刀具材料

摘要：刀具在工作時，主要使用刀具的刀刃部分來切削加工工件。刀具耐用度和刀具的使用壽命、切削加工生產率的高低、切削加工費用的多少，加工零件的精度和加工表面質量的優劣等都取決于刀具材料選擇是否合理。本文著重介紹常用的幾種刀具材料。

關鍵詞：刀具；材料；高速鋼；硬質合金

一、刀具材料應具備的特性：

刀具的材料必須具備硬度高、耐磨性好，還要有很高的強度和韌性，此外，還必須具有良好的熱穩定性。不僅如此，刀具材料還必須具有良好的熱物理性能，能承受較大的熱沖擊。人們選用刀具材料時，往往還希望它們具有良好的加工工藝性和成本較低等性能。

目前刀具材料用的最多的是高速鋼和硬質合金；碳素工具鋼、合金工具鋼適用于一些切削要求不高及切削速度低的場合，以克服其耐熱性差的缺點；陶瓷，金剛石、立方氮化硼則適用的場合更加有限。實際上，新的刀具材料的發展速度越來越快，刀具的切削性能越來越得到提高，理想的刀具材料應該同時具有金剛石的高硬度高耐磨、立方氮化硼或陶瓷的高熱穩定性和、硬質合金的高強度，高抗彎、沖擊能力強等綜合性能。下面介紹一下常用的刀具材料。

二、高速鋼：

按照用途可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；按照制造工藝可以分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。通用型高速鋼按照其含鎢量的不同，進一步分為鎢系、鎢鉬系、鉬系三類高速鋼。其中鎢系高速鋼最常用的W18Cr4V，含鎢18%，含鉻4%，含釩1%，具有較好的綜合性能，可以用于制造多種復雜的刀具。其優點是：含釩量較少，磨加工性較好，淬火時過熱傾向小，溫度較高時切削性能也較好。缺點：韌性和抗沖擊性能極差，不能做成大截面，鎢市場價格相對較貴，限制了它的發展。鎢鉬系高速鋼如果（W+1.4～1.5Mo）=12%～13%時，鉬對其強度和韌性具有有利影響，且不會破壞熱穩定性。其典型代表為W6Mo5Cr4V2，含鎢6%，鉬5%，鉻4%，釩2%。優點：磨加工性好，韌性較鎢系高速鋼更好，可以做成大截面，能承受較大沖擊。缺點：溫度較高時加工性能不如鎢系高速鋼，淬火溫度范圍太窄。

粉末冶金高速鋼是用高壓氬氣霧化熔融的高速鋼鋼水，直接得到高速鋼粉末，然后在高溫高壓下制成鋼坯，最后鍛軋成刀具。優點：晶粒細小、均勻，解決了共晶偏析的問題；晶粒細小，表面積較大，顆粒不易脫落，耐磨性好；均勻細小的顆粒使得不會因增加釩的含量而降低其磨加工性；具有高度各同向性，淬火變形小；合格率較高等。

三、硬質合金：

由于硬質合金中的金屬碳化物顆粒硬度高、熔點高、高溫不易產生化學反應，也不易變形等特點，所以硬質合金材料的硬度高、耐磨性、耐熱性好。常用硬質合金的硬度、切削速度，切削性能、刀具耐用度都比高速剛好。但硬質合金韌性及抗沖擊性不如高速鋼，因此在沖擊較大的場合還需要使用高速鋼，一般分為三類：YG、YT、YW三類。硬質合金含鈷較多時，其抗彎強度、韌性很好，適合于粗加工；含TiC、WC較多時，硬度、耐磨性增加，適合精加工。

四、陶瓷：

陶瓷比硬質合金更早地用于切削刀具，但由于其脆性，發展速度很慢。Si3O4、Al？O？-SICw及超級ZrQ2陶瓷都是在80年代才發展起來的，陶瓷刀具在近5年的發展和改進方面的工作超過了過去的40年。將陶瓷材料作為刀具，具有成本低、硬度高、耐高溫性能好等優點，因此有很好的前景。

陶瓷刀具材料的主要優點是：

高的硬度與耐磨性使其不易受損，刀具耐用度高、刀具壽命高；耐熱性很高，在一千多攝氏度高溫下還能進行切削，切削速度比硬質合金高；而且高溫條件下不易變形，化學穩定性很高；與金屬親和力小即抗粘結擴散能力好，高溫條件下也不易被氧化，也不與鋼相互作用。因而刀具的粘結、擴散、氧化磨損較少；加工時摩擦系數低，不易產生熱量，因而不易粘刀，加工表面質量好。陶瓷刀具對于高硬度、高精度零件或者大件加工特別有效，車削銑削都可適用。

陶瓷刀的缺點是：

脆性大、韌性低、抗彎強度比硬質合金低，因此為避免承受沖擊負荷，以防崩刃與破損，必須選擇合適的幾何參數與切削用量；；此外，陶瓷刀導熱系數比硬質合金的低，熱膨脹系數卻比硬質合金高，抗熱沖擊性較差。

五、金剛石：

金剛石與各種金屬、非金屬材料相互配對時產生摩擦，其磨損量較小，僅為硬質合金的幾十分之一或者幾百分之一，硬度最高、熱傳導性最好，被認為是最理想的刀具材料。

金剛石刀具分為三種：天然單晶金剛石刀具、整體人造聚晶金剛石刀具、金剛石復合刀具。金剛石不僅憑借其極高的的硬度和耐磨性來切削高硬度、高耐磨的材料，而且所制成的刀具切削刃非常鋒利，與工件接觸時產生能的摩擦小，發熱少，很難達到積屑瘤的形成條件，因此可以提高加工表面質量。金剛石刀具多用于有色金屬、非金屬材料的精車和鏜孔，也可用于磨具和磨料，但不能用于加工鋼鐵材料（高溫下鐵原子很容易和金剛石中的碳原子發生反應使其受損）。

六、聚晶立方氮化硼：

通常把軟的六方氮化硼（CBN）在高溫高壓下加入催化劑、粘結劑進行燒結，便成為聚晶立方氮化硼。PCBN的性能主要與CBN的粒度、含量及結合劑種類有關，CBN含量高，硬度高。總體來說PCBN具有很高的硬度（僅次于金剛石）和耐磨性、化學穩定性高、導熱性好，摩擦系數低、但其強度較低。PCBN的一個突出特點是高溫情況下不容易變形，熱穩定性好，可承受較高的切削速度；另一個突出特點是不容易與工件發生化學反應，即化學惰性大，能夠加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵。因此，PCBN刀具特別適合在高效率下加工黑色金屬材料，和一些難加工材料。（作者單位：鄭州大學機械工程學院）

參考文獻：

[1]陳日曜.金屬切削原理.機械工業出版社