第三讲 刀具材料

金属切削与机床

MetalCutting&MachineTools第三讲刀具材料刀具材料应具备的性能常用刀具材料的特性及应用场合高速钢硬质合金材料介绍其它刀具材料的性能概述刀具材料是指刀具上参与切削的那部分材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，而且还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有高速钢和硬质合金。高速钢一般允许切削速度为25～30m/min；硬质合金允许的切削速度为100m/min。要提高切削加工的生产率，就需要提高切削速度和刀具耐用度。就要求提供切削性能更好的刀具材料。切削过程中会产生切削抗力、切削热、冲击和振动。刀具材料应具备的性能一、足够的硬度和耐磨性1.硬度是指材料抵抗其它物体压入其表面的能力刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度，一般比工件高出1.5—2倍，否则在高温高压下，就不能保持刀具锋利的几何形状。目前，切削性能最差的刀具材料—碳素工具钢，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上；高速钢的硬度为63～70HRC。硬质合金在89～93HRC左右。

刀具材料应具备的性能2.耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。它与材料的硬度、强度和组织结构有关。一般来说，刀具材料硬度越高越耐磨。二、足够的强度和韧性在切削过程中，刀具承受很大的压力、冲击和振动，只有抗弯强度好，切削用量才不会发生变化。粗加工余量不均，切削力发生变化，对刀具有冲击和振动，如果韧性不好，常会出现崩刃或折断。一般用冲击韧度ak反映刀具材料抗脆性和抗崩刃能力。刀具材料应具备的性能三、较高的耐热性和传热性在高温下刀具材料保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。用红硬性表示。高温下硬度越高，则红硬性越好，允许的切削速度越高。刀具材料的传热系数大，有利于切削区热量的传出，降低切削温度。刀具材料应具备的性能四、良好的工艺性为了便于刀具的加工制造，刀具材料要有良好的工艺性能。工艺性良好热处理性能良好——淬透性好焊接性能良好——易焊接锻造性能良好——如麻花钻，先拧后锻磨削性能良好——易刃磨刀具材料应具备的性能五、经济性好

经济性是评价新型刀具材料的重要指标之一，也是正确选用刀具材料、降低产品成本的主要依据之一。

刀具材料的选用应立足于本国资源，注意经济效果，力求价格低廉。

没有一种刀具材料能具备所有性能的最佳指标，所以在选择刀具材料时应合理选用。刀具材料材料类型目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。常用刀具材料一、碳素工具钢碳素工具钢是一种含C(碳)量较高的优质钢(含C一般在0.65～1.35%)。1、常用牌号：T7A、T8A·······T13A其中：T——碳，A——高级优质碳素工具钢数字表示含碳量，如7表示含碳0.7%。常用刀具材料2、主要性能

淬火后硬度可达HRC61～65；红硬性为摄氏200～250度，价格低廉，不耐高温。允许切削速度Vc≤10m/min只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等。优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃。常用刀具材料二、合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的铬(Cr)、硅(Si)、钨(W)、锰(Mn)、钒(V)等合金元素（合金元素总量不超过3-5%），能够提高材料耐热性、耐磨性和韧性，同时可以减少热处理时的变形。1、主要牌号：9SiCr：9表示平均含C量为0.9%，Si、Cr平均含量小于1.5%CrWMn：平均含C量大于1.0%，Cr、W、Mn平均含量小于1.5%常用刀具材料2、主要性能淬火后的硬度可达HRC61～65；红硬性为摄氏300～400度；允许切削速度Vc=10～15m/min；制作低速、形状比较细长、截面积大、刃形复杂、要求淬火后变形小的刀具。

如：板牙、拉刀、手用铰刀、丝锥等。常用刀具材料三、高速钢高速钢是一种高合金工具钢，钢中含钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素，这些合金元素含量较高。高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性能。用高速钢制成的刀具，在切削时显得比一般低合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢。高速钢区别于其他一般工具钢的主要特性是它具有良好的热硬性（红硬性），当切削温度高达600℃左右时硬度仍无明显下降，能以比合金工具钢更高的切削速度进行切削，高速钢由此而得名。常用刀具材料1、高速钢性能具有较高的强度和韧性；良好的耐磨性，硬度达HRC63～66(V元素的作用)红硬性为摄氏600度(W元素的作用)；允许切削速度Vc=25～30m/min；具有良好的制造工艺性；可获得锋利的刀刃（有锋钢之称）加工范围较大：铸铁、有色金属、钢等。常用刀具材料2、高速钢的分类普通高速钢：钨系高速钢（W18Cr4V），最常用，刃磨性好钨钼系高速钢（W6Mo5Cr4V2），高温塑性好、韧性好，但淬火温度范围窄，脱碳过热敏感性大。钨钼系高速钢（W9Mo3Cr4V），抗弯强度与韧性好于前者。高温热塑性好，脱碳敏感性小。

普通高速钢工艺性好，可以满足一般工程材料的切削加工。常用刀具材料2、高速钢的分类高性能高速钢：高碳高速钢(95W18Cr4V)，含碳量0.95%，很少用。高钒高速钢(W6Mo5Cr4V3)，提高耐磨性。钴高速钢(W6Mo5Cr4V2Co8—M42)，钴热导率高，有利于提高刀具切削性能，降低摩擦因数。铝高速钢(W6Mo5Cr4V2Al)，提高高温硬度、热塑性、韧性。刀具表面易形成氧化铝薄膜，减少摩擦与粘结

性能较普通高速钢提高，可用于切削高强度钢、高温合金、钛合金等难加工材料。常用刀具材料2、高速钢的分类粉末冶金高速钢(PMHSS)：具有细小均匀的结晶组织，硬度达69.5-70HRC，抗弯强度达2.73～3.43GPa；无方向性，刀具各个点的压缩强度、冲击性、抗折能力、韧性都相同，适于制造精密刀具；无碳化偏析现象，PMHSS加工性好，不易变形。粉末冶金高速钢成本较高，主要用于制造复杂成形刀具。以及加工高强度钢、镍基合金、钛合金等难加工材料用的刨刀、钻头、铣刀等刀具常用刀具材料2、高速钢的分类涂层高速钢：TiN涂层，厚度2μm，硬度达2200HV，高热稳定性；TiAlN高性能涂层：耐热摄氏800度，提高寿命；AlTiN高铝涂层：耐热摄氏800度，高硬度；TiCN复合涂层：耐热摄氏400度，高韧性，适合做丝锥、成形刀具；TiAlCN复合涂层：耐热摄氏500度，适合做铣刀、钻头，可加工60HRC的高硬度材料；DLC(类金刚石涂层)，适合用于加工硬木材的成形刀具常用刀具材料四、硬质合金是指由高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结剂，通过粉末冶金的工艺，经过高压成形，在摄氏500度的高温下烧结而成的材料。成分组成：硬质相（TiC、WC、TaC、NbC）+

粘结相（Co、Ni、Mo等）

硬质合金的主要成分，具有高硬度、高熔点和化学稳定性好的特点。硬度↑

抗弯强度↓

硬度↓抗弯强度↑常用刀具材料1、硬质合金的主要性能常温硬度74～81.5HRC，红硬性为800～1000摄氏度，耐磨性优良；允许切削速度100m/min≤Vc≤200m/min，比高速钢提高4～7倍，刀具寿命提高5～80倍；脆性较大，怕冲击，易崩刃。制造工艺性差，一般制成一定规格的刀片焊在刀体上。加工范围广，脆性材料、钢材、有色金属等均可常用刀具材料2、普通硬质合金分类K类合金——钨钴类硬质合金（合金代号YG）（1）组成：WC+Co（2）常用牌号：YG3、YG6、YG8

符号中的数字代表Co含量占3%、6%、8%

Co的含量↑韧性↑强度↑HRC↓耐磨性↓（3）应用：主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料。YG3（精加工）、YG6（半精加工）、YG8（粗加工）常用刀具材料2、普通硬质合金分类P类合金——钨钴钛类硬质合金(合金代号YT)（1）组成：硬质相(WC+TiC)+粘结相Co（2）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30

符号中的数字代表TiC含量占5%、14%、15%TiC的含量↑硬度↑耐磨性↑脆性↑

韧性↓（3）应用：主要用于加工钢材及有色金属。YT5（粗加工）、YT14\YT15（半精加工）、YT30（精加工）常用刀具材料2、普通硬质合金分类M类合金——钨钛钽(铌)钴类硬质合金(合金代号YW)（1）组成：YG、YT合金中加入TaC、NbC（2）TaC：质量分数达12%～15%

NbC：质量分数在4%左右（3）性能：提高抗弯强度、疲劳强度、高温硬度与强度，提高抗氧化能力。（4）应用：主要用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金的半精加工也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢的精加工。常用刀具材料2、普通硬质合金分类P01类——碳化钛基硬质合金(原冶金部YN)（1）组成：硬质相(TiC)+粘结相(Ni+Mo)这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。缺点是导热率和韧性较差。（2）应用：适用于半精加工与精加工，对于大长零件且加工精度较高的零件尤其适合，但不适合有冲击载荷的粗加工和低速切削。常用刀具材料3、细晶粒、超细晶粒硬质合金细晶粒硬质合金：WC的平均粒度≤1.5μm；超细晶粒硬质合金：WC的平均粒度在0.2～1μm，绝大多数≤0.5μm；多用于YG类合金，适合做小尺寸铣刀、钻头等，可用于加工高硬度难加工材料。4、钢结硬质合金硬质相WC、TiC+粘结相高速钢常用刀具材料5、涂层硬质合金在硬质合金表面涂覆一层或多层5～13μm难熔金属碳化物。涂层刀具具有高的抗氧化性能和抗粘结性能，因此具有较高的耐磨性。涂层材料：TiC、TiN、TiCN、Al2O3

单涂层刀片已经很少使用，大多采用TiC-TiN复合涂层或TiC-Al2O3-TiN三复合涂层。适用范围：主要用于车削、铣削等加工，不适合受力大和冲击大的粗加工，高硬材料的加工以及进给量很小的精密切削。各类涂层刀具适用范围涂层种类应用范围表面颜色TiN通用涂层，常用于丝锥、钻头加工普通碳钢等。金黄色TiCN常用于丝锥，铣刀加工工具钢、铜合金，以及常用于各类工模具加工高强度钢和有色金属等。蓝灰色TiAlN常用于硬质合金铣刀和丝锥加工高强度、高韧性材料以及加工难加工材料。紫黑色CrN用于加工铜皮、铜合金的模具和工具。银灰色TiAlCN用于加工淬火钢及轻合金等难切削材料。紫色CrN+CBC用于加工切削阻力大的非金属材料及有色金属等工模具。灰黑色其他各种复合涂层常用刀具材料五、陶瓷以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材料。常用总类：Al2O3基陶瓷和Si3N4基陶瓷特点：高硬度、高耐磨性较高寿命；具有很好的热硬性，摩擦系数低，切削力较硬质合金小，用该类刀具加工时能提高表面光洁度。但脆性大，抗冲击能力差。适用于高速精细加工硬材料！常用刀具材料五、超硬刀具材料1、金刚石分类：天然单晶金刚石刀具；人造聚晶金刚石刀具；金刚石烧结体。特点：硬度高达HV10000,耐磨性是硬质合金的60～80倍，其切削刃锋利，切下极薄的切屑，能实现超精密微量加工，但耐热性差、强度低、脆性大。适用范围：高速条件下精细加工非铁材料，高硬度非金属及其难加工的复合材料。常用刀具材料五、超硬刀具材料1、立方氮化硼（CBN）

概念：立方氮化硼（简称CBN）是由六方氮化硼为原料在高温高压下合成。

特点：硬度高，硬度仅次于金刚石，热稳定性好，较高的导热性和较小的摩擦系数。但强度和韧性较差，抗弯强度仅为陶瓷刀具的1/5～1/2。适用范围：适用于加工高硬度淬火钢、冷硬铸铁和高温合金材料。通常采用负前角的高速切削！理想刀具材料具有金刚石一样高的硬度和耐磨性；具有立方氮化硼或陶瓷一样高的热稳定性和化学惰性；具有硬质合金一样高的强度和抗冲击性能。

重点掌握刀具材料应具备的性能掌握高速钢与硬质合金的性能及应用场合了解其他刀具材料的性能本章小结刀具材料应该具备的性能包括足够的硬度和耐磨性、足够的强度与韧性、较高的耐热性、较好的工艺性、较好的传热性和经济性。工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢。碳素工具钢优点是工艺性能良好，有较高的耐磨性，价格低廉；最大缺点是热硬性差，淬透性低。主要用于制造手用刀具、低速及小进给量的机用刀具。合金工具钢比碳素工具钢有较高的淬透性、韧性、耐磨性和耐热性。主要用于制造细长刀具或截面积大、刃形复杂的刀具。高速钢按切削性能可分为普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。高速钢还具有较高的硬度、耐磨性以及强度和韧性。与硬质合金相比，高速钢的最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。高速钢主要用于制造形状复杂的刀具。高性能高速钢和粉末冶金高速钢适于制造切削难加工材料的各种精密刀具和形状复杂刀具。硬质合金刀具材料有YG类、YT类、YW类和YN类四种。具有高硬度、高耐磨性、高耐热性、抗弯强度低和可加工工艺性差等特点。YG类硬质合金主要用于加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料以及淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料。YT类硬质合金主要用于加工形成长屑的钢材等塑性材料。YW类硬质合金主要用于加工钢料和难加工材料的半精加工和精加工。YN类硬质合金适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性及耐热性，抗扩散和抗黏结能力强。最大缺点是强度低、韧性差。适用于钢、铸铁及塑性大的材料的半精加工和精加工，尤其对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料零件加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。金刚石和立方氮化硼属于超硬刀具材料主要用于精加工。金刚石目前主要用于磨具及磨料，作为刀具多在高速下对有色金属及非金属材料进行精细车削，注意不能加工铁等黑色金属。立方氮化硼用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢、冷硬铸铁等难加工材料。涂层刀片有效解决了刀具的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，大大提高了刀具的切削性能，且具有较好的通用性，但价格较高。练习题刀具材料的强度必须要大于工件材料的强度。（×）钨系高速钢中最主要的成分是钨。

（

×）YG3比YG6更适宜于铸件的粗加工。（

×）YT5比YT14更适宜于钢件的粗加工。（

√

）根据资源特点，铝高速钢比钴高速钢更适合我国国情。（

√）粉末高速钢在化学成分上与普通高速钢有较大差异。（

×）陶瓷刀具硬度高，但脆性大，所以一般不宜用于粗加工。（√）×××√

√

×√

练习题W18Cr4V是属于

系高速钢。W6Mo5Cr4V2是属于

系高速钢。6-5-4-2高速钢中钨的含量是

%。钨钼系高速钢的高温塑性比钨系高速钢

。YG类硬质合金牌号的数字越大，则其强度越

，硬度越

。YT类硬质合金牌号的数字越大，则其强度越

，硬度越

。钨系钨钼系6好高低低高各种硬质合金牌号的应用范围

牌号

合金性能

使用范围YG3X

是YG类合金中耐磨性能最好的一种，但抗冲击性能差

适用于铸铁、有色金属及其合金的精镗、精车等，亦可用于合金钢、淬火钢及钨、钼材料的精加工YG6X属细晶粒合金，其耐磨性较YG6高，而使用强度接近于YG6

适用于冷硬铸铁、合金铸铁、耐热钢及合金钢的加工，亦适用于普通铸铁的精加工，并可用于制造仪器仪表工业用的小型刀具和小模数滚刀YG6耐磨性较高，但低于YG6X、YG3X，韧性高于YG6X、YG3X，可使用较YG8为高的速度适用于铸铁、有色金属及合金与非金属材料连续切削的粗车，间断切削的半精车、精车、小端面精车，粗车螺纹，旋风车丝，连续断面的半精铣与精铣，孔的粗扩与精扩YG8

使用强度较高，抗冲击和抗振动性能较YG6好，耐磨性及允许的切削速度较低适用于铸铁、有色金属及其合金与非金属材料加工中不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、粗铣