金属切削原理与机床第二章 刀具材料

第二章刀具材料【教学目的和要求】

了解刀具材料应具备的性能，掌握刀具材料的种类及各种刀具材料的性能，能够合理选用刀具材料并正确使用。【教学内容摘要】

本课题介绍了刀具材料应具备的性能、刀具材料的种类以及高速钢、硬质合金的性能、选用；其它刀具材料与刀具材料的表面涂层【教学重点、难点】

教学重点为刀具材料应具备的性能及高速钢、硬质合金的性能与选用，本课题难点为在不同条件下刀具材料的合理选择。第一节刀具材料应具备的性能和刀具材料的类型一、刀具材料应具备的性能

1.高的硬度

刀具要从工件上切除材料层，因此，其切削部分的硬度必须大于工件材料的硬度。一般刀具材料的常温硬度应高于60HRC以上。

2.高的耐磨性

刀具材料应具有较高的耐磨性，以抵抗工件与切屑对刀具的磨损。刀具材料硬度越高，耐磨性就越好；刀具材料中含有耐磨的合金碳化物越多，晶粒越细，分布越均匀，耐磨性也越好。

考虑到材料的品质因素（不考虑摩擦区温度及化学磨损等影响），可用下式表示材料的耐磨性WR

WR＝K0.5ICE-0.8H1.43

式中H——材料硬度（GPa）。硬度愈高，耐磨性愈好；

KIC——材料的断裂韧度，（MP.m1/2）。KIC愈大，则材料受应力引起的断裂（脆性材料的磨损主要是通过显微裂纹过程进行的）愈小，故耐磨性愈好；

E——材料的弹性模量（GPa），E小时，由于磨粒引起的显微应变，有助于产生较低的应力，故耐磨性提高。

3.足够的强度和韧性要使刀具在承受很大压力、冲击和振动的条件下工作而不产生崩刃和拆断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。4.高的耐热性

耐热性是在高温条件下，刀具切削部分材料保持常温硬度、强度和韧性的能力，也可用红硬性或高温硬度表示。

5.良好的工艺性与经济性

刀具切削部分的材料应具有良好的工艺性能，如切削加工性、磨削加工性、锻造、焊接、热处理等性能。同时，还应尽可能采用资源丰富和价格低廉的刀具材料。

二、刀具材料的种类刀具切削部分材料主要有工具钢（碳素工具钢和合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬刀具材料等。碳素工具钢和合金工具钢我们这里不做介绍。

当前使用的刀具材料分四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢），硬质合金，陶瓷、超硬刀具材料。一般机加工使用最多的是高速钢与硬质合金。各类刀具材料所适应的切削范围如图2-1所示。

第二节高速钢

高速钢是在合金工具钢中加入了较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其合金元素与碳化合形成高硬度的碳化物，使高速钢具有很好的耐磨性。钨和碳的原子结合力很强，增加了钢的高温硬度。钼的作用与钨基本相同，并能细化碳化物的晶粒，减少钢中碳化物的不均匀性，提高钢的韧性。

高速钢是综合性能较好、应用范围最广泛的一种刀具材料。其抗弯强度较高，韧性较好，热处理后硬度为63～66HRC，易磨出较锋利的切削刃，故生产中常称为“锋钢”。其耐热性约为600～660oC左右，切削中碳钢材料时切削速度可达30m/min左右。它具有较好的工艺性能，可以制造刃形复杂的刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀和齿轮刀具等。高速钢可以加工碳钢、合金钢、有色金属和铸铁等多种材料。

高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢一、普通高速钢普通高速钢可分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。

（1）钨系高速钢早期常见的牌号是W18Cr4V，它具有较好的综合性能和可磨削性，可制造各种复杂刀具和精加工刀具。

（2）钨钼系高速钢较常见的牌号是W6Mo5Cr4V2，它具有较好的综合性能。由于钼的作用，其碳化物呈细小颗粒且分布均匀，故其抗弯强度和冲击韧性都高于钨系高速钢，并且有较好的热塑性，适于制作热轧工具。但这种材料有脱碳敏感性大，淬火温度窄，较难掌握热处理工艺等缺点。

W9Mo3Cr4V是我国自行研制的钢种，其硬度、强度、热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，具有较好的硬度和韧性，并且易轧、易锻、热处理温度范围宽、脱碳敏感性小，成本也更低。

二、高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，通过调整化学成份和添加其它合金元素，使其性能比普通高速钢提高一步的新型高速钢。此类高速钢主要用于高温合金、钛合金、高强度钢和不锈钢等难加工材料的切削加工。高性能高速钢有以下几种：

（1）高碳高速钢

含碳量提高到0.9～1.05%，其典型牌号为95W18Cr4V。由于含碳量提高，使钢中的合金元素全部形成碳化物，从而提高钢的硬度、耐磨性和耐热性，但其强度和韧性略有下降。

（2）高钒高速钢

含钒量提高到3～5%，其典型牌号为W6Mo5Cr4V3。由于碳化钒量的增加，提高了钢的耐磨性，一般用于切削高强度钢。但此种钢刃磨比普通高速钢困难。

（3）钴高速钢

普通高速钢中加入钴，从而提高了钢的高温硬度和抗氧化能力，其典型牌号为W2Mo9CrVCo8，它有良好的综合性能，用于切削高温合金、不锈钢等难加工材料效果很好。钴高速钢在国外使用较多，我国钴原料价格较贵，使用量尚不多。

（4）铝高速钢

普通高速钢中加入少量的铝，从而提高了钢的耐热性和耐磨性，它是我国独创的新型高速钢，有良好的综合性能。其典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al，它达到了钴高速钢的切削性能，可加工性好，价格低廉，与普通高速钢的价格接近。但刃磨性差，热处理工艺要求较严格。三、粉未冶金高速钢

粉末冶金高速钢（简称粉冶钢），是用高压氩气或氮气雾化熔融高速钢水，得到细小高速钢粉末，筛选后为0.4mm以下的颗粒；在真空(0.04Hg)状态下，密闭烧结达到密度65%；再在1100℃高温、300MPa高压下制成密度100%的钢坯，然后锻轧成钢材，这样有效地解决了熔炼高速钢在铸锭时要产生粗大碳化物偏析的问题，而它无论截面多大，其碳化物级别均为一级。碳化物晶粒极细，小于0.002mm，而熔炼高速钢碳化物晶粒为0.008～0.02mm。

（1）可有效地解决一般熔炼高速钢在铸锭时要产生的粗大碳化物共晶偏析，得到细小均匀的结晶组织。晶粒尺寸小于2～5μm，而不是一般熔炼钢的8～20μm。这就使这种钢有良好的力学性能。由于粉冶钢的碳化物分布比较均匀，完全避免了碳化物的偏析，从而提高了钢的强度，其硬度能达69.5～70HRC，σb达2.73～3.43Gpa,在轻度变形条件下，粉冶钢的强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5～3倍；在大变形状态下（如锻件或轧制毛坯在直径方向的压下量达20～30mm），则粉冶钢与熔炼钢相比，强度和韧性分别提高30％～40％和80％～90％。（2）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。这一独特的优点，使得粉末冶金高速钢能用于制造新型的、增加合金元素的、加入大量碳化物的超硬高速钢，而不降低其刃磨工艺性，这是熔炼高速钢无法比拟的。

（3）由于粉冶钢物理力学性能的高度各向同性，可减小热处理时的变形（只及熔炼钢的1／2～l／3）与应力，因此，可以制造精密刀具。

（4）由于碳化物颗粒均匀分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故粉冶钢的耐磨性可提高20％～30％。

（5）粉末冶金高速钢提高了材料的利用率。

第三节硬质合金

硬质合金是用粉末冶金的方法制成的一种刀具材料。它是由硬度和熔点很高的金属碳化物（WC、TiC等）微粉和金属粘结剂（Co、Ni、Mo等）经高压成形，并在1500℃左右的高温下烧结而成。

硬质合金的硬度高达89～94HRA，相当于71～76HRC，耐磨性很好，耐热性为800～1000oC，切削速度可达100m/min以上，能切削淬火钢等硬材料。但其抗弯强度低，韧性差，怕冲击和振动，制造工艺性差。硬质合金的发展很快，现已成为主要的刀具材料之一。目前车削刀具大都采用硬质合金，其它刀具采用硬质合金的也日益增多，如硬质合金端铣刀、立铣刀、镗刀、拉刀、铰刀等。

1．钨钴类硬质合金（YG）

它由碳化钨和钴构成，其硬度为89～91.5HRA，耐热性为800～900oC，主要用于加工铸铁、有色金属及非金属材料。常用牌号有YG3、YG6、YG8等，G后面的数字为Co的百分含量。硬质合金中含钴量越多，韧性越好，适合于粗加工，含钴量少者用于精加工。YG类硬质合金不适合加工钢料，因其切削温度达640℃时，刀具与钢会产生粘结，使刀具发生粘结磨损。

2．钨钛钴类硬质合金（YT）它是由碳化钨、碳化钛和钴构成，其硬度为89.5～92.5HRA，耐热性为900～1000oC，主要用于加工塑性材料。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30，T后面的数字代表TiC的百分含量，其余为WC和Co。当TiC的含量较多、Co的含量较少时，硬度和耐磨性提高，但抗弯强度有所下降。它不适合加工含Ti元素的不锈钢，因为两者的Ti元素亲和作用较强，会发生严重的粘结，使刀具磨损加剧。TiC的含量多适于精加工，少则适于粗加工。硬质合金牌号硬质金牌号表示方法如下：①按硬质合金的成分来表示YG8X表示硬质合金的成分G8—钨钴类合金及钴百分含量T20—钨钴类合金及TiC百分含量W—钨钴钛钽合金N—钨钛镍钼类合金附加字母分别表示X—细晶粒C—粗晶粒N—加铌元素A—加钽元素表示硬质合金Y—汉字“硬”的第一个拼音字母②按硬质合金的特性来表示YB10表示硬质合金的特性C—长切屑用硬质合金D—短切屑硬质合金B—涂层硬质合工K—矿山工具硬质合金L—耐磨零件用硬质合金分组号表示硬质合金Y—汉字“硬”的第一个拼音字母三、硬质合金的性能

1.硬度

2.抗弯强度和韧性3.导热系数4.线膨胀系数5.抗冷焊性几种硬质合金材料的牌号、性能及其使用四、新型硬质合金

1、添加钽、铌(Ta、Nb)的硬质合金2、细晶粒和超细晶粒硬质合金3、TiC基和Ti(C，N)基硬质合金4、添加稀土元素的硬质合金5、高速钢基硬质合金6、纳米硬质合金

3．钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）

它是由碳化钨、碳化钽（碳化铌）和钴构成，有较高的常温硬度、耐磨性、高温强度和抗氧化能力。常用牌号为YA6，适合于对冷硬铸铁、有色金属及其合金进行半精加工，也可对高锰钢、淬火钢等材料进行半精加工和精加工。

4．钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW）

它是由碳化钨、碳化钛、碳化钽（碳化铌）和钴构成。其抗弯强度、疲劳强度、耐热性、高温硬度和抗氧化能力都有很大的提高。常用牌号有YW1、YW2，是既能加工钢材，又能加工铸铁、有色金属及其合金，通用性较好的刀具材料。

5．碳化钛基类硬质合金（YN）

它是由碳化钛、钼和镍构成。其抗氧化能力、耐磨性、耐热性较高。常用牌号有YN05、YN10，主要用于对碳钢、合金钢、工具钢、淬火钢、铸铁等进行精加工、半精加工及粗加工。纳米晶硬质合金显微组织和力学性能如下：

1）显微组织纳米晶硬质合金的显微组织非常细小，决定了其优良的力学性能。但由于纳米粉末的制备方法、烧结工艺不同。其显微组织也各不相同。Jia等在1350℃烧结用喷雾转化法制备的纳米WC-Co粉末，得到纳米硬质合金WC晶粒尺寸约为70nm，其晶粒的边界与普通的硬质合金相同，同样是平直的边界。但其位错密度反而明显少于普通的硬质合金。用不同的制备方法来制备的纳米硬质合金粉末，其粉末的显微结构有很大的不同，如采用化学法合成与机械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是机械球磨使晶粒发生较大的变形，而且堆积大量的位错。尽管烧结时位错大部分消除，但仍然有很高的位能。

2）力学性能

随着粘结相自由程的减小，硬质合金的维氏硬度显著提高，当钴粘结相平均自由程为30mn时，其维氏硬度高达2300kg/mm²以上。而且裂纹扩展阻力也随着提高，相应提高合金的韧性。

3）刀具切削性能

纳米晶硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。比如RTW公司制造的印刷电路板纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较，钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。

纳米晶硬质合金的开发可归纳如下几方面:(1)纳米晶硬质合金的研制打破了常规硬质合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论。

(2)研究和开发还处在初级阶段、工艺与技术有待完善和创新，批量生产还有待突破。

(3)根据WC-Co的纳米尺度来推断产品的晶粒度和性能的理论已起步。

(4)纳米WC-Co硬质合金材料烧结过程中晶粒长大迅速，材料中很易出现致密度不高、晶粒粗大。有关添加晶粒生长抑制剂防止烧结过程中晶粒疯长的报导文献较多，但有关低温烧结纳米硬质合金的报导不多。

(5)对于纳米材料晶界的研究多为表象研究，尚未形成明确、深刻、系统的理论，而且对于纳米WC-Co硬质合金材料晶界作用机理的研究报道很少。

(6)纳米WC-Co硬质合金的烧结工艺的改进和创新，以及对其烧结特性、烧结机理的研究是今后研究的重点。第四节涂层刀具

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。常用的涂层材料常用的涂层材料有：碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。目前PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多种多元复合涂层。根据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。常用耐磨涂层材料

碳化物TiC、HfC

、SiC、ZrC、WC、VC、B4C等硼化物TiB2、ZrB2、NbB2、TaB2、WB2

氮化物TiN、VN、TaN、CrN、ZrN、BN、Si3N4、AIN等

硫化物MoS2、WS2、TaS2等氧化物Ai2O3、SiO2、Cr2O3、TiO2、HfO2等

其他材料TiCN、TiAIN、TiALCN等

涂层方式：有单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等。

涂层厚度：一般为5-6µm。涂层太薄，则耐磨性能差，不能有效地保护基体；涂层太厚，则材料强度降低。

涂层方法：CVD(化学气相沉积法)PVD(物理气相沉积法)

等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等涂层刀具类型：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具陶瓷涂层刀具超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。一、涂层高速钢

高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20%-40%o。在高速钢刀具的基体上，用物理气相沉积方法(PVD)，涂覆耐磨材料薄层，可以大幅度地提高高速钢刀具的使用性能。—般，涂层材料用TiN、TiC等，但多采用TiN。涂层后，刀具表面呈金黄色。涂层厚度为5～10μm。二、涂层硬质合金

硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)。我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9µm，表面硬度可达2500-4200HV。硬质合金刀具的硬涂层可提高刀具寿命和生产率。化学气相沉积(CVD)技术已从早期的单涂层发展到现在的由Tic、TiN、TiCN和Al2O3复合多涂层，而且通过选择涂层的顺序及涂层的总厚度来满足特种金属切削的要求，尤其是Al2O3涂层可提供包括高的抗扩散性磨损、优良的抗氧化性和高的热硬度等极好的高温性能，所以在铸铁及钢等材料高速加工获得广泛应用。三、金刚石涂层

金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性，所以金刚石涂层完全可用于具有复杂形状切削刃的旋转刀具以及具有复杂断屑槽形的多刃刀具。金刚石涂层刀具在加工非金属复合材料和塑料时，刀具寿命可比不涂层的硬质合金刀具提高10～20倍或更高，而且在加工非铁金属和复合材料时提高了材料切除率。对于加工表面光洁度要求高、抗磨粒磨损和抗腐蚀磨损的切削加工，最适宜采用金刚石涂层刀具，而采用未涂层的硬质合金刀具进行加工很难达到上述要求。金刚石涂层应用于特种刀具的发展趋势与九十年代PVD涂层应用于加工刀具后显著提高了切削性能相类似，使刀具品牌上了一个新台阶。四、立方氮化硼(CBN)涂层

立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高温高压相，它是第二种最硬的材料(达60GPa)，其结构类似于金刚石，但CBN对于热铁、热钢和氧化环境具有化学惰性，在氧化时，形成一薄层氧化硼，此氧化物层给涂层提供了化学稳定性，因此它在加工硬的铁材(50～65HRC)、灰铸铁、高温合金和烧结的粉末金属时具有明显的优越性。第五节陶瓷

陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具。普遍适用于机械加工中的车、铣、镗、刨等机床的粗、半精及精加工，更加适合于各类CNC数控车，铣床及加工中心、高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。一、刀具用陶瓷的分类

纯氧化铝陶瓷复合氧化铝陶瓷

复合氮化硅陶瓷

1.纯氧化铝陶瓷

20世纪60年代研制成功并于70年代投入使用的A1203/TiC热压陶瓷刀具材料，其强度、硬度和韧性均有较大的幅度的提高，切削速度及进给量都有明显的增加，使用范围迅速扩大。主要用A1203加微量添加剂(如MgO)，经冷压烧结而成，是一种廉价的非金属刀具材料。其抗弯强度为0.40～0.50GPa(40～50kgf／mm2)，硬度HRA91～92。由于抗弯强度过低，尚难以推广应用。2.复合氧化铝陶瓷

在A1203基体中添加某些高硬度、难熔碳化物(如TiC)，并加入一些其他金属(如镍、钼)进行热压，可使抗弯强度提高到0.80GPa(80kgf／mm2)以上，硬度达到HRA93～94。在A1203基体中加入ZrO2利用其相变增韧面可进一步提高A1203陶瓷刀具材料的断裂韧度和强度，用于粗车和精车铸铁和球墨铸铁等材料，切削速度可达900m/min；用于加工合金钢时，粗车速度可达200mm/min，精车速度可达800m/min。3.复合氮化硅陶瓷

在Si3N4基体中添加TiC等化合物和金属Co等进行热压，可以制成复合氮化硅陶瓷；Si3N4陶瓷刀具材料是陶瓷刀具品种的一大突破，它的机械(力学)性能与复合氧化铅陶瓷相近，断裂韧度显著提高，达到6-7Mpa/m2。氮化硅陶瓷能有效地切削冷硬铸铁和淬硬钢，切削一般钢材效果不显著。国外有一种赛隆(si