数控刀具知识

第2章刀具材料2.1刀具材料应具备的性能和种类2.2工具钢2.3高速钢2.4硬质合金2.5其他刀具材料2.6硬度知识说明第一页，共三十二页。2.1刀具材料应具备的性能和种类2.1.1刀具材料应具备的性能切削刀具需要的刀具材料特性1、具有充分的硬度、韧性2、要有能耐在切削中产生的切削抵抗、振动、冲击的强度3、具有不因切削热引起硬度低下的高温硬度4、容易热处理以及切削刀具成形5、有耐磨性2.1刀具材料应具备的性能和种类第二页，共三十二页。友情提示：在进行切削方面选择适合于被切削材料的刀具材料是最重要的。当使用了不适合的刀具材料时，异常的刀尖磨耗、刀尖缺损、被切削材料向刀具刀尖熔着和工件的硬化等等，坏的结果就会因此而发生。即使同种类成分不同性能也有差别，需要很好地理解各种各样刀具材料的特性，以最好的效率进行高品质的切削加工。2.1刀具材料应具备的性能和种类第三页，共三十二页。

注意：上述几项性能之间可能相互矛盾(如硬度高的刀具材料，其强度和韧性较低)。没有一种刀具材料能具备所有性能的最佳指标，而是各有所长。所以在选择刀具材料时应合理选用。

作为刀具材料高速钢的韧性最高，但其硬度最低；金刚石的硬度最高，但其韧性最低，硬度高、而且韧性也高的材料作为刀具材料是理想的，也是材料开发的目标2.1.2刀具材料的分类刀具材料可分为工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料(包括金刚石、立方氮化硼等)五大类。2.1刀具材料应具备的性能和种类第四页，共三十二页。2.2工具钢2.2.1碳素工具钢碳素工具钢是含碳量为0.65%～1.3%的优质碳素钢，常用钢号有T7A、T8A、T10A、T12A等。

特点：工艺性能良好，经适当热处理，硬度可达60HRC～64HRC，有较高的耐磨性，价格低廉。但热硬性差，在200℃～300℃时硬度开始降低，故允许的切削速度较低(5m/min～10m/min)。

应用：用于制造手用刀具、低速及小进给量的机用刀具。2.2工具钢第五页，共三十二页。2.2.2合金工具钢

特点：合金工具钢是在碳素工具钢中加入适当的合金元素铬(Cr)、硅(Si)、钨(W)、锰(Mn)、钒(V)等炼制而成的(合金元素总含量不超过3%～5%)，提高了刀具材料的韧性、耐磨性和耐热性。其耐热性达325℃～400℃，所以切削速度(10m/min～15m/min)比碳素工具钢提高了。

应用：用于制造细长的或截面积大、刃形复杂的刀具，如铰刀、丝锥和板牙等。2.2工具钢第六页，共三十二页。2.3高速钢高速钢是富含W、Cr、Mo(钼)、V等合金元素的高合金工具钢。在工厂中常称为白钢或锋钢。2.3.1高速钢的特点与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢的热硬性很高，在切削温度高达500℃～650℃时，仍能保持60HRC的高硬度，因此允许切削速度可提高l～2倍(25m/min～30m/min)。同时，高速钢还具有较高的耐磨性以及较高的强度和韧性。2.3高速钢第七页，共三十二页。与硬质合金相比，其最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。其退火硬度为207HBS-255HBS，与优质中、高碳钢的退火硬度相近，能够用一般材料刀具顺利切削加工出各种复杂形状；在加热状态下(900℃-1100℃)能反复锻打制成所需的毛坯；高速钢的抗弯强度是硬质合金的3～5倍，冲击韧性是硬质合金的6～10倍；经过仔细研磨，高速钢刀具钝圆半径可小于硬质合金，其锋利性比硬质合金优良。总之，高速钢的切削性能比工具钢好得多，而可加工性能又比硬质合金好得多。

应用：高速钢仍是世界各国制造复杂、精密和成形刀具的基本材料，是应用最广泛的刀具材料之一。2.3高速钢第八页，共三十二页。2.3.2常用高速钢材料的分类与性能及应用分类：普通高速钢、高性能高速钢和粉末冶金高速钢。1.普通高速钢

特点：工艺性能好，具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。可用于制造各种刃形复杂的刀具。切削普通钢料时的切削速度通常不高于40m/min～60m/min。普通高速钢又分为钨系高速钢和钨钼系高速钢两类。

2.3高速钢第九页，共三十二页。2.高性能高速钢高性能高速钢是在普通高速钢成分中再添加一些C、V、Co(钴)、Al(铝)等合金元素，进一步提高耐热性能和耐磨性。这类高速钢刀具的耐用度为普通高速钢的1.5～3倍。

应用：加工不锈钢、耐热钢、钛合金及高强度钢等难加工材料。

2.3高速钢第十页，共三十二页。

3.粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢：是将熔炼的高速钢液用高压惰性气体雾化成细小粉末，将粉末在高温高压下制成刀坯，或压制成钢坯然后经轧制(或锻造)成材的一种刀具材料。

特点：与熔炼高速钢相比，由于碳化物细小，分布均匀，热处理变形小，因此粉末冶金高速钢耐磨性好和可磨削性均得到显著改善。

应用：适于制造切削难加工材料的刀具，特别适于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。2.3高速钢第十一页，共三十二页。2.4硬质合金2.4.1硬质合金的组成与特点硬质合金是将一些难熔的、高硬度的合金碳化物微米数量级粉末与金属黏结剂按粉末冶金工艺制成的刀具材料。常用的合金碳化物有WC、TiC、TaC、Nb(铌）C等，常用的黏结剂有Co以及Mo、Ni（镍）等。硬质合金具有高硬度、高熔点和化学稳定性好等特点。因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性均超过高速钢，其缺点是抗弯强度低，冲击韧性差；由于硬质合金的常温硬度很高，很难采用切削加工方法制造出复杂的形状结构，故可加工性差。硬质合金的性能取决于化学成分、碳化物粉末粗细及其烧结工艺。2.4硬质合金第十二页，共三十二页。

硬质合金从常温到高温都兼备优秀的硬度（耐磨损性）以及强度，在ISO中被切削材料按用途大致被分为4种：P种、M种、K种、Z种。与高速钢比较热的耐磨损性优秀。但是因韧性差，刀尖容易有突发性缺陷或断损发生的缺点。

Z种也被称之为超微粒子超硬合金，所以这个缺点可完全改善，大幅度地提高韧性，改善了耐卷韧性、耐缺损性。在超硬合金的母材上实施涂层的技术，进一步提高了性能。所以可以切削难切削材料高硬度钢材等，另外在高速加工中心中也增大了使用，在提高刀具寿命方面也发挥了效果。第十三页，共三十二页。2.4.2常用硬质合金的分类、性能及应用硬质合金按化学成分可分为四类：钨钴类(YG类)、钨钴钛类(YT类)、含添加剂的硬质合金(YW类)、TiC基硬质合金(YN类)。其中前面三类的主要成分为WC，可统称为WC基硬质合金。(1)钨钴类硬质合金。YG3、YG6X和YG8等。YG代表钨钴类硬质合金，后面数字表示Co的含量，细颗粒的硬质合金有较高的抗弯强度和耐磨性。其中我们经常使用的YG6的刀片相当于ISO标号中的K20，主要用于加工铸铁（连续切削粗加工、间断切削半精、精加工）

应用：加工形成短切屑的铸铁、有色金属及非金属等脆性材料。加工铸铁等脆性材料时，切屑呈崩碎状，对切削刃的冲击较大，切削力与切削热都集中在刀尖附近。而YG类硬质合金抗弯强度和韧性及导热性较高，故可满足要求。2.4硬质合金第十四页，共三十二页。(2)钨钴钛类硬质合金。YT5、YT14、YT15、YT30等。YT表示钨钴钛类硬质合金，数字表示TiC的含量。与YG类硬质合金相比，YT类硬质合金中由于含有硬度较高的TiC，故该类硬质合金的硬度、耐磨性和抗氧化能力较高，但其导热性能、抗弯强度和韧性、可磨削性和可焊性却有所降低。其中我们经常使用的YT14的刀片相当于ISO标号中的P20，YT15相当于P10，YT15与YT14性能接近，YT15（91HRA）硬度稍大YT14（89.5HRA)。

应用：加工形成长屑的钢材等塑性材料，适于加工碳钢及合金钢。

注意：当加工淬硬钢、高强度钢和奥氏体不锈钢等难加工材料时，由于切削力大，且集中在切削刃附近，如选用YT类硬质合金易造成崩刃，故选用YG类硬质合金更为合适。2.4硬质合金第十五页，共三十二页。(3)含添加剂的硬质合金。是在YG类、YT类硬质合金的基础上加入适当的添加剂(合金碳化物TaC、NbC)所形成的硬质合金新品种。如：YA6、YW1和YW2等几种，其中YW类又称为通用硬质合金。其中我们经常使用的YW3的刀片相当于ISO标号中的M20。

特点：有更高的硬度、高温硬度、韧性和耐磨性。

应用：用于钢料和难加工材料的半精加工和精加工。也可用于加工铸铁(4)TiC基硬质合金。TiC基硬质合金是以TiC为主体，Ni与Mo为黏结剂，并加入少量其他碳化物而形成的一种硬质合金。如：YN10和YN05。其具有比WC基硬质合金更高的耐磨性、耐热性和抗氧化能力，但热导率低和韧性较差。

应用：适用于工具钢的半精加工和精加工及淬硬钢的加工。2.4硬质合金第十六页，共三十二页。(5)超微粒子超硬合金（Z种）超微粒子超硬合金具有主成分为WC，极其细小平均粒径在1ūm以下因此比同样硬度的普通的超硬合金也可得到更高的强度，即使在高速钢刀具的切削条件领域也能发挥高的性能

应用：适用于不能得到高的切削速度的小径的立铣刀、小径钻头、铰刀、丝锥等的工具说明：超微粒子硬质合金若与同样硬度的通常的超硬合金比较的话抗折强度高，若与同样抗折强度的普通硬质合金相比较的话硬度高。切削速度：作为使用用途大致目标超硬合金切削速度在50m/min以上，超微粒子超硬合金需要不到50m/min的切削速度最合适。第十七页，共三十二页。超硬合金的成分和作用表

因子给予超硬合金性质的影响钴的量1、作为结合材料被采用，硬度为200HV(软）2、钴的含量越多，压缩强度和纵向弹性率越低，耐冲击性越高WC的粒度1、如果钴的含有量一定的话，WC的粒径越小，硬度越高2、弯曲强度将某个粒径作为最高点，比其大或比其小都是低下3、WC的强度在2100HV非常高添加碳化物1、TiC使硬度和耐磨损性提高，但是弯曲强度和耐积削性下降2、减少TiC的粒径，可使耐积削性提高，改善超硬合金的耐氧化性。第十八页，共三十二页。普通的超硬合金的切削条件表(以端面铣刀为例)

被切削材料切削速度(m/min)每转进给(mm/rev)切深(mm)普通铸铁80-2200.30<=10合金铸铁60-1500.30<=5软钢120-2200.30<=6中钢100-2000.30<=8硬钢30-800.20<=2第十九页，共三十二页。2.5其他刀具材料2.5.1陶瓷材料陶瓷材料是以氧化铝为主要成分在高温下烧结而成的。如：纯Al2O3陶瓷和TiC-Al2O3混合陶瓷两种。

优点：有很高的硬度和耐磨性；有很好的耐热性，在1200℃高温下仍能进行切削；有很好的化学稳定性和较低的摩擦因数，抗扩散和抗黏结能力强。

缺点：强度低、韧性差，抗弯强度仅为硬质合金的1/3～1/2；导热系数低，仅为硬质合金的1/5～1/2。

应用：钢、铸铁及塑性大的材料(如紫铜)的半精加工和精加工，对于冷硬铸铁、淬硬钢等高硬度材料加工特别有效；但不适于机械冲击和热冲击大的加工场合。2.5其他刀具材料第二十页，共三十二页。2.5.2金刚石有三种：天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具和金刚石复合刀具。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上烧结上一层厚度约0.5mm的金刚石，形成了金刚石与硬质合金的复合刀片。

特点：很好的耐磨性，用于加工硬质合金、陶瓷和高铝硅合金等高硬度、高耐磨材料，刀具耐用度比硬质合金提高几倍甚至几百倍；金刚石有非常锋利的切削刃，能切下极薄的切屑，加工冷硬现象较少；金刚石抗黏结能力强，不产生积屑瘤，很适于精密加工。但其耐热性差，切削温度不得超过700℃～800℃；强度低、脆性大，对振动很敏感，只宜微量切削；与铁的亲合力很强，不适于加工黑色金属材料。

应用：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切削。2.5其他刀具材料第二十一页，共三十二页。说明：对铁系材料的切削不能使用。因为金刚石的成分的碳元素与铁系材料反应结合，就会脱落。对含有高硅的铝合金、玻璃钢等含有硬质粒、硬质纤维类的被切削材料特别有效。比如切削含Si量16%以上的铝合金切削速度为200-600m/min,切深为0.05-0.20mm,一转进给0.05-0.20mm/rev第二十二页，共三十二页。2.5.3立方氮化硼立方氮化硼(CBN)是由立方晶氮化硼（CBN）的微结晶粒与特殊陶瓷结合材料在超高温下致密地烧硬的刀具材料，是20世纪70年代出现的新材料，硬度高达8000HV～9000HV，仅次于金刚石，耐热性却比金刚石好得多，在高于1300℃时仍可切削，且立方氮化硼的化学惰性大，与铁系材料在1200℃～1300℃高温下也不易起化学作用。为此能够对于耐热合金和淬火后的高合金钢等等的硬度为40HRC以上的硬材料的精加工和镍铬铁耐热耐蚀合金等等的难切削材料用150m/min以上的切削速度切削，精加工面也很好，发挥很多的优秀性能。

2.5其他刀具材料第二十三页，共三十二页。特征：

1、最适用于以前依赖于研磨加工的淬火钢等等的高硬度材料

2、最适用于硬质钢铁材料的冷硬钢、高硬度铸铁等等

3、对耐热合金镍铬铁耐热耐蚀合金等难切削材料也显示高性能

4、在铸铁的高速精加工中，实现了刀具的长寿命化

应用：立方氮化硼作为一种新型超硬磨料和刀具材料，用于加工钢铁等黑色金属，特别是加工高温合金、淬火钢和冷硬铸铁等难加工材料，具有非常广阔得发展前途。

在我们公司目前使用的CBN刀片主要是用来加工KA20CB吸气端油缸孔，LG系列油缸体，切削速度为200-300m/min,切深为0.1-0.25mm,一转进给0.05-0.15mm/rev，好的CBN刀片切削速度为500-600m/min。第二十四页，共三十二页。2.5.4涂层刀片涂层刀片是在韧性和强度较高的硬质合金或高速钢的基体上，采用化学气相沉积(CVD)、物理化学气相沉积(PVD)、真空溅射等方法，涂覆一薄层(5～12)颗粒极细的耐磨、难熔、耐氧化的硬化物(TiC、TiN、TiC-Al2O3)后获得的新型刀片。具有较高的综合切削性能，能够适应多种材料的加工。2.5其他刀具材料第二十五页，共三十二页。2.6硬度知识说明硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。1.布氏硬度(HB)

以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2(N/mm2)。

2.洛氏硬度(HR)

当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：

HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。

第二十六页，共三十二页。HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。

HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。

3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HV值(kgf/mm2)。

『HK=139.54·P/L2。式中：HK－努普硬度，Mpa；P－荷重，kg；L－凹坑对角线长度，mm。我国和欧洲各国采用维氏硬度，美国则采用努普硬度。兆帕（MPa）是显微硬度的法定计量单位，而kg/mm2是以前常用的硬度计算单位。它们之间的换算公式为1kg/mm2=9.80665Mpa。

第二十七页，共三十二页。硬度換算公式:

1.肖氏硬度(HS)=勃式硬度(BHN)/10+12

2.肖式硬度(HS)=洛式硬度(HRC)+15

3.勃式硬度(BHN)=洛克式硬度(HV)

4.洛式硬度(HRC)=勃式硬度(BHN)/10-3

硬度測定範圍:

HS<100

HB<500

HRC<70

HV<1300

(80~88)HRA,(85~95)HRB,(20~70)HRC

实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。但各种材料的换算关系并不一致。

第二十八页，共三十二页。小结本章主要内容是刀具材料应具备的性能、常用刀具材料的种类以及常用刀具的牌号、特点、性能和应用。刀具材料应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、经济性。工具钢包括碳素工具钢和合金工具钢。碳素工具钢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。第二十九页，共三十二页。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。与碳素工具钢、合金工具钢相比，高速钢还具有较高的硬度、耐磨性