許的切削速度比高速鋼提高4～7倍，刀具壽命高5～8倍，是目前切削加工中用量僅次于高速鋼的主要刀具材料。但它的抗彎強(qiáng)度和韌性均較低，性脆，怕沖擊和振動，工藝性也不如高速鋼。
我國目前常用的硬質(zhì)合金主要有以下三類：
2.1 鎢鈷類硬質(zhì)合金
由WC和Co組成，代號為YG。常溫硬度為89～91HRA，耐熱性達(dá)800～900℃，適用于加工切屑呈崩碎狀的脆性材料。常用牌號有YG3X、YG6X、YG6和YG8等，其中數(shù)字表示含Co的百分比，其余為含WC的百分比。鈷在硬質(zhì)合金中起粘結(jié)作用，含Co愈多的硬質(zhì)合金韌性愈好，所以YG8適于粗加工和斷續(xù)切削，可用于加工45鋼鍛件粗車、65HRC冷硬鑄鐵和中速車削淬硬鋼，YG6適于半精加工，YG3X適于精加工和連續(xù)切削，可用于HT200鑄件精車。常見應(yīng)用見圖2-2。
圖2-2 鎢鈷類硬質(zhì)合金常見應(yīng)用
2.2 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金
由WC、TiC和Co組成，代號為YT。此類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性（900～1000℃）均比YG類合金高，但抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度降低。主要適于加工切屑呈帶狀的鋼料等韌性材料。常用牌號有YT30、YT15、YT14和YT5等，數(shù)字表示含TiC的百分比。故YT30適于對鋼料的精加工和連續(xù)切削，可用于低速精車合金鋼蝸桿和高速精車調(diào)質(zhì)鋼長軸，YT15適于半精加工，YT5適于粗加工和斷續(xù)切削。常見應(yīng)用見圖2-3。
圖2-3 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金常見應(yīng)用
2.3鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金
又稱通用合金，由WC、TiC、TaC（NbC）TCo組成，代號為YW。其抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、耐熱性、高溫硬度和抗氧化能力都有很大提高。常用牌號有YW1和YW2，這兩種硬質(zhì)合金都具有YG類硬質(zhì)合金的韌性，比YT類硬質(zhì)合金的抗刃口剝落能力強(qiáng)。由于YW類硬質(zhì)合金的綜合性能較好，除可加工鑄鐵、有色金屬和鋼料外，主要用于加工耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼等難加工材料，可用于高速精密鏜削鋁合金缸套。常見應(yīng)用見圖2-4。
圖2-4 鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金常見應(yīng)用
3、涂層刀具
涂層刀具是在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，或在高速鋼刀具基體上，涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的。涂層硬質(zhì)合金一般采用化學(xué)氣相沉積法，沉積溫度1000℃左右；涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度500℃左右。 常用涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等，TiC的硬度比TiN高，抗磨損性能好。對于要產(chǎn)生劇烈磨損的刀具，TiC涂層較好。TiN與金屬親和力小，潤濕性能好，在空氣中抗氧化性能比TiC好，在容易產(chǎn)生粘結(jié)的條件下，TiN涂層較好。在高速切削產(chǎn)生大熱量的場合，宜采用Al2O3涂層為好，因?yàn)锳l2O3在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性能。 涂層刀具有比基體高得多的硬度，有高的抗氧化性能和抗粘結(jié)性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼磨損能力。涂層具有低的摩擦系數(shù)，可降低切削時的切削力及切削溫度，大大提高刀具耐用度。涂層硬質(zhì)合金的通用性廣，一種涂層刀片可替代幾種未涂層刀片使用。
4、其它刀具材料
4.1 陶瓷材料
陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點(diǎn)都很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的金屬碳化物、氧化物或純金屬等添加劑。也是采用粉末冶金工藝方法經(jīng)制粉，壓制燒結(jié)而成。 陶瓷刀具有很高的硬度（91～95HRA）和耐磨性，刀具耐用度高；有很好的高溫性能，化學(xué)穩(wěn)定性好。陶瓷刀具的最大缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度低，承受沖擊負(fù)荷的能力差。
主要用于對鋼料、鑄鐵、高硬材料（如淬火鋼等）連續(xù)切削的半精加工或精加工。常見應(yīng)用見圖2-5。
圖2-5 陶瓷刀具常見應(yīng)用
4.2 人造金剛石
人造金剛石是在高溫高壓和金屬觸媒作用的條件下，由石墨轉(zhuǎn)化而成。
金剛石刀具的性能特點(diǎn)是：有極高的硬度和耐磨性，切削刃非常鋒利，有很高的導(dǎo)熱性。但耐熱性較差，且強(qiáng)度很低。 主要用于高速條件下精細(xì)車削及鏜削有色金屬及其合金和非金屬材料。但由于金剛石中的碳原子和鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親合力，故金剛石刀具不適合加工鐵族材料。常見應(yīng)用見圖2-6。
圖2-6 人造金剛石刀具常見應(yīng)用
4.3 立方氮化硼（簡稱CBN）
立方氮化硼（簡稱CBN）是用六方氮化硼（俗稱白石墨）為原料，利用超高溫高壓技術(shù)，繼人造金剛石之后人工合成的又一種新型無機(jī)超硬材料。
其主要性能特點(diǎn)是：硬度高（高達(dá)8000～9000HV），耐磨性好，能在較高切削速度下保持加工精。熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，且有較高的熱導(dǎo)率和較小的摩擦系數(shù)，但其強(qiáng)度和韌性較差。
主要用于對高溫合金、淬硬鋼、冷硬鑄鐵等材料進(jìn)行半精加工和精加工。