刀具的材料及其應具備（bèi）的性能

刀具材料是決定刀具切削性能的根本因素，對於加工效率、加工質量、加工成本以及刀具耐用（yòng）度影響很大（dà）。使用碳工（gōng）具鋼（gāng）作為刀具材料時（shí），切削速度隻有10m/min左右;20世紀初出現了（le）高速鋼刀具材料，切削速（sù）度提高到每分（fèn）鍾幾十米（mǐ）;30年代出現了硬質合金，切（qiē）削速度提高到每分鍾一百多（duō）米至幾百米（mǐ）;當前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出現，使切削速度（dù）提高到每分鍾一千米以上;被加工材料的發展也（yě）大大地推動了刀具材料（liào）的發展。

　　一 刀具（jù）材（cái）料（liào）應具備的（de）性能

　　性（xìng）能優良的刀具材料，是保證刀具高效（xiào）工作的基本條件。刀具切削部分在強烈摩擦、高壓、高溫下工作，應具備如下的基本（běn）要求（qiú）。

　　高硬度和高耐磨性

　　刀（dāo）具材（cái）料的硬（yìng）度必須高於被（bèi）加工材料的硬度（dù）才能切下金屬，這是刀具材料必備的（de）基（jī）本要求，現有（yǒu）刀具材料（liào）硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但（dàn）由於切削（xuē）條件較複雜，材料（liào）的耐磨性還決定於它的化學成分和金相組織的穩定性。

　　足夠的強度與衝擊韌（rèn）性

　　強（qiáng）度是指抵抗切削力的作用而不致於刀刃崩碎與刀杆（gǎn）折斷所應具備的性能。一般用抗彎強（qiáng）度來表示。

　　衝擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有衝（chōng）擊的工（gōng）作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，衝擊韌性越低，材料（liào）越脆。硬度和（hé）韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應克服的一個關鍵。

　　高耐熱性

　　耐熱性又（yòu）稱紅硬性，是衡量（liàng）刀具材（cái）料性能的主要指標。它綜合反映（yìng）了（le）刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性（xìng）、強度、抗氧（yǎng）化、抗粘結和（hé）抗擴散的能（néng）力。

　　良好（hǎo）的工藝性和經（jīng）濟性

　　為了便於（yú）製造，刀具材料應有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削（xuē）加工性能。當然在製造和選用（yòng）時應綜合考慮（lǜ）經濟性（xìng）。當前超硬（yìng）材料及塗層刀具材料費用都較貴，但其使用（yòng）壽命很長，在成批大量生產中，分攤到每個零件中的（de）費用反而有所降低。因此在選用時一定要綜合考慮（lǜ）。

　　二 常用刀具材料

　　常（cháng）用刀具材料有工具鋼、高速（sù）鋼、硬質合金、陶瓷和（hé）超硬刀具材料，目前用得最多的（de）為（wéi）高速鋼（gāng）和硬質合金（jīn）。

　　高速鋼

　　高速鋼是一種（zhǒng）加人（rén）了較多的鎢、鉻、釩、相等合（hé）金元素的（de）高（gāo）合金工具鋼，有良好的綜合性能。其強度和韌性是現有刀具材料中的。高（gāo）速鋼的製造工藝簡單，容（róng）易刃磨成鋒利的切削刃;鍛造、熱處理變形小，目（mù）前（qián）在複雜的刀具，如麻花鑽、絲錐、拉刀、齒輪刀具和成形刀具製造（zào）中，仍占有主要地位。

　　高速鋼可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。

　　普通高速鋼，如W18Cr4V廣泛用於製造（zào）各種複雜刀具。其切削速度一般不太高，切削普（pǔ）通鋼（gāng）料時為40-60m/min。

　　高性能高速鋼，如W12Cr4V4Mo是在普（pǔ）通高速鋼中再增（zēng）加一些含碳量、含釩量及添加鈷、鋁等元素冶煉而成的。它的耐用度為普通高速鋼（gāng）的1.5-3倍。

　　粉末冶金高速鋼是70年代投入市場的一種高速鋼，其強度與韌性分別提高30%-40%和80%-90%.耐用度可提高2-3倍。目前我國尚處於試驗研究階段，生產和使用尚少（shǎo）。

　　硬質合金

　　按（àn）GB2075—87(參照采用190標準（zhǔn）)可分為P、M、K三類，P類硬質合金主要用於加工（gōng）長切屑（xiè）的黑色金屬，用藍色作標誌;M類主要用於加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標誌，又稱通用硬質合金，K類主（zhǔ）要用於加工短切屑的黑色金（jīn）屬（shǔ）、有色金屬和非金（jīn）屬材料，用紅色作標誌（zhì）。

　　P、M、K(後麵的阿拉伯數（shù）字表示其（qí）性能和加工時承受載荷的情況或加工條件（jiàn）。數字愈小，硬度愈高，韌性愈差。

　　P類相當於（yú）我國原鎢鈦（tài）鑽類，主要成分為WC+TiC+Co，代號為（wéi）YT。

　　K類相當於我國原鎢鑽類，主要成（chéng）分為WC+Co，代號為YG。

　　M類相當於我國原鎢鈦鉭（tǎn）鈷類（lèi）通用（yòng）合金（jīn），主要成分為WC+TiC+TaC(NbC)+Co，代號為YW。

　　三 塗層刀具簡（jiǎn）述（shù）

　　塗（tú）層刀具是近20年出現的一種新型刀具材料，是刀具發（fā）展中的一項重要突破，是解決刀具材料（liào）中硬度、耐磨與強度、韌性之間（jiān）矛盾的一個有效措施。塗層刀具是在一些韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具基體上，塗覆一（yī）層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的（de）塗層材料有TiC、TiN和Al2O3等。本世紀70年代初首次在硬質合金基體（tǐ）上塗覆一層（céng）碳化鈦(TiC)後，把普通硬質合金的切削速度從80m/min提（tí）高（gāo）到180m/min。1976年又出現了（le）碳化鈦—氧化鋁雙塗層硬質合金，把切削速度（dù）提高到250m/min。1981年又出現了碳化鈦-氧化（huà）鋁-氮（dàn）化（huà）鈷三塗層硬（yìng）質合金，使（shǐ）切削速度提（tí）高到300m/min。

　　在高速鋼基體（tǐ）上刀具塗（tú）層多為TiN，常用物理氣相（xiàng）沉積法(PVD法)塗覆，一般用於鑽頭、絲錐、銑（xǐ）刀、滾刀等複雜刀具上，塗層厚度為幾微米，塗層硬度可達80HRC，相當（dāng）於一般硬質合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20%-40%。

　　硬質合金的塗層（céng）是在韌性較好的硬質合金基（jī）體上，塗覆一層幾微米至十幾（jǐ）微米（mǐ）厚的（de）高耐磨、難熔化的金屬化（huà）合物，一般采用化學氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬（yìng）質合金（jīn）廠生產的塗層硬（yìng）質合金的塗層厚度可（kě）達9µm，表麵硬度可達2500-4200HV。

　　目前各工業發達國家對塗層刀具的研究和推廣使用方麵發展非常迅速。處於領（lǐng）先地位的（de）瑞典，在車削上使用塗層硬質合金刀片已占（zhàn）到70%-80%，在（zài）銑削（xuē）方麵已達到50%以上。但是塗層刀具不適宜加工高溫合（hé）金、鈦合金及非（fēi）金屬材料，也不適宜粗加工有夾砂、硬皮的鍛鑄件。

　　四 金剛石刀具

　　金剛石刀具分為天然金剛石（shí）和人造金（jīn）剛石刀具。天然（rán）金剛石具有自然界物質中的硬度和導熱係數c但由於（yú）價（jià）格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少（shǎo）數（shù）特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工)，很少作為切（qiē）削工具應用在工業中。隨著高技術和超精（jīng）密加工日益發展。例如微型機械的微型（xíng）零件，原子核反應堆及其（qí）它高技術領域的各種（zhǒng）反射鏡、導彈或火箭中的導航陀螺（luó），計算機硬盤芯（xīn）片、加速器電子槍等超精密零件的加工，單晶大然金（jīn）剛石能滿足上述要求。近年來開發了多種（zhǒng）化學（xué）機理研磨金剛石刀具（jù）的方法和保護氣（qì）氛釺焊金剛石（shí）技術.使天然（rán）金剛石刀具（jù）的製造過程變得比較簡易.因此，在超精密鏡麵切削的高技術應用（yòng）領（lǐng）域.天然金剛石起到了重要作用（yòng）。

　　20世紀（jì）50年代利用高（gāo）溫高壓技術人工合（hé）成金剛石粉以後，70年（nián）代製造出金剛石基的切削刀（dāo）具即聚晶金剛石(PCD)。PCD晶粒呈無許許序（xù）排（pái）列狀態.不具方向性，因而硬度均勻。它（tā）有很高的硬度和導熱性，低的熱脹係數。高的彈性模量和較低的摩擦係數，刀刃非常鋒利。它可加（jiā）丁各（gè）種有色（sè）金屬和極耐磨的高性能非金屬材（cái）料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬（shǔ）基複合材料、木材複合材料等。

　　三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為（wéi）：PCD焊接性、機（jī）械磨削性和斷裂韌性，抗磨損性和刃口質量（liàng）居中，抗腐蝕（shí）性最差。CVD厚膜抗（kàng）腐蝕性，機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性（xìng）和抗磨損性（xìng）居中，可焊接性差，人工合成單晶金剛石刃口質量、抗磨損性和抗腐蝕性（xìng），焊接（jiē）性、機械磨削性（xìng）和（hé）斷裂韌性最差。

　　金剛石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想（xiǎng）的刀具材料，但由於碳（tàn）對鐵的親和作用，特別（bié）是在高溫下，金剛石能與鐵發生化學反應，因此它不（bú）宜於切削鐵（tiě）及其合金工件。

　　五 立（lì）方（fāng）氮化硼

　　立方氮化硼(CBN)是（shì）純人工合成的材料。它是20世紀50年（nián）代末用製（zhì）造（zào）金剛（gāng）石相（xiàng）似的方（fāng）法合（hé）成的第（dì）二種超硬材料——CBN微粉。由（yóu）於CBN的燒結性能很差，直至70年代才製成立方氮化硼結塊(聚晶（jīng）立方氮（dàn）化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結（jié）相(Co、Ni或（huò）TiN、TiC或Al2O3)在（zài）高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致（zhì）密相，有很高的硬度（dù）(僅次於金剛石)和（hé）耐熱性(1300、1500度)，優良的化學穩定件(遠優於金剛石)和導熱性，低（dī）的摩擦係數。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以（yǐ）它是高（gāo）速切削黑色金屬較理想的刀具材料。