《金属切削与机床》课件第2章

第2章刀具材料2.1刀具材料的性能及分类

2.2高速钢

2.3硬质合金

2.4其他刀具材料

2.1刀具材料的性能及分类

刀具材料一般是指刀具切削部分的材料，其切削性能直接影响着切削效率、加工精度以及刀具寿命。

2.1.1刀具材料的性能

金属切削时刀具切削部分直接与工件及切屑接触，承受着巨大的切削压力和冲击，受到工件及切屑的剧烈摩擦，会产生很高的切削温度。因此，刀具材料应具备以下基本性能。

(1)高的硬度。刀具切削部分材料的硬度应高于工件材料的硬度，一般在常温下刀具硬度应高于60HRC。

(2)高的耐磨性。刀具材料耐磨性是指刀具抵抗磨损的能力。刀具硬度越高，耐磨性就越好；耐磨性越好，磨损量就越小；磨损量小，则切削时间长，耐用度就越高。

(3)足够的强度和韧性。刀具切削部分的材料承受着切削力、冲击和振动，因此刀具应具有足够的强度和韧性，以保证在正常切削条件下不至于崩刃或断裂。

(4)高的耐热性。刀具耐热性是指高温下切削部分保持常温硬度的性能。一般用红硬性表示。耐热性差的刀具材料，由于高温下硬度显著下降，很快会丧失切削能力。

(5)良好的工艺性。刀具材料应具有良好的可加工性，包括锻造、焊接、切削加工、热处理、可磨性等。

2.1.2刀具材料的分类

刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料五大类。其中，应用最多的是高速钢和硬质合金。据统计我国目前高速钢用量约占刀具材料的60%左右，硬质合金的用量约占30%以上。随着难加工材料应用的增加，陶瓷刀具和超硬材料刀具的使用量正在日益增长。表2-1列举了常见刀具材料的种类及物理力学性能。表2-1主要刀具材料的物理力学性能2.1.3刀体材料

刀体一般均采用普通碳钢或合金钢制作，如焊接车刀、镗刀、钻头、铰刀的刀柄。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，如螺纹刀具、成形铣刀、拉刀等。

机夹、可转位硬质合金刀具、镶硬质合金钻头、可转位铣刀等工具的刀体可用合金工具钢制作。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，为保证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质合金制作，以提高刀具的寿命和加工精度。

2.2高速钢

高速钢是一种含钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素较多的工具钢。高速钢是综合性能较好、应用范围最广的一种刀具材料。高速钢按用途可分为普通型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。下面分类介绍高速钢的主要成分、性能及其选用。2.2.1普通高速钢

普通高速钢分为钨系高速钢和钼系高速钢：

1.钨系高速钢

钨系高速钢的典型牌号有W18Cr4V,即含W18%、Cr4%、V1%。钨系高速钢有较好的综合性能，淬火后硬度为60～65HRC，耐热性为620℃左右，广泛用于制造各种复杂刀具。其主要缺点是碳化物分布不均匀，热塑性差，不能用热成形方法制造刀具。

2.钼系高速钢

钼系高速钢是将钨系高速钢中的一部分钨以钼代替而得名。典型牌号W6Mo5Cr4V2，即含W6%、Mo5%、Cr4%、V2%。钼系高速钢的碳化物分布细小、均匀，具有良好的机械性能，强度和韧性比W18Cr4V高，可制造尺寸较大，承受冲击力的刀具。其突出优点是热塑性好，适用于热成形制造刀具，主要缺点是热处理时脱碳倾向大，较易氧化，淬火范围较窄。2.2.2高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢中加入钴、铝、钒等合金元素。典型牌号有高碳高速钢9W18Cr4V、高钒高速钢W6Mo5CrV3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8等。按其耐热性又称高热稳定性高速钢，在630～650℃时硬度仍保持60HRC,具有更好的切削性能，耐用度较普通高速钢高1.3～3倍。此类高速钢主要用于对高温合金、钛合金、不锈钢、超高强度钢等难加工材料的切削。2.2.3粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是把炼好的高速钢水置于保护气罐中，用高压氩气或氮气雾化成细小粉末，然后在高温(1100℃)、高压(100MPa)下制成致密的钢坯，再锻轧成材或刀具形状。

粉末冶金高速钢有效地解决了一般熔炼高速钢时，铸锭产生粗大碳化物共晶偏析的问题，能得到细小的结晶组织，具有良好的机械性能。其强度和韧性分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍，耐磨性提高了20%～30%，热处理变形小，加工性好。适合于制造难加工材料的刀具、大尺寸刀具、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具和在高压动载荷下使用的刀具。

2.3硬质合金

2.3.1常用硬质合金的分类、性能

1.YG(K)类合金

YG类合金，即WC+Co类硬质合金，牌号有YG6、YG8、YG3X、YG6X等，硬度为89～91.5HRA，抗弯强度为1.1～1.5GPa，组织有粗晶粒、中晶粒、细晶粒、超细晶粒之分。此类合金具有较高的抗弯强度和韧性，好的导热性，但耐热性和耐磨性较差。

2.YT(P)类合金

YT类合金，即WC+TiC+Co类硬质合金，牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等，硬度为89.15～92.5HRA，抗弯强度为0.9～1.4GPa。与YG相比，其硬度、耐磨性、红硬性增大，粘结温度高，抗氧化能力强，且在高温下会生成TiO2,减少粘结。但导热性能较差，抗弯强度低。

3.YW(M)类合金

YW类合金，即WC+TiC+TaC+Co类硬质合金，在YT类合金中添加TaC(NbC)可提高抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。由于既可用于加工钢件，又可加工铸铁及有色金属，故有通用硬质合金之称，常用牌号YW1、YW2等。

4.YN(P01)类合金

YN类合金即TiC基硬质合金，以TiC为主要成分，Ni、Mo作粘结金属。因TiC在所有碳化物中硬度最高，所以此类合金硬度高达90～95HRA，且有较高的耐磨性和抗月牙洼磨损的能力和有较好的耐热性和抗氧化能力，在1000～1300℃高温下仍能切削。切削速度可达300～400m/min。此外，该合金化学稳定性好，与工件材料亲和力小、摩擦系数小、抗粘结能力强。2.3.2硬质合金的选用

硬质合金的选择一般应注意以下几点：

(1)加工铸铁等脆性材料时，应选择YG类硬质合金。切削脆材料时为崩碎切屑，切削力和切削热集中在刃口附近，并有一定的冲击，因此刀具材料应具有好的强度、韧性及导热性。YG类硬质合金磨削加工性好，切削刃能磨得较锋利，也适合加工有色金属。

(2)加工钢件等韧性材料时，应选择YT类硬质合金。切削韧性材料时切屑为带状，切削力较平稳，但与前刀面摩擦大，切削区平均温度高，因而刀具材料要有较高的高温硬度、较高的耐磨性、较高的抗粘结性和抗氧化性。在低速切削钢件时，由于切削温度较低，YT韧性较差，容易产生崩刃,刀具耐用度反而不如YG类硬质合金。同时，YT类硬质合金也不适合于切削含Ti元素的不锈钢等。

(3)切削淬硬钢、不锈钢和耐热钢时，应选用YG类硬质合金。因为切削这类钢时切削力大，切削温度高，切屑与前刀面接触长度短，使用脆性大的YT类硬质合金容易崩刃，因此宜用韧性较好，导热系数较大的YG类硬质合金。但其红硬性不如YT类，因此应适当降低切削速度为宜。

(4)粗加工时，应选择含钴量较高的硬质合金；精加工时，应选择含钴量低的硬质合金。

表2-2列出了常用硬质合金的牌号及应用范围。表2-2常用硬质合金的牌号及应用范围

2.4其他刀具材料

2.4.1陶瓷

制作刀具的陶瓷材料是以人造化合物为原料，在高压下成形，在高温下烧结而成的。它有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3～5倍。但陶瓷的最大弱点是抗弯强度低，冲击韧性差，因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。按成分陶瓷可分为以下几种：

(1)高纯氧化铝陶瓷：主要成分为氧化铝(Al2O3)及微量用于细化晶粒的氧化镁MgO，经冷压烧结而成，硬度为92～94HRA，抗弯强度为0.392～0.491GPa。

(2)复合氧化铝陶瓷：在Al2O3基体中添加诸如TiC、Ni和Mo等合金元素，经热压成形，硬度达到93～94HRA，抗弯强度为0.589～0.785GPa。

(3)复合氮化硅陶瓷：在Si3N4基体中添加TiC和Co，进一步提高了切削性能，可对冷硬铸铁、合金铸铁进行粗加工。2.4.2超硬材料

1.金刚石

金钢石分天然和人造两种，都是碳的同素异型体。人造金刚石是在高温、高压条件下由石墨转化而成的，硬度为10000HV。

金刚石刀具能精密切削有色金属及其合金，能切削高硬度的耐磨材料。金刚石与铁原子有较强的亲和力，因此不能切削钢铁等黑色金属。当温度达800℃时，在空气中金刚石刀具即发生碳化，就会产生急剧磨损。

2.立方氮化硼

立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压条件下加入催化剂转变而成的。其硬度高达8000～9000HV，耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性比金刚石大，因此可对高温合金、淬硬钢，冷硬铸铁进行半精加工和精加工。2.4.3涂层刀片

为提高刀具(刀片)表面硬度和改善耐磨性、润滑性，通过化学气相沉积和真空溅射等方法，在硬质合金刀片表面喷涂一层厚度为5～12μm以下的TiC、TiN或Al2O3等化合物材料。涂层刀具有较高的抗氧化性能和粘结性能，因而有高的耐磨性和抗月牙洼型磨损的能力；摩擦系数较低，可降低切削力和切削温度，从而提高刀具的耐用度。具体如下：

(1)TiC涂层刀片：硬度可达3200HV，呈银灰色，