第二章刀具材料

1、刀具材料是指刀具上参刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀与切削部分的材料。刀具的切削部分不但要求具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材还要求有相应的刀具材料。料。目前广泛应用的刀具材料有目前广泛应用的刀具材料有高速钢高速钢和和硬质合金硬质合金。第一节第一节 概概 述述 一、刀具材料应具有的性能一、刀具材料应具有的性能 1 1高的硬度高的硬度 常温硬度常温硬度62HRC62HRC以上，并要求保持较以上，并要求保持较好的高耐热性。好的高耐热性。 2.2.足够的强度和韧性足够的强度和韧性 为了承受切削力、冲击和振动，刀为了承受切削力、冲击和振动，刀具材料

2、应具有足够的强度和韧性。具材料应具有足够的强度和韧性。 3高的耐磨性高的耐磨性 耐磨性表示抵抗磨损的能力，它是刀具材料耐磨性表示抵抗磨损的能力，它是刀具材料机械性能、组织结构和化学性能的综合反映。机械性能、组织结构和化学性能的综合反映。 4 4好的导热性好的导热性5 5良好的良好的工艺性工艺性和经济性和经济性 锻造性能、磨削性能、热处理性能等锻造性能、磨削性能、热处理性能等二、刀具材料类型二、刀具材料类型 1、工具钢工具钢 包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢 2、硬质合金硬质合金 3、陶瓷陶瓷 4、超硬刀具材料超硬刀具材料三、刀体材料三、刀体材料1. 1. 刀

3、体一般均用普通碳钢或合金钢制作刀体一般均用普通碳钢或合金钢制作 2. 2. 尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜选用合金工具钢或整体高速钢制作宜选用合金工具钢或整体高速钢制作3. 3. 机夹、可转位硬质合金刀具，镶硬质合机夹、可转位硬质合金刀具，镶硬质合金钻头，可转位铣刀等的刀体可用合金金钻头，可转位铣刀等的刀体可用合金工具钢制作工具钢制作 4. 4. 对于一些尺寸较小、刚度较差的精密孔对于一些尺寸较小、刚度较差的精密孔加工刀具，如小直径镗刀、铰刀，为保加工刀具，如小直径镗刀、铰刀，为保证刀体有证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质足够的刚度，宜选用整体硬质合金制

4、作，以提高刀具寿命和加工精度合金制作，以提高刀具寿命和加工精度 一）碳素工具钢一）碳素工具钢 碳素工具钢是一种含碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含量较高的优质钢（含C一般为一般为0.651.35%）。）。 1、常用牌号有、常用牌号有 T7A、T8AT13A等等 2、主要性能、主要性能 淬火后硬度较高，可达淬火后硬度较高，可达HRC6165；红；红硬性为硬性为200250，价格低廉，不耐高温，切削速度，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC10m/min,只能制作只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。常用

5、刀具材料常用刀具材料第二节第二节 高速钢高速钢高速钢是含有高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素等合金元素较多的合金工具钢。较多的合金工具钢。 高速钢的性能高速钢的性能 一、通用型高速钢一、通用型高速钢（含碳量含碳量0.70.70.9%0.9%，626266 HRC66 HRC）1、钨系高速钢、钨系高速钢 W18Cr4VW18Cr4V优点：优点：具有较好的综合性能。因含钒量少，刃磨工具有较好的综合性能。因含钒量少，刃磨工艺性好。淬火时过热倾向小，热处理控制较容易。艺性好。淬火时过热倾向小，热处理控制较容易。缺点：缺点：缺点是碳化物分布不均匀，不宜做大截面的缺点是碳化物分布不均匀，不宜做大截面

6、的刀具；热塑性较差；钨价高刀具；热塑性较差；钨价高 2、钨钼系高速钢、钨钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2优点：优点：因一份因一份MoMo可代替两份可代替两份W W，这就能减少钢中的，这就能减少钢中的合金元素，降低钢中碳化物的数量及分布的不均匀合金元素，降低钢中碳化物的数量及分布的不均匀性，有利提高热塑性、抗弯强度与韧性。加入性，有利提高热塑性、抗弯强度与韧性。加入3 3-5-5质量分数的钼，可改善刃磨工艺性。因此质量分数的钼，可改善刃磨工艺性。因此6-5-4-26-5-4-2的高温塑性及韧性胜过的高温塑性及韧性胜过18-4-118-4-1，故可用，故可用于制造热轧刀具如扭制

7、麻花钻等。于制造热轧刀具如扭制麻花钻等。W9M03Cr4VW9M03Cr4V其抗弯强度与韧性均比其抗弯强度与韧性均比6-5-4-26-5-4-2好。高温热塑性好。高温热塑性好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切削性能。削性能。 二、高生产率高速钢二、高生产率高速钢（增加碳量钒量，添加钴铝增加碳量钒量，添加钴铝等等, ,常温硬度常温硬度656570HRC70HRC）1、高钒高速钢、高钒高速钢 耐磨性提高，刃磨难度加大耐磨性提高，刃磨难度加大2 2、钴高速钢、钴高速钢高温硬度和抗氧化能力得到提高，因此能高温硬度和抗氧化能力得到提高，因此能适用于较高的切

8、削速度。适用于较高的切削速度。3 3、铝高速钢、铝高速钢高温硬度、热塑性与韧性得到提高高温硬度、热塑性与韧性得到提高三、粉末冶金高速钢三、粉末冶金高速钢是通过高压惰性气体或高压水雾是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到的细小的高速钢化高速钢水而得到的细小的高速钢粉末，然后压制或热压成形，再经粉末，然后压制或热压成形，再经烧结而成的高速钢烧结而成的高速钢优点：优点：1)由于可获得细小均匀的结晶组织由于可获得细小均匀的结晶组织(碳化物晶粒碳化物晶粒25m)，从而完全避免了碳化物的偏析，提高了钢的硬，从而完全避免了碳化物的偏析，提高了钢的硬度与强度。度与强度。2)由于物理力学性能各向同性，可减

9、少热处理变形与应由于物理力学性能各向同性，可减少热处理变形与应力，因此可用于制造精密刀具。力，因此可用于制造精密刀具。3)由于钢中的碳化物细小均匀，使磨削加工性得到显著由于钢中的碳化物细小均匀，使磨削加工性得到显著改善，含钒量多者，改善程度就更显著。改善，含钒量多者，改善程度就更显著。4)粉末冶金高速钢提高了材料的利用率。粉末冶金高速钢提高了材料的利用率。缺点：缺点：成本高成本高 四、涂层高速钢四、涂层高速钢 高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉积高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉积(PVD)方法，在适当的高真空度与温度环境下方法，在适当的高真空度与温度环境下进行气化的钛离子与氮反应，在阳极

10、刀具表面进行气化的钛离子与氮反应，在阳极刀具表面上生成上生成TiN。 特点：特点：硬度可高达硬度可高达2200HV，有较高的热稳定性，有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数较低。切削力、切削温度约下与钢的摩擦系数较低。切削力、切削温度约下降降25，切削速度、进给量、刀具寿命显著提，切削速度、进给量、刀具寿命显著提高。高。 典型涂层：典型涂层：TiC、TiCN、TiAlN、A1TiN、TiAlCN、DLC(diamend-like coating金刚石类金刚石类涂层涂层)、CBC(carbon-based coating硬质合金硬质合金基类涂层基类涂层)。第三节第三节 硬质合金硬质合金一、硬质合金组成

11、与性能一、硬质合金组成与性能金属碳化物金属碳化物(WC、TiC、TaC、 NbC等等)金属粘接剂金属粘接剂 (Co、Ni等等) 高压成形高压成形后，高温烧结而成。后，高温烧结而成。硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于硬度、耐热性、耐磨性很高，切削速度远高于 高速钢高速钢 抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差抗弯强度低、脆性大，抗冲击振动性能差二、普通硬质合金分类、牌号与使用性能二、普通硬质合金分类、牌号与使用性能分分类类 K (YG) 类类 P (YT)类类 M(YW)类类短切屑铸铁，非短切屑铸铁，非铁材料与非金属铁材料与非金属材料材料 WC+ Co加工长切屑的加工长切屑的以钢为代表的以钢

12、为代表的塑性材料塑性材料WC+ TiC+ Co钢材、铸铁等钢材、铸铁等有色金属非金属有色金属非金属WC+ TiC+ TaC(NbC)+ Co加工脆性材料加工脆性材料加工塑性材料加工塑性材料加工难加工材料加工难加工材料不锈钢、高强度刚不锈钢、高强度刚钢材钢材铸铁、青铜铸铁、青铜常用硬质合金牌号及应用范围常用硬质合金牌号及应用范围牌牌 号号应应 用用 范范 围围YG3硬度、硬度、 抗弯抗弯耐磨耐磨 强度强度性、性、 韧性韧性切削切削 进给进给速度速度 量量铸铁、有色金属、高温合金的铸铁、有色金属、高温合金的精、半精加工精、半精加工，无冲击无冲击YA6冷硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工冷

13、硬铸铁、淬硬钢、有色金属及合金的精、半精加工YG6X铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精、半精加工，YG6铸铁、有色金属、铸铁、有色金属、高温高温合金的合金的半精加工和粗加工半精加工和粗加工YG8铸铁、有色金属、铸铁、有色金属、高温高温合金合金粗加工粗加工，可用于，可用于断续切削断续切削YT30硬度、硬度、 抗弯抗弯耐磨耐磨 强度强度切削切削 韧性韧性速度速度 进给进给碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢的的精加工精加工YT15碳钢、合金钢碳钢、合金钢连续切时连续切时粗、半精加工粗、半精加工，断续切精加工，断续切精加工YT5碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢的的粗加工粗加工，

14、可用于，可用于断续切削断续切削YW1同同 上上高强度钢、碳钢高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的铸铁、有色金属等的精、半精加工精、半精加工YW2高强度钢、碳钢高强度钢、碳钢、铸铁、有色金属等的铸铁、有色金属等的半精与粗加工半精与粗加工YN05同同 上上碳钢、合金钢的碳钢、合金钢的高速精车高速精车，系统刚性好的细长轴精车系统刚性好的细长轴精车YN10碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的碳钢、合金钢、淬硬钢连续表面的精加工精加工三、细晶粒、超细晶粒合金三、细晶粒、超细晶粒合金 普通硬质合金中为普通硬质合金中为几个微米几个微米 细晶粒合金平均粒度在细晶粒合金平均粒度在1.5m左右左右 超细晶粒合金粒度在超细

15、晶粒合金粒度在0.21m之间之间，其中绝大多数在其中绝大多数在0.5m以下以下 特点：硬度与强度，抗弯强度，高温硬度都比特点：硬度与强度，抗弯强度，高温硬度都比同样成分的合金高同样成分的合金高WC粒粒度度使用场合：使用场合：1)高硬度、高强度的难加工材料；高硬度、高强度的难加工材料； 2)难加工材料的间断切削，如铣削等；难加工材料的间断切削，如铣削等； 3)低速切削的刀具，如切断刀、小钻低速切削的刀具，如切断刀、小钻头、成形刀等；头、成形刀等； 4)要求有较大前角、后角，较小刀尖要求有较大前角、后角，较小刀尖圆弧半径的能进行薄层切削的精密圆弧半径的能进行薄层切削的精密刀具，如铰刀、拉刀等刀具。

16、刀具，如铰刀、拉刀等刀具。 四、钢结硬质合金四、钢结硬质合金是由是由WC、TiC作硬质相，高速钢作粘结相，通作硬质相，高速钢作粘结相，通过粉末冶金工艺制成。过粉末冶金工艺制成。特点：特点： 可以锻造、切削加工、热处理与焊接。淬火后可以锻造、切削加工、热处理与焊接。淬火后硬度高于高生产率高速钢，强度、韧性胜过硬硬度高于高生产率高速钢，强度、韧性胜过硬质合金。质合金。 应用场合：应用场合：可用于制造模具、拉刀、铣刀等形状复杂的工可用于制造模具、拉刀、铣刀等形状复杂的工具或刀具。具或刀具。五、涂层硬质合金五、涂层硬质合金 采用化学气相沉积采用化学气相沉积(CVD)工艺和真空溅射等方工艺和真空溅射等方

17、法，在硬质合金表面涂覆一层或多层法，在硬质合金表面涂覆一层或多层(513m)难熔金属碳化物。难熔金属碳化物。 TiCTiC涂层涂层 具有很高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，切具有很高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，切削时能产生氧化钛薄膜，降低摩擦系数，减少削时能产生氧化钛薄膜，降低摩擦系数，减少刀具磨损刀具磨损 ，切削速度可提高切削速度可提高4040左右左右 ，适合于适合于精车精车 。抗弯强度抗弯强度低，低，涂层易崩裂涂层易崩裂 。TiNTiN涂层涂层TiC-TiNTiC-TiN复合涂层复合涂层 切削温度切削温度低，低，抗月牙洼及后刀面磨损能力比抗月牙洼及后刀面磨损能力比TiCTiC涂层刀片强涂层

18、刀片强 ，抗热振性能也较好抗热振性能也较好，适合切削钢适合切削钢与易粘刀的材料与易粘刀的材料 。与基体结合强度不及与基体结合强度不及TiCTiC涂层，而且涂层厚时易剥落涂层，而且涂层厚时易剥落 TiC-A1TiC-A12 2O O3 3 复合涂层复合涂层 AlAl2 2O O3 3使表面层具有使表面层具有良好的化学稳定性良好的化学稳定性与抗氧化性能。与抗氧化性能。 涂层涂层：耐磨性高的难熔金属化合物耐磨性高的难熔金属化合物硬涂层：硬涂层：TiC耐磨、耐磨、TiN耐高温、耐高温、Al2O3稳定性、稳定性、软涂层：软涂层：MoS2、WS2、WC、增加润滑，减小摩擦、增加润滑，减小摩擦耐用度至少可提

19、高耐用度至少可提高13倍（刀片），或倍（刀片），或210倍（高速倍（高速钢）。加工材料的硬度愈高，效果愈好。钢）。加工材料的硬度愈高，效果愈好。 第四节第四节 陶陶 瓷瓷 一、陶瓷刀具的特点一、陶瓷刀具的特点（硬、脆、价格低）（硬、脆、价格低）陶瓷刀具是以氧化铝陶瓷刀具是以氧化铝(Al2O3)或以氮化硅或以氮化硅(Si3N4)为为基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种基体再添加少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。刀具材料。 1)1)有高硬度与高耐磨性，常温硬度达有高硬度与高耐磨性，常温硬度达919195HRA95HRA，超，超过硬质合金。过硬质合金。 2)2)有高的耐热性，有高的耐热

20、性，12001200C C下硬度为下硬度为80HRA80HRA，强度韧，强度韧性降低较少。性降低较少。3)3)有高的化学稳定性。有高的化学稳定性。 4)4)有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀，不易产生积有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。屑瘤。 5)5)强度与韧性低。强度只有硬质合金的强度与韧性低。强度只有硬质合金的1 12 2。 6)6)热导率低，仅为硬质合金的热导率低，仅为硬质合金的1 12 21 15 5，热胀系，热胀系数比硬质合金高数比硬质合金高1010一一3030，这就使陶瓷刀抗热，这就使陶瓷刀抗热冲击性能较差。冲击性能较差。二、陶瓷刀具的种类与应用特点二、陶瓷刀具的种类与应

21、用特点 氧化铝氧化铝-碳化物系碳化物系陶瓷陶瓷这类陶瓷是将一定量的碳化物这类陶瓷是将一定量的碳化物(一般多用一般多用TiC)添加添加到到Al2O3中，并采用热压工艺制成，称混合陶瓷或中，并采用热压工艺制成，称混合陶瓷或组合陶瓷。组合陶瓷。 TiCTiC的质量分数达的质量分数达3030左右时即可有效地左右时即可有效地改善刀改善刀具的性能。具的性能。混合陶瓷适合在中等切削速度下切削难加工材料混合陶瓷适合在中等切削速度下切削难加工材料 氮化硅氮化硅基陶瓷基陶瓷 氮化硅基陶瓷是将硅粉经氮化、球磨后添氮化硅基陶瓷是将硅粉经氮化、球磨后添加助烧剂置于模腔内热压烧结而成。加助烧剂置于模腔内热压烧结而成。 性

22、能特点是：性能特点是：1)1)硬度高，达到硬度高，达到180018001900HV1900HV，耐磨性好。，耐磨性好。2)2)耐热性、抗氧化性好，达耐热性、抗氧化性好，达1200120013001300C C。3)3)氮化硅与碳和金属元素化学反应较小，氮化硅与碳和金属元素化学反应较小，摩擦系数也较低。摩擦系数也较低。 最大特点：能进行高速切削，最大特点：能进行高速切削，速度可速度可达达500500600m/min600m/min，而且只要机床条件许可，而且只要机床条件许可，还可进一步提高速还可进一步提高速度度 氮化硅陶瓷适宜于精车、半精车，精铣或半精铣氮化硅陶瓷适宜于精车、半精车，精铣或半精铣

23、 第五节第五节 超硬刀具材料超硬刀具材料一、金刚石一、金刚石( (最硬、耐磨性好，耐热性较差最硬、耐磨性好，耐热性较差 800) )1 1天然单晶金刚石刀具天然单晶金刚石刀具 主要用于非铁材料及非金属的精密加工。主要用于非铁材料及非金属的精密加工。不可不可自由刃磨自由刃磨 2 2人造聚晶金刚石人造聚晶金刚石 人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。压下由石墨转化而成。人造聚晶金刚石是将人造金刚石微晶在高温高人造聚晶金刚石是将人造金刚石微晶在高温高压下再烧压下再烧结而成，可制成所需形状尺寸，镶嵌结而成，可制成所需形状尺寸，镶嵌在刀杆上使用。在刀杆上使用。可自由刃磨可自由刃磨 3 3金刚石烧结体金刚石烧结体 是在硬质合金基体上烧结一层约是在硬质合金基