刀具材料及选用策略

一、概述

1.刀具材料应具备的性能

在切削过程中，刀具切削部分不仅要承受很大的切削力，而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温，要保持刀具的切削能力，刀具应具备如下的切削性能。

1）高的硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。常温下一般应在HRC60以上。一般说来，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。耐磨性除与硬度有关外，还与刀具金相组织中碳化物的种类、数量、大小及分布情况有关。

2）足够的强度和韧性

刀具切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此，刀具材料必须要有足够的强度和韧性。一般用刀具材料的抗弯强度和冲击韧性值来反映材料强度和韧性高低。

3）良好的耐热性和导热性

刀具材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度，这是刀具材料必备的关键性能。耐热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。高温硬度是其重要指标，常用耐热温度表示。如高速钢约为600℃，硬质合金可达800℃～1000℃。

刀具材料的导热性越好，切削时产生的热量越容易传导出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。

4）良好的工艺性

为便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性。包括热加工性能（热塑性、可焊性、淬透性）和机械加工性能。

5）稳定的化学性能

这是提高刀具抗化学磨损的需要。刀具材料的化学性能越稳定，在高温、高压下，才能保持良好的抗扩散、抗氧化的能力。刀具材料与工件材料的亲和力小，则刀具材料的抗黏结性能好，黏结磨损小。

此外，刀具材料还应具有较好的经济性，以便于推广使用。同时应注意立足于国内的刀具材料。

2.刀具材料类型

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。各类刀具材料硬度与韧性如图4－2所示。一般硬度越高者可允许的切削速度越高，而韧性越高者可承受的切削力越大。

图4－2　各类刀具材料硬度与韧性

工具钢耐热性差，但抗弯强度高，价格便宜，焊接与刃磨性能好，故广泛用于中、低速切削的成形刀具，不宜高速切削。硬质合金耐热性好，切削效率高，但刀片强度、韧性不及工具钢，焊接刃磨工艺性也比工具钢差，多用于制作车刀、铣刀及各种高效切削刀具。

3.刀体材料

一般均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，可转位铣刀等的刀体可用合金工具钢制作，如9CrSi或GCr15等。

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，以提高刀具寿命和加工精度。

二、碳素工具钢与合金工具钢

碳素工具钢是含碳量较高的碳钢，含碳量为0.70%～1.35%。含碳量越高，硬度与耐磨性越好，但韧性越低。

碳素工具钢淬火后硬度为HRC60～64，与一般高速钢相近。但是，它的耐热性很差，当切削刃工作温度超过200℃～250℃时，硬度将急剧下降，失去切削能力。因此，碳素工具钢只能在8～10m／min的切削速度下工作。碳素工具钢的淬透性差，淬硬层薄（一般为3mm），且淬火时须在水中急速冷却，容易产生淬火变形和开裂。

在碳素工具钢中加入一定量的合金元素，如钨、铬、钼、钒、锰、硅等，即成为合金工具钢。这些钢淬火后的硬度达HRC60～65，与碳素工具钢差别不大，但耐热性稍高，300℃～400℃，因此切削速度可比碳素工具钢高20%左右。与碳素工具钢相比，它的主要优点是淬火变形小，淬透性高，适于制造要求热处理变形小的低速刀具。

三、高速钢

高速钢是在合金工具钢中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性，是目前应用最广泛的刀具材料。因刃磨时易获得锋利的刃口，又称“锋钢”。

高速钢有很高的强度，抗弯强度为一般硬质合金的2～3倍，韧性也高，比硬质合金高几十倍。高速钢的硬度为HRC63～69。热处理变形较小。更主要的优点是有较高的耐热性，在切削温度达500℃～650℃时，尚能进行切削。与碳素工具钢和合金工具钢相比，高速钢能提高切削速度1～3倍，提高耐用度10～40倍，切削中碳钢时，速度一般不大于30m／min，加工材料的硬度一般不大于HRC30。高速钢可加工性也很好，目前，高速钢是制造各种复杂刀具（如钻头、拉刀、成形刀具、丝锥、齿轮刀具等）的主要材料，可以加工从有色合金到高温合金的各种材料。

高速钢按用途不同，可分为普通高速钢和高性能高速钢。

常用高速钢的牌号及物理力学性能见表4－1。

表4－1　常用高速钢的牌号与性能

1.通用型高速钢

通用型高速钢应用最广，约占高速钢总量的75%。碳的质量分数为0.7%～0.9%，按含钨、钼量的不同分为钨系、钨钼系。主要牌号有以下3种：

1）W18Cr4V（18―4—1）钨系高速钢

18―4―1高速钢具有较好的综合性能。因含钒量少，刃磨工艺性好。淬火时过热倾向小，热处理控制较容易。缺点是碳化物分布不均匀，不宜做大截面的刀具；热塑性较差；又因钨价高，国内使用逐渐减少，国外已很少采用。

2）W6Mo5Cr4V2（6―5―4―2）钨钼系高速钢

6—5—4—2高速钢是国内外普遍应用的牌号。因一份Mo可代替两份W，这就能减少钢中的合金元素，降低钢中碳化物的数量及分布的不均匀性，有利于提高热塑性、抗弯强度与韧性。加入3%～5%质量分数的钼，可改善刃磨工艺性。因此6―5―4―2的高温塑性及韧性胜过18―4—1，故可用于制造热轧刀具，如扭制麻花钻等。主要缺点是淬火温度范围窄，脱碳过热敏感性大。

3）W9Mo3Cr4V（9—3—4—1）钨钼系高速钢

9—3—4—1高速钢是根据我国资源研制的牌号。其抗弯强度与韧性均比6―5―4―2好。高温热塑性好，而且淬火过热、脱碳敏感性小，有良好的切削性能。

2.高性能高速钢

高性能高速钢是指在通用型高速钢中增加碳、钒，添加钴或铝等合金元素的新钢种。其常温硬度可达HRC67～70，耐磨性与耐热性有显著的提高，能用于不锈钢、耐热钢和高强度钢的加工。

高碳高速钢的含碳量提高，以使钢中的合金元素能全部形成碳化物，从而提高钢的硬度与耐磨性，但其强度与韧性略有下降，目前已很少使用。

高钒高速钢是将钢中的钒的质量分数增加到3%～5%。由于碳化钒的硬度较高，可达到2800HV，比普通钢硬度高，所以一方面增加了钢的耐磨性，同时也增加了此钢种的刃磨难度。

钴高速钢的典型牌号是W2Mo9Cr4VCo8（M42）。在钢中加入了钴，可提高高速钢的高温硬度和抗氧化能力，因此能适用于较高的切削速度。钴在钢中能促进钢在回火时从马氏体中析出钨、钼的碳化物，提高回火硬度。钴的热导率较高，对提高刀具的切削性能是有利的。钢中加入钴尚可降低摩擦系数，改善其磨削加工性。

铝高速钢是我国独创的高生产率高速钢。典型的牌号是W6Mo5Cr4V2Al（501）。铝不是碳化物的形成元素，但它能提高W、Mo等元素在钢中的溶解度，并可阻止晶粒长大。因此，铝高速钢可提高高温硬度、热塑性与韧性。铝高速钢在切削温度的作用下，刀具表面可形成氧化铝薄膜，减少与切屑的摩擦和黏结。501高速钢的力学性能和切削性能与美国M42高性能高速钢相当，其价格较低廉，铝高速钢的热处理工艺要求较严。

3.粉末冶金高速钢

普通高速钢都是熔炼的方法制成的，而粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气，使熔化的高速钢钢液雾化，直接得到细小的高速钢粉末，在高温下压制成细密的钢坯，然后锻轧成钢材或刀具形状。这种高速钢具有细小均匀的结晶组织，具有良好的力学性能。抗弯强度、冲击韧度分别是熔炼高速钢的2倍和2.5～3倍，并具有良好的磨削性能和热处理工艺性。粉末冶金高速钢刀具可用于加工普通钢，也可用于加工不锈钢、耐热钢和其他特殊钢，刀具寿命可提高1～1.5倍，但造价昂贵。一般用来制作形状复杂的大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀等）及截面尺寸小、切削刃薄的成形刀具。

4.涂层高速钢

涂层刀具材料是在刀具材料（如高速钢或硬质合金）的基体上，涂覆一层几微米厚的高硬度、高耐磨性的金属化合物而制成的。这种刀具材料既具有基体的强度和韧性，又使表面有更高的硬度和耐磨性，性能优异。自20世纪60年代出现以来发展迅速，应用广泛。

涂层高速钢是用物理气相沉积法（PVD）在高速钢刀具基体上涂覆一薄层TiN而成的刀具材料。由于基体是强度、韧性较好的高速钢，表层是硬度和耐磨性很高的TiN涂层，同时TiN涂层有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数小，且与高速钢结合牢固，所以涂层高速钢刀具寿命比不涂层高速钢的刀具寿命提高2～10倍。目前涂层高速钢已在钻头、齿轮刀具、拉刀、丝锥等结构复杂刀具上广泛应用。

四、硬质合金

硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称黏结相）通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金刀具中常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等。常用的黏结剂是Co，碳化钛基的黏结剂是Mo、Ni。

硬质合金的物理力学性能取决于合金的成分、粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺。含高硬度、高熔点的硬质相越多，合金的硬度与高温硬度越高。含黏结剂越多，强度越高。合金中加入TaC、NbC有利于细化晶粒，提高合金的耐热性。常用的硬质合金牌号中含有大量的WC、TiC，因此硬度、耐磨性、耐热性均高于工具钢。常温硬度达到89～94HRA，耐热性达到800℃～1000℃。切削钢时，切削速度可达到220m／min左右。在合金中加入熔点更高的TaC、NbC，可使耐热性提高到1000℃～1100℃，切削钢时，切削速度可进一步提高到200～300m／min。

各类合金的ISO标准牌号见表4－2。

表4－2　ISO标准牌号

1.粉末涂层普通硬质合金

1）K类合金（冶金部标准YG类）

K类合金抗弯强度与韧性比P类高，能承受对刀具的冲击，可减少切削时的崩刃，但耐热性比P类差，因此主要用于加工铸铁、非铁材料与非金属材料。在加工脆性材料时切屑呈崩碎状。K类合金导热性较好，有利于降低切削温度。此外，K类合金磨削加工性好，可以刃磨出较锋利的刃口，故也适合加工非铁材料及纤维层压材料。

常用的牌号有：YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。数字表示Co含量的百分数，合金中含钴量愈高，韧性愈好，适于粗加工；钴含量少的用于精加工。

2）P类合金（冶金部标准YT类）（GB／T2075—1998标准中）

P类合金有较高的硬度，特别是有较高的耐热性，较好的抗黏结、抗氧化能力。它主要用于加工以钢为代表的塑性材料。加工钢时塑性变形大、摩擦剧烈、切削温度较高。P类合金磨损慢，刀具寿命高。合金中含TiC量较多者，含Co量就少，耐磨性、耐热性就更好，适合精加工。但TiC量增多时，合金导热性变差，焊接与刃磨时容易产生裂纹。含TiC量较少者，则适合粗加工。

常用的牌号有：YT5、YT15、YT30等，其中的数字表示碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量越高，则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。

P类合金中的碳化钛基类（TiC＋WC＋Ni＋Mo）（冶金部标准YN类），它以TiC为主要成分，Ni、Mo作黏结金属。适合高速精加工合金钢、淬硬钢等。

TiC基合金的主要特点是硬度非常高，达到90～93HRA，有较好的耐磨性。特别是TiC与钢的黏结温度高，使抗月牙洼磨损能力强。有较好的耐热性与抗氧化能力，在1000℃～1300℃高温下仍能进行切削。切削速度可达300～400m／min。此外，该合金的化学稳定性好，与工件材料亲和力小，能减少与工件摩擦，不易产生积屑瘤。

钛基硬质合金的英文名“Cermet”，这类合金常称之为“金属陶瓷”。

最早出现的金属陶瓷是TiC基合金，其主要缺点是抗塑性变形能力差，抗崩刃性差。现在已发展为以TiC、TiN、TiCN为基，且以TiN为主，因而使耐热冲击性及韧性都有了显著提高。

3）M类合金（冶金部标准YT类）（GB／T2075—1998标准中）

硬质合金中添加TaC、NbC后，能够有效提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化磨损的能力，从而提高了耐磨性。此外还能增强抗塑性变形的能力。因此，切削性能得以改善。

通常使用添加钽、铌的硬质合金，是为了提高硬质合金的耐磨性、抗冲击能力和使用中的通用性。

添加钽、铌的硬质合金分为两大类：

（1）WC＋TaC（Nb）＋Co类，即在YG类合金的基础上又加入了TaC、NbC。如株洲硬质合金厂研制的YG6A和YG8N就属于这类合金。

（2）WC＋TiC＋TaC（Nb）＋Co类，即在YT类合金的基础上又加入了TaC、NbC，用以加工钢料。个别牌号也能加工铸铁。这类合金品种繁多，常见的通用合金牌号YW1、YW2、YW3等。

常用硬质合金钢牌号及用途见表4－3。

表4－3　常用硬质合金钢牌号及用途

2.涂层普通硬质合金

通过化学气相沉积（CVD）等方法，在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiC或TiN、Al2O3等薄层，形成表面涂层硬质合金。这是现代硬质合金研制技术的重要进展。1969年，西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合金刀片初次投入市场。1970年后，美国、日本和其他国家也都开始生产这种刀片。三十余年来，涂层技术有了很大的进展。涂层硬质合金刀片由第一代、第二代已发展到第三代、第四代产品。

涂层硬质合金刀片一般均制成可转位的式样。用机夹方法装夹在刀杆或刀体上使用。它具有以下优点：

（1）由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与未涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。

（2）由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力有一定降低。

（3）涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。

（4）由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。

五、陶瓷

高速钢和硬质合金是应用最广泛的刀具材料，高速钢的主要化学成分是铁、碳和其他合金元素（W、Mo、Cr、V等），形成碳化铁与复合碳化物，具备切削刀具所需的性能。硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛、碳氮化钛及钴等。硬质合金的切削速度高于高速钢。在20世纪中，又出现了以氧化物、氮化硅为主要成分的刀具材料——陶瓷。

目前，陶瓷刀片的制造主要用热压法，即将粉末状在高温高压下压制成饼状，然后切割成刀片。另一法是冷压法，即将原材料粉末在常温下压制成坯，结成为刀片。热压法制品质量好，因此是目前陶瓷的主要制造方法。

不同种类的陶瓷刀具材料有着不同的应用范围。氧化铝系的陶瓷主要加工各种铸铁（灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁等）和各种钢料（碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬硬钢等）；也可以加工铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。不宜加工铝合金、钛合金，这是由于化学性质的原因。氮化硅系陶瓷不能加工出长屑的钢料（如正火、热轧状态），其余加工范围与氧化铝系陶瓷近似。

目前，陶瓷刀具材料主要应用于车削、镗削和端铣等精加工和半精加工工序。最适宜加工淬硬钢、高弹强度钢与高硬度铸铁，切削效果比硬质合金刀具有显著提高；加工一般硬度的钢材和铸铁，效果常不如上述显著。

六、超硬材料

超硬刀具材料指金刚石与立方氮化硼（CBN）。

1.金刚石

金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，显微硬度达10000HV。

金刚石刀具有三类：

（1）天然单晶金刚石刀具。天然单晶金刚石刀具主要用于非铁材料及非金属的精密加工。单晶金刚石结晶界面有一定的方向，不同的晶面上硬度与耐磨性有较大的差异，刃磨时需选定某一平面，否则影响刃磨与使用质量。

（2）人造聚晶金刚石（PCD）。人造金刚石是通过合金触媒的作用，在高温高压下由石墨转化而成。我国20世纪60年代就成功地获得第一颗人造金刚石。人造聚晶金刚石是将人造金刚石微晶在高温高压下再烧结而成，可制成所需形状尺寸，镶嵌在刀杆上使用。由于抗冲击强度提高，可选用较大切削用量。聚晶金刚石结晶界面无固定方向，可自由刃磨。

（3）金刚石烧结体。它是在硬质合金基体上烧结一层约0.5μm厚的聚晶金刚石。金刚石烧结体强度较好，允许切削断面较大，也能间断切削，可多次重磨使用。

金刚石刀具的主要优点是：

①有极高的硬度与耐磨性。

②有很好的导热性，较低的热膨胀系数。因此，切削加工时不会产生很大的热变形，有利于精密加工。

③刃面粗糙度较小，刃口非常锋利。因此，能胜任薄层切削，用于超精密加工。

聚晶金刚石主要用于制造刃磨硬质合金刀具的磨轮、切割大理石等石材制品用的锯片与磨轮。

金刚石（PCD）具有更高的硬度及其他优异性能，它所制作的刀具，应用范围更为广泛，可以加工各种难加工材料、非难加工材料：

对有色金属（主要对铜、铝及其合金）进行超精密切削加工；因为金刚石刀具，尤其是天然金刚石刀具，其切削刃可以磨得十分锋利，可以研磨出纳米级的钝圆半径。切削纯钨、纯钼；切削工程陶瓷、硬质合金、工业玻璃；切削石墨、各种塑料；切削各种复合材料，包括金属基与非金属基的材料、纤维加强和颗粒加强的材料；用于牙科、骨科所用的各种医疗器械工具；用于各种木材加工刀具和石材加工工具。

2.立方氮化硼（CBN）

立方氮化硼是由六方氮化硼（白石墨）在高温高压下转化而成的，是20世纪70年代发展起来的新型刀具材料。

立方氮化硼刀具的主要优点是：

（1）有很高的硬度与耐磨性，达到3500～4500HV，仅次于金刚石。

（2）有很高的热稳定性，1300℃时不发生氧化，与大多数金属、铁系材料都不起化学作用。因此能高速切削高硬度的钢铁材料及耐热合金，刀具的黏结与扩散磨损较小。

（3）有较好的导热性，与钢铁的摩擦系数较小。

立方氮化硼（CBN）的应用范围：切削各种淬硬钢，包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、模具钢等；切削各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂（焊）零件。