金屬切削刀具材料性能分析及其選用原則探討

臧文海

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

刀具材料的發展，可以說是和NC機床的發展同時進行的[1]。NC機床為提高生產效率，其結構被設計成高剛性以利于高效切削環境下使用[2]。因此，刀具材料發展的目標是在高溫條件下保持切削所需硬度，并具備優良的抗沖擊和抗磨損性能[3]。

切削過程中，刀具不但要承受高溫和高壓載荷作用，而且切屑與刀具接觸間的摩擦易引起刀具前刀面產生磨損[4-6]。同時刀具和工件間的摩擦也會引起刀具后刀面產生磨損。這兩方面的磨損問題不僅會對工件的加工精度和表面粗糙度產生影響，而且易引起刀具過早失效問題的產生。因此，對刀具材料性能進行合理分析，對零部件的高品質加工具有十分積極的現實意義。

1 刀具材料應當具備的性能

1）常溫硬度。常溫硬度是指常溫條件下刀具的硬度。硬度是刀具抗磨性能的判定標準之一，即：硬度越高，刀具的抗磨損性能越好，但韌性越低[7]。刀具材料的硬度通常以洛氏硬度方法測定，其中：HRA（60 kg）測量的是硬質合金類的硬度；HRC（150 kg）測量的是次硬刀具材料，如鑄造合金和高速鋼等。

2）韌性。斷續切削過程中，交變載荷對刀具使用性能有較大的影響，因此，刀具材料必須具備優良的抗沖擊性能[8]。刀具材料的韌性是其抗沖擊性能的度量標準。通常情況下，刀具材料的韌性是采用橫向沖擊法測量，其橫向抗沖擊強度越大，韌性越好。

3）高溫硬度。所謂高溫硬度是指刀具在高溫條件下仍能保持切削所需的硬度。通常情況下，高速鋼在537℃時刀具硬度仍能保持在50～58 HRC；硬質合金在600℃時，其硬度仍能保持在80 HRA以上。圖1為不同刀具材料硬度隨溫度變化的關系曲線。

2 常用的刀具材料

要使金屬切削工序獲得滿意的效果，切削刀具材料的選擇是重要的考慮因素[9-10]。因此必須基本了解每種切削刀具材料及其性能，以便為每一切削應用做出正確選擇。當然，需要考慮的因素還包括待加工工件材料、零件類型和形狀、切削工況和每一工序表面質量要求等等。

圖1 各種刀具材料硬度與溫度的關系曲線

2.1 高速鋼

高速鋼是合金工具鋼的一種，含有W、Cr、V、Mo和Co等金屬元素，是一種強度較高、韌性較好的刀具材料。在高速切削過程中，即便切削溫度高達500～600℃，高速鋼內部的W、Cr和V等金屬元素能保持較高的硬度，使刀具切削刃仍能保持原有的幾何形狀和硬度，因此高速鋼具備較好的紅硬性。

圖2 磨削制成的高速鋼刀具

高速鋼經過退火處理，易制造成各種不同形狀的刀具（如圖2所示），其在1200～1300℃條件下淬火后的硬度可達64～65 HRC。雖然目前在高速切削時大部分選用碳化物刀具，但高速鋼因具有較強的可塑性（方便用于制造形狀較復雜的刀具）而未被其它刀具材料所取代。

2.2 硬質合金

根據國際ISO標準劃分，硬質合金可分為K、M、P類硬質合金。

1）K類硬質合金。主要成分為WC，以Co為黏結劑燒結形成WC-Co系硬質合金。該系列硬質合金用于切削形成不連續切屑的工件材料，如鑄鐵、白鑄鐵和淬硬鋼等。

2）M類硬質合金。主要成分為P類硬質合金中添加TaC，形成三元碳化物WC-TiC-TaC-Co系硬質合金，這種硬質合金不僅具有抗月牙洼磨損的性能，而且具有優良的強度和韌性。主要用于切削不銹鋼、合金鑄鋼、鍛鋼等材料。

3）P類硬質合金。主要成分為K類硬質合金添加TiC，形成二元碳化物WC-TiC系硬質合金，這種硬質合金抗刀-屑黏結性能優良。主要用于切削鑄鋼、合金鋼及部分不銹鋼等工件材料。

2.3 涂層硬質合金

涂層技術是為了提升硬質合金刀具的抗磨損性能而在基體表面涂覆功能材料的一種最有效的方法（如圖3所示）。目前，主要的涂層材料有：TiC、TiN、Al2O3和TiNC等。涂層能有效提升刀具的使用性能及壽命。

1）涂層具有優良的硬度和抗磨損性能。因此與未涂層的刀具相比，涂層刀具允許采用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命[11-13]。

2）刀具表面涂層能有效降低刀具表面粗糙度，因此切削過程中工件-刀-切屑間的摩擦小，切削溫度較低，間接提升刀具的抗高溫性能。

圖3 涂層硬質合金刀片與涂層剖面圖

圖4 陶瓷刀片及其材料剖面圖

2.4 陶瓷刀具

陶瓷刀具主要成分為98%～99%的Al2O3（如圖4所示）。由于Al2O3的橫向斷裂強度較低，因此制備陶瓷刀具時須將其研磨成粉，并添加少量的其它金屬氧化物，如MgO、TiO、NiO等，再經過高溫壓制成型和高溫煅燒制成陶瓷刀具。陶瓷刀具的主要切削性能如下：1）陶瓷刀具為結晶結構，硬度高達93 HRA以上，具有極好的抗磨損性能；2）陶瓷刀具的抗斷裂韌性不好，質地較脆，無法承受較大的機械沖擊載荷；3）陶瓷刀具的熱傳導系數較低，因此即便切削溫度在1000℃以上，仍能保持切削所需硬度。

2.5 金屬陶瓷

金屬陶瓷是以鈦基硬質微粒為主體的硬質合金（如圖5所示）。金屬陶瓷的英文名稱cermet是由ceramic（陶瓷）和metal（金屬）兩個單詞分別截取部分合并而成的。最初金屬陶瓷是由TiC和鎳合成的。現代金屬陶瓷不含鎳，通常以TiCN微粒為主要成分，少量第二硬質相（Ti，Nb，W）（C，N）和富鎢鈷黏合劑。TiCN增加了牌號的耐磨性，第二硬質相提高了抗塑性變形的能力，鈷的含量控制韌性。與燒結硬質合金相比，金屬陶瓷提高了耐磨性，弱化了與工件的黏結趨勢。另一方面，其壓縮強度也較低，抗熱沖擊性較差。金屬陶瓷也可以使用PVD涂層，以提高耐磨性[14]。

圖5 金屬陶瓷刀片及其材料剖面圖

2.6 超硬刀具

1）立方氮化硼CBN（BN）。立方氮化硼CBN材料具有出色的熱硬性，可以在非常高的切削速度下使用，如圖6（a）所示。它還表現出良好的韌性和耐熱沖擊性。現代CBN牌號多為陶瓷與CBN的復合材料，CBN含量大約40%～65%。陶瓷黏合劑增加了CBN的耐磨性，但是也降低了抗化學磨損性能。另外一種為高含量CBN牌號，CBN占85%～100%。這些牌號使用金屬黏合劑，以提高它們的韌性[15]。將CBN焊接到硬質合金載體上，形成刀片。廈門金鷺特種合金有限公司的GHD技術大大增強了負前角刀片上CBN切削刀尖與載體的結合強度。CBN牌號被大量用于淬硬鋼（硬度超過45 HRC）的精車。對于硬度高于55 HRC的材料，CBN是唯一可替代傳統磨削方法的切削刀具[16]。較軟的鋼（低于45 HRC），鐵素體的含量較高，這對CBN的耐磨性有負面影響。

圖6 典型超硬刀具示意圖

2）聚晶金剛石PCD（DP）。PCD是由金剛石粒子和金屬黏合劑燒結而成的復合物（如圖6（b）所示）。金剛石是已知所有材料中最硬的，因此也是耐磨料磨損性最強的。作為切削刀具[16]，它具有良好的耐磨料磨損性，但缺乏高溫下的化學穩定性，很容易溶解于鐵中。PCD刀具僅限于加工非鐵材料，如高硅鋁、金屬基復合材料（MMC）和碳纖維增強塑料（CFRP）。使用大量冷卻液的PCD也可用于鈦材料的超級精加工。

3 刀具選用原則

選擇刀具材料必須考慮工件材料的可切削性能、切削條件、切削方式及機床性能等因素。

1）工件材料的可切削性能。工件材料被切削的難易程度稱為切削性能。影響工件材料可切削性能的因素很多，其中工件材料的抗拉強度為刀具材料選擇的關鍵因素之一。切削抗拉強度低的工件材料，刀具的選擇主要考慮常溫硬度即可，有時也需要考慮刀具的高溫硬度，因此主要以硬質合金刀具為主。切削抗拉強度高的工件材料，刀具的抗斷裂韌性和高溫硬度為主要考慮因素。若低速切削，建議選用高速鋼刀具，因為低速易引起硬質合金刀具的擠壓崩刃；若高速切削，建議選用硬質合金刀具。

2）切削用量。切削用量包括：切削速度vc、進給量f和切削深度ap。選擇刀具材料時，進給量f對刀具使用性能的影響較切削深度ap的要大，因此是重點考慮因素之一。在一定切削速度vc和切削深度ap的情況下，進給量f越大，刀具承受的壓力越大，則要求刀具的抗斷裂韌性要越好。

3）切削方式。切削方式分為斷續切削和連續切削。連續切削為均勻切削，各個切削點的切削狀態相同，刀具切削刃承受的載荷較為均勻，因此對刀具韌性要求較低，可選用硬質合金、金屬陶瓷和超硬材料制成的刀具。斷續切削為不均勻切削，刀具切削刃承受交變載荷，因此切削過程中刀具需要有較好的抗斷裂韌性，因此可選用高速鋼或涂層硬質合金制成的刀具。

4）機床性能。綜合刀具材料屬性，在機床性能滿足的情況下，選用刀具的原則是：機床性能若能實現高速，則可采用高速切削，但刀具材料需要有優良的紅硬性，因此可以選用涂層硬質合金、金屬陶瓷和超硬刀具；若切削速度受限，刀具的韌性較紅硬性更為重要，那么選擇抗斷裂韌性更好的刀具，如高速鋼和涂層硬質合金。

4 結語

本文主要從目前現有的刀具材料，如高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷及超硬材料等性能特點進行分析，獲得各種不同刀具材料所能適應的切削范圍。最后就工件材料的切削性能、切削條件、切削方式及機床性能等方面進行探討，為刀具的選用提出建議。

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