刀具材料及其选用

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刀具材料及其选用

刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具的切削性能直接影响着生产效率、加工质量和生产成本；而刀具的切削性能，首先取决于切削部分的材料，其次是几何形状及刀身结构的选择和设计。

　刀具材料应具备的性能

性能优良的刀具材料是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温的环境下工作，应具备如下的基本要求。

1.高硬度和高耐磨性

刀具材料的硬度必须高于被加工材料才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还取决于其化学成分和金相组织的稳定性。

2.足够的强度与冲击韧性

强度是指抵抗切削力的作用而不至于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能，一般用抗弯强度来表示。

冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力。一般来说，硬度越高，冲击韧性越低、材料越脆。硬度和韧性相当于一对矛盾，也是刀具材料应克服的一个关键问题。

3.高耐热性

耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。耐热性综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度的能力，以及抗氧化、抗黏结和抗扩散的能力。

4.良好的工艺性和经济性

为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。此外，在制造和选用刀具材料时应综合考虑其经济性。目前超硬材料及涂层刀具材料费用都较高，但使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此，在选用刀具材料时一定要综合考虑其工艺性和经济性。

　常用刀具材料

常用刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前用得最多的为高速钢和硬质合金。

1.高速钢

高速钢是一种加入了较多钨、铬、钒、钼等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨出锋利的切削刃；其锻造、热处理变形小，目前在复杂刀具（如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具）的制造中仍占有主要地位。

高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。

普通高速钢（如W18Cr24V）广泛用于制造各种复杂刀具，其切削速度一般不太高，切削普通钢料时为40～60 m/min。

高性能高速钢（如W12Cr4V4Mo）是在普通高速钢中再增加一些碳、钒、钴、铝等元素冶炼而成的，它的耐用度为普通高速钢的1.5～3倍。

2.粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是20世纪70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性相比普通高速钢分别提高30%～40%和80%～90%，耐用度可提高2～3倍。

粉末冶金高速钢是用高压氨气或纯氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，经高温高压制成刀具形状或毛坯。因此，其碳化物晶粒细小，分布均匀。粉末冶金高速钢热处理后变形小，硬度、耐热性、耐磨性显著提高，磨削加工性能好；不足之处是成本高。因此，它主要用于制造断续切削刀具和精密刀具，如齿轮滚刀、拉刀和成形铣刀等。

3.硬质合金

硬质合金由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC、NbC）等和金属黏结剂（如Co、Ni等）经过粉末冶金方法制成。硬质合金的特点是硬度很高，可达89～94HRA（相当于74～82HRC）。其耐磨性和耐热性也好，所允许的工作温度可达800～1 000℃，甚至更高。所以，其允许的切削速度比高速钢高几倍到几十倍，可用于高速强力切削和难加工材料的切削加工。硬质合金的缺点是抗弯强度较低，冲击韧性较差，工艺性也较高速钢差得多。因此，硬质合金多用于制造简单的高速切削刀具，用粉末冶金工艺制成一定规格的刀片镶在或焊在刀体上。硬质合金的类别与牌号如下。

（1）常用硬质合金

常用的硬质合金以碳化钨（WC）为主要成分，根据是否加入其他碳化物，其分为以下几类。①钨钴类硬质合金（YG），主要成分是碳化钨和黏结剂钴（Co），常用的牌号有YG3、YG6、YG8等。钨钴类硬质合金主要适用于加工脆性材料，如铸铁、有色金属及非金属材料。钨钴类硬质合金中，含钴量多的韧性较好，适用于粗加工；含钴量少的韧性较差，适用于精加工。②钨钛钴类硬质合金，主要适用于高速切削常用的塑性材料，如钢等。钨钛钴类硬质合金中，含钴量多的适用于粗加工；含钴量少的适用于精加工。③钨钛钽（铌）钴类硬质合金，主要适用于加工难切削材料和连续表面。④碳化钛（TiC）基硬质合金，主要适用于连续精加工合金钢、工具钢、淬硬钢等材料。

（2）钢结硬质合金

钢结硬质合金是以TiC、WC作硬质相，以高速钢作黏结剂组成的一种新型刀具材料，其性能介于高速钢和硬质合金之间。钢结硬质合金烧结体经退火后可进行切削加工，经淬火后具有与硬质合金相当的高硬度（69～73HRC）和较好的耐磨性，可进行锻造和焊接，可用于制造拉刀、铣刀、钻头等形状复杂、耐用度高的刀具。

（3）超细晶粒硬质合金

超细晶粒硬质合金，指WC晶粒尺寸在0.5μm以下、Co晶粒尺寸在0.2～0.4μm之间的硬质合金。其硬度高、韧性好，可用于加工高温合金或高强度合金等难加工材料。

（4）涂层硬质合金

在韧性好的硬质合金基体上，用气相沉积法等涂覆一层几微米厚硬度高、耐磨性好的金属化合物（如TiC、TiN、ZrC等）而制成的刀具材料就是涂层硬质合金。这种材料制成的刀片适用于无冲击的半精加工和粗加工。

4.其他新型刀具材料