刀具材料的选用及新材料

刀具材料的选用及新材料主讲：邵超城本讲座共分为三个部分第一部分、介绍金属材料的基础知识第二部分、刀具材料的种类以及性质第三部分、切削加工及刀具技术的展望第一部分、金属材料的基础知识前言材料是人类活动的基础，材料的发展是人类发展的标志。人类历史时代划分：石器时代、铜器时代、铁器时代。当今，材料仍然是科学与工业发展的基础，先进材料是当代文明的主要支柱之一。工程材料的分类：金属材料、无机材料（最主要的是工程陶瓷）、高分子材料以及复合材料。近几十年来，金属材料”一统天下”部分被其他材料取代金属材料正朝着高性能化、复合化、多功能化和智能化方向发展。一、金属的性能金属的使用性能：使用条件下所表现出来的性能。包括物理性能（密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能、力学性能。金属的工艺性能：在加工制造过程中表现出来的各种性能。直接影响零件的制造工艺与质量。包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能等。第一节金属的力学性能一、强度二、塑性三、硬度四、冲击韧性五、疲劳强度一、强度定义：指金属在静载荷作用下，抵抗变形或断裂的能力。是机械零件（工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。强度的测定－－－－拉伸试验1、拉伸试样（GB6397-86）长试样：L0=10d0短试样：L0=5d02、拉伸试验设备3、力——伸长曲线屈服阶段弹性变形阶段强化阶段颈缩现象4、金属材料的拉伸曲线

ΔLF0脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象低碳钢脆性材料4、强度指标1.屈服点：在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号σs表示。计算公式σs=Fs/A0脆性材料的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。计算公式σ0.2=F0.2/A0应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据2.抗拉强度材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号σb表示。计算公式σb=Fb/A0应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。二、塑性（一）定义金属材料断裂前发生永久变形的能力。（二）衡量指标伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。断面收缩率：试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。伸长率（δ）δ=l0——试样的原始标距,mm。l1——试样拉断后的标距,mm;断面收缩率（Ψ）Ψ=S0——试样原始横截面积,mm2；S1——颈缩处的横截面积,mm2

三、硬度

（一）布氏硬度（二）洛氏硬度（三）维氏硬度（一）布氏硬度（HB）

测量比较软的材料。测量范围HBS<450、HBW<650的金属材料。优缺点：压痕大，测量准确，但不能测量成品件。（二）洛氏硬度（HR）

1.原理

加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值应用范围

常用洛氏硬度标度的试验范围HRA120°金刚石圆锥体600N70~85HRB1.588mm钢球1000N25~100HRC120°金刚石圆锥体1500N20~67

优缺点优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料。缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。（3）维氏硬度计维氏硬度（HV）以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）四、冲击韧性

（一）定义金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（二）冲击试样（三）冲击试验原理及方法试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（Ak）等于摆锤冲击试样前后的势能差。试验过程如图所示计算公式Ak=GH1-GH2=G（H1-H2）冲击韧度（ak）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积。五、疲劳强度疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约80％以上属于疲劳破坏。疲劳破坏之前没有明显的变形，断裂是突然发生的。所以疲劳破坏经常造成重大事故。构件疲劳试验机第二节金属的晶体结构1、金属的晶体结构2、金属的结晶3、金属的同素异构转变1、金属的晶体结构金属在固态下原子呈有序、有规则排列。晶体有规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡。晶体特点：

（1）有固定熔点，

（2）原子呈规则排列，宏观断口有一定形态且不光滑

（3）各向异性，由于晶体在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶体在不同方向上的性能也不一样。三种常见的晶格及分析（1）体心立方晶格：铬，钒，钨，钼，α-Fe。（2）面心立方晶格：铝，铜，铅，银，γ-Fe。

（3）密排六方晶格：镁，锌。

用以描述原子在晶体中排列的空间格子叫晶格

体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格2、金属的结晶结晶的概念：金属材料通常需要经过熔炼和铸造，要经历有液态变成固态的凝固过程。金属由原子的不规则排列的液体转变为规则排列的固体过程称为结晶。结晶过程：不断产生晶核和晶核长大的过程冷却曲线：过冷现象：实际上有较快的冷却速度。

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差，过冷度。金属结晶后晶粒大小一般来说，晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，塑性韧性越好为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后晶粒的大小。细化晶粒的根本途径：控制形核率及长大速度。细化晶粒的方法：（1）

增大过冷度，增加晶核数量

（2）

加入不熔物质作为人工晶核

（3）

机械振动、超声波振动和电磁振动金屬晶體缺陷金屬材料以肉眼觀察其外表似乎是完美的；實際不然，金屬晶體含有許多缺陷，這些缺陷可分類為點缺陷、線缺陷及面缺陷。這些缺陷對金屬材料的性質有很重要的影響。點缺陷

金屬最簡單形式的點缺陷就是空孔空孔是最簡單形式的點缺陷，原子在結晶格子位置上消失點缺陷

间隙原子點缺陷

置代原子線缺陷

線缺陷一般通稱為「差排」(dislocation)。差排的產生主要與金屬在機機加工時的塑性變形有關；亦即金屬塑性變形量愈大，差排也就愈多。面缺陷

金屬的缺陷有：外表面、晶粒界面（簡稱晶界）及疊差等。金屬晶體缺陷金属晶体的这些缺陷都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力增大，从而使金属的强度提高。3、金属的同素异构转变大多数金属在结晶完成后的继续冷却中，其晶体结构不再发生变化，如铝、铜等。也有少数金属如铁、钛、锡、锰等。这种金属在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。

δ-Fe

1394℃γ-Fe

912℃

α-Fe因为铁能发生同素异晶转变，在生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，改变它的组织与性能，以发挥材料的潜力。第三节合金金屬材料之晶體結構隨著外界溫度的改變而變化，這現象稱為「相變態」。大多數的純金屬在其固態溫度範圍都保持同一種晶體結構；只有少數純金屬例如純鐵在溫度高於912℃由體心立方結構轉化為面心立方結構，又在溫度高於1394℃由面心立方結構轉化為體心立方結構。絕大多數金屬材料都不是純金屬，而是二種以上不同金屬組成，通稱合金。相變態則在一般合金普遍常見。纯金属一般强度低，工业生产中大量使用的金属材料都是合金，碳钢，合金钢，铸铁，铝镁合金。1、合金概念由两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。2合金结构（1）固溶体

指溶质的原子溶入溶剂原子的晶格中或取代了栽些溶剂原子的位置，而仍保持溶剂原子晶格类型的一种成分和性能均匀的固态合金。

如铁素体是碳在固溶体中的混合物。

（2）金属化合物

合金组元间按一定的原子数量之比，相互化合而成的一种具有金属特性的新相，称为金属化合物。如Fe3C（渗碳体）

（3）机械混合物（混合物）

由两种或两种以上的相机械地混合在一起而组成的一种多相组织。

如珠光体是渗碳物与铁素体的混合物。

（1）固溶体固態合金之原子排列結構可視為猶如不同液體混合而成的溶液，因此固態合金可以稱為「固溶體」主要成分的金屬原子稱為溶劑原子，而微量（或少量）成分的金屬原子稱為溶質原子分为：间隙固溶体、置换固溶体置换固溶体鎳原子與銅原子組成固溶體间隙固溶体原子及間隙原子的示意圖固溶強化合金由於其結晶含有外來原子，使得差排在晶體裡面變得較難移動，因此合金比純金屬的強度為高，這種固溶體造成金屬的強化，稱為「固溶強化」。3、铁碳合金铁碳合金的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到α——铁中的固溶体叫铁素体，溶解到γ——铁中的固溶体叫奥氏体。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。（1）铁素体碳溶解到α－铁中形成的间隙固溶体叫铁素体。用符号F来表示。碳在α－铁中的溶解度很小，在727℃仅为0.0218%。随着温度的降低而降低，在室温下几乎为零。铁素体的性能与纯铁相似，具有良好的韧性与塑性，强度和硬度较低。（2）奥氏体碳溶解到γ－铁中的间隙固溶体叫奥氏体。用符号A来表示。由于奥氏体的晶格间隙比较大，故其的溶碳能力较强。在1148℃时的溶碳量可达2.11％，在727℃时溶碳量为0.77％。具有良好的塑性与韧性，强度与硬度不高。是大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。(3)渗碳体碳与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。是一个硬而脆的组织。渗碳体的含碳量为6.69％。熔点为1227℃。渗碳体在适当条件下能分解为铁和石墨。（4）珠光体珠光体是铁素体与渗碳体的混合物。用符号P来表示。在缓慢冷却条件下，其含碳量为0.77％。即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占12%，铁素体约占88%。含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。珠光体的性能介于铁素体与渗碳体之间:强度较高，硬度适中，具有一定塑性。（5）莱氏体莱氏体是含碳量为4.3％的液态铁碳合金，在1148℃时从液相中同时结晶出的奥氏体与渗碳体的混合物。用符号Ld表示。在低温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，又叫低温莱氏体。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。4、合金相图合金状态图即合金结晶过程的简明图解，反映在平衡条件下不同成分合金在不同温度下所存在的相及其相平衡关系，以了解合金在温度变化时的相变过程及组织形成的规律。是分析合金组织、确定热加工工艺、预测材料性能的依据。

（1）二元合金状态图的建立通过实验建立的以Pb-Sb合金为例（1）首先配制几组成分不同的Pb-Sb合金，然后作出它们的冷却曲线

（2）作出每个合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点（即停歇点和转折点）

（3）作一个以温度为纵坐标（单位为℃），以合金成分为横坐标（单位为重量或原子百分数）的直角坐标系统，并自横坐标上各成分点作垂直线——成分垂线，然后把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各合金的成分垂线上。（4）将各成分垂线上具有相同意义的点连接成线，并根据已知条件分析结果作标记。铅－锑合金相图PbSbT/℃Sb%利用相图判断合金的性能（1）利用相图判断合金力学性能利用相图可确定合金在某一温度下的相平衡关系，计算各相相对量，再根据各相的性质，大致判断合金性能。（2）利用相图判断合金工艺性能

(2)铁碳合金相图FeFe3C00.77%2.11%4.3%6.69%91215381148727GSECAD1227F+PPP+Fe3CALL＋A铁碳合金相图的意义C点是共晶点S点是共析点（共析钢）G点是纯铁的同素异构转变点A点是纯铁的熔点D点是渗碳体的熔点铁碳合金的成分、组织与性能关系铁碳合金的室温组织都是由铁素体与渗碳体组成。随着含碳量的增加，铁素体的含量减少，渗碳体的含量增加，钢的强度与硬度增加，塑性与韧性下降。结论：组织决定性能。铁碳合金相图的应用选用钢材料的依据制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据。第四节钢的热处理热处理的定义：将固态的金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。热处理的方法：退火、正火、淬火、回火、表面热处理。根本原因：同素异构转变加热的目的：获得奥氏体1、退火将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的：是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。退火的方法：完全退火、球化退火、去应力退火

2、正火钢的正火：正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。目的：它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。

3、淬火.钢的淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。4、回火.钢的回火：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。目的：消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。⑴调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。⑵时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250℃）精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。5、表面热处理常用的方法：⑴表面淬火、⑵化学热处理目的：满足某些零件表面的高硬度和耐磨性，心部具有足够的塑性与韧性的需要。⑴表面淬火定义：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。加热方法：火焰加热、感应加热⑵化学热处理定义：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。三个基本过程：分解、吸收、扩散渗碳渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。渗氮渗氮：又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。

氰化：又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面具有渗碳与渗氮的特性。渗金属渗金属：是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。第五节常用金属材料牌号表示方法

机械零件所用金属材料多种多样，为了使生产、管理方便、有序，有关标准对不同金属材料规定了它们牌号的表示方法，以示统一和便于采纳、使用。现将常用金属材料牌号表示方法作一些简单介绍。一、钢铁产品牌号表示方法(参照GB/T221—2000)1.标准的基本概况GB/T221—2000标准是参照国外钢铁产品牌号表示方法和国内钢铁产品牌号表示方法变化(如Q345代替16Mn)等情况修订后，于2000年4月1日发布，并于2000年11月1日开始实施。2、钢铁产品牌号表示方法的基本原则(1)凡国家标准和行业标准中钢铁产品的牌号均应按GB/T221—2000标准规定的牌号表示方法编写。凡不符合规定编写的钢铁产品牌号，应在标准修订时予以更改，一些新的钢铁产品，其牌号也应按此予以编写牌号。按合金含量分：低合金钢（小于5％）、中合金钢（5％－－10％）、高合金钢（大于10％）。3、钢铁产品牌号表示方法示例及说明(1)生铁牌号表示方法生铁牌号采用表1中规定的符号和阿拉伯数字表示。①阿拉伯数字表示平均含硅量(以千分之几计)。例如：含硅量为2.75%～3.25%的铸造用生铁，其牌号表示为“Z30”；含硅量为0.85%～1.25%的炼钢用生铁，其牌号表示为“L10”。②含钒生铁和脱碳低磷粒铁，阿拉伯数字分别表示钒和碳的平均含量(均以千分之几计)。例如：含钒量不小于0.40%的含钒生铁，其牌号表示为“F40”；含碳量为1.20%～1.60%的炼钢用脱碳低磷粒铁，其牌号表示为“TL14”。碳素结构钢的牌号组成中，镇静钢符号“Z”和特殊镇静钢符号“TZ”可以省略，例如：质量等级分别为C级和D级的Q235钢，其牌号表示应为Q235CZ和Q235DTZ，但可以省略为Q235C和Q235D。低合金高强度结构钢有镇静钢和特殊镇静钢，但牌号尾部不加写表示脱氧方法的符号。②专用结构钢一般采用代表钢屈服点的符号“Q”、屈服点数值和表1中规定的代表产品用途的符号等表示，例如：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；耐候钢其牌号表示为：Q340NH。③根据需要，通用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(以万分之几计平均含碳量)和标准的元素符号组成；专用低合金高强度结构钢的牌号，除一般组成外，尚应加规定代表产品用途的符号。(3)优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢牌号表示方法

优质碳素结构钢采用两位阿拉伯数字(以万分之几计表示平均含碳量)或阿拉伯数字和元素符号、规定的符号组合成牌号。①沸腾钢和半镇静钢，在牌号尾部分别加符号“F”和“b”。例如：平均含碳量为0.08%的沸腾钢，其牌号表示为“08F”；平均含碳量为0.10%的半镇静钢，其牌号表示为“10b”。②镇静钢(S、P分别≤0.035%)一般不标符号。例如：平均含碳量为0.45%的镇静钢，其牌号表示为“45”。③较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均含碳量的阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为0.50%，含锰量为0.70%～1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”。④高级优质碳素结构钢(S、P分别≤0.030%)，在牌号后加符号“A”。例如：平均含碳量为0.45%的高级优质碳素结构钢，其牌号表示为“45A”。⑤特级优质碳素结构钢(S≤0.020%、P≤0.025%)，在牌号后加符号“E”。例如：平均含碳量为0.45%的特级优质碳素结构钢，其牌号表示为“45E”。优质碳素弹簧钢牌号的表示方法与优质碳素结构钢牌号表示方法相同(65、70、85、65Mn钢在GB/T1222和GB/T699两个标准中同时分别存在)。(4)合金结构钢和合金弹簧钢牌号表示方法①合金结构钢牌号采用阿拉伯数字和标准的化学元素符号表示。用两位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)，放在牌号头部。合金元素含量表示方法为：平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；平均合金含量为1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%、……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为030%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢，当S、P含量分别≤0.035%时，其牌号表示为“30CrMnSi”。高级优质合金结构钢(S、P含量分别≤0.025%)，在牌号尾部加符号“A”表示。例如：“30CrMnSiA”。特级优质合金结构钢(S≤0.015%、P≤0.025%)，在牌号尾部加符号“E”，例如：“30CrMnSiE”。专用合金结构钢牌号尚应在牌号头部(或尾部)加规定代表产品用途的符号。②合金弹簧钢牌号的表示方法与合金结构钢相同。例如：碳、硅、锰的平均含量分别为0.60%、1.75%、0.75%的弹簧钢，其牌号表示为“60Si2Mn”。高级优质弹簧钢，在牌号尾部加符号“A”，其牌号表示为“60Si2MnA”。（5）、易切削钢牌号表示方法易切削钢采用标准化学元素符号、规定的符号和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)。①加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。例如：平均含碳量为0.15%的易切削钢，其牌号表示为“Y15”。②较高含锰量的加硫或加硫、磷易切削钢在符号“Y”和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为0.40%，含锰量为1.20%～1.55%的易切削钢，其牌号表示为“Y40Mn”。③含钙、铅等易切削元素的易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后加易切削元素符号。例如：“Y15Pb”、“Y45Ca”。（6）、工具钢牌号表示方法工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三类。①碳素工具钢采用标准化学元素符号、表1规定的符号和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示平均含碳量(以千分之几计)。a.普通含锰量碳素工具钢，在工具钢符号“T”后为阿拉伯数字。例如：平均含碳量为0.80%的碳素工具钢，其牌号表示为“T8”。b.较高含锰量的碳素工具钢，在工具钢符号“T”和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：“T8Mn”。c.高级优质碳素工具钢，在牌号尾部加“A”。例如：“T8MnA”。②合金工具钢和高速工具钢合金工具钢、高速工具钢牌号表示方法与合金结构钢牌号表示方法相同。采用标准规定的合金元素符号和阿拉伯数字表示，但一般不标明平均含碳量数字，例如：平均含碳量为1.60%，含铬、钼，钒含量分别为11.75%、0.50%、0.22%的合金工具钢，其牌号表示为“Cr12MoV”；平均含碳量为0.85%，含钨、钼、铬、钒含量分别为6.00%、5.00%、4.00%、2.00%的高速工具钢，其牌号表示为“W6Mo5Cr4V2”。若平均含碳量小于1.00%时，可采用一位阿拉伯数字表示含碳量(以千分之几计)。例如：平均含碳量为0.80%，含锰量为0.95%，含硅量为0.45%的合金工具钢，其牌号表示为“8MnSi”。低铬(平均含铬量＜1.00%)合金工具钢，在含铬量(以千分之几计)前加数字“0”。例如：平均含铬量为0.60%的合金工具钢，其牌号表示为“Cr06”。第二部分刀具材料的种类与性质刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC)，都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的性能是影响切削加工效率、精度、表面质量等的决定性因素之一。在现代化加工过程中，提高加工效率的最有效方法是采用高速切削加工技术；随着现代科学技术和生产的发展，越来越多地采用超硬难加工材料，以提高机器设备的使用寿命和工作性能。随着制造业的发展，刀具材料的发展经历了:高碳钢-高速钢-一般硬质合金材料到现在的陶瓷材料、PCBN材料、新型硬质合金及涂层硬质合金、陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼。由于新型刀具材料的应用，从而使制造加工业得到了迅速的发展。随着科学技术的进步、加工效率的提高和数控机床的发展，对刀具材料的性能也提出了愈来愈高的要求。第一节刀具材料必需具备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、高温下工作，应具备如下的基本要求。1)高硬度和高耐磨性

2)足够的强度与冲击韧性

3)高耐热性

4)良好的工艺性和经济性

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的硬度才能切下金属，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，材料的耐磨性还决定于它的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致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，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。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。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。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。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，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。因此在选用时一定要综合考虑。第二节常用刀具材料

1、高速钢

2、硬质合金

3、涂层刀具

4、陶瓷刀具5、金刚石刀具

6、立方氮化硼

1、高速钢

高速钢是一种加人了较多的钨、铬、钒、相等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，容易刃磨成锋利的切削刃；锻造、热处理变形小，目前在复杂的刀具，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮刀具和成形刀具制造中，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W18Cr4v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—60m／min。高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo是在普通高速钢中再增加一些含碳量、含钒量及添加钴、铝等元素冶炼而成的。它的耐用度为普通高速钢的1．5—3倍粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢，其强度与韧性分别提高30％一40％和80％一90％．耐用度可提高2—3倍。目前我国尚处于试验研究阶段，生产和使用尚少。高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷2、硬质合金

在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导作用，此外，其它刀具材料的性能也得到了显著改善，扩大了各自的应用领域，形成了各种刀具材料既有独特优势、使用范围又相互取代补充的整体格局。正是刀具材料全面、迅速的发展为当今高速、高效的金属切削加工奠定了基础。硬质合金的性能不断改进，应用面不断扩大，成为切削加工的主要刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。按GB2075-87可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。P、M、K(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。P类相当于我国原钨钛钻类，主要成分为WC十TiC十Co，代号为YT。K类相当于我国原钨钻类，主要成分为WC十Co，代号为YG。M类相当于我国原钨钛钽钴类通用合金，主要成分为WC+TiC+TaC(NbC)十Co，代号为YW。3、涂层刀具涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。

品种繁多的PVD涂层刀具涂层刀具的应用PCD刀具加工铝合金缸盖

WIDIA公司的曲轴高速铣刀

4、陶瓷刀具

陶瓷可能继高速钢、硬质合金以后引起切削加工的第3次革命。陶瓷刀具具有高硬度(HRA91~95)、高强度(抗弯强度为750~1000MPa)，耐磨性好，化学稳定性好，抗粘结性能良好，摩擦系数低且价格低廉等优点。不仅如此，陶瓷刀具还具有很高的高温硬度，1200°C时硬度达到HRA80。常用的有：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、金属陶瓷和晶须增韧陶瓷。

陶瓷刀具能在切削加工的以下方面，显示出其优越性：1、可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料，例如硬度达HRC65的各类淬硬钢和硬化铸铁，因而可免除退火加工所消耗的电力；并因此也可提高工件的硬度，延长机器设备的使用寿命；2、不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；3、刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；4、可进行高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高3-10倍，达到节约工时、电力、机床数30-70%或更高的效果。5、金刚石刀具众所周知，金刚石材料的成分是碳，金刚石与铁系有亲和力，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700度，否则会发生石墨化现象，工具会很快磨损。因为金刚石在高温下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与黑色金属(铁碳合金)在加工中会发生化学磨损，所以，金刚石不能用于加工黑色金属只能用在有色金属和非金属材料上，而CBN即使在1000oC的高温下，切削黑色金属也完全能胜任。已成为未来难加工材料的主要切削工具材料。一般超硬材料指的是人造金刚石、人造CBN。这两种材料的同时存在，起到了互补的作用、可以覆盖当前与今后发展的各种新型材料的加工，对整个切削加工领

金刚石刀具材料聚晶金刚石(PCD)：PCD晶粒呈无序排列状态．不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度和导热性，低的热胀系数。高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加丁各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD厚膜CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差，人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。厚膜金刚石不同于PCD之处是没有结合剂，是纯金刚石，所以它的硬度高得多，与天然金刚石不同，它具有各向同性，成本低，因此在许多方面将取代PCD。人工合成单晶金刚石人工合成单晶金刚石刃口质量、抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差金刚石刀具分类(以车刀为例）6、立方氮化硼

立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉。由于CBN的烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300、1500度)，优良的化学稳定件(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属