刀具材料及其選用

    刀具材料及其選用：刀具材料主要指刀具切削部分的材料。刀具切削性能的優(yōu)劣，直接影響著生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和生產(chǎn)成本。而刀具的切削性能，首先取決于切削部分的材料；其次是幾何形狀及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計是否合理。

一、對刀具材料的基本要求

    在切削過程中，刀具切削部分不僅要承受很大的切削力，而且要承受切屑變形和摩擦產(chǎn)生的高溫，要保持刀具的切削能力，刀具應(yīng)具備如下的切削性能。

1．高的硬度和耐磨性

    刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度。常溫下一般應(yīng)在HRC60以上。一般說來，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。

2．足夠的強(qiáng)度和韌性

    刀具切削部分要承受很大的切削力和沖擊力。因此，刀具材料必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性。

3．良好的耐熱性和導(dǎo)熱性

    刀具材料的耐熱性是指在高溫下仍能保持其硬度和強(qiáng)度，耐熱性越好，刀具材料在高溫時抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強(qiáng)。刀具材料的導(dǎo)熱性越好，切削時產(chǎn)生的熱量越容易傳導(dǎo)出去，從而降低切削部分的溫度，減輕刀具磨損。

4．良好的工藝性

    為便于制造，要求刀具材料具有良好的可加工性。包括熱加工性能（熱塑性、可焊性、淬透性）和機(jī)械加工性能。

5．良好的經(jīng)濟(jì)性

二、常用刀具材料

    刀具材料的種類很多，常用的有工具鋼包括：碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。

碳素工具鋼和合金工具鋼，因耐熱性很差，只宜作手工刀具。

    陶瓷、金剛石和立方氮化硼，由于質(zhì)脆、工藝性差及價格昂貴等原因，僅在較小的范圍內(nèi)使用。

目前最常用的刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金。

1．高速鋼

    是在合金工具鋼中加入較多的鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼。它具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐熱性，是目前應(yīng)用最廣泛的刀具材料。因刃磨時易獲得鋒利的刃口，又稱“鋒鋼”。

高速鋼按用途不同，可分為普通高速鋼和高性能高速鋼。

1）普通高速鋼 普通高速鋼具有一定的硬度（62～67 HRC）和耐磨性、較高的強(qiáng)度和韌性，切削鋼料時切削速度一般不高于50~60m/min，不適合高速切削和硬材料的切削。常用牌號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。2）高性能高速鋼 在普通高速鋼中增加碳、釩的含量或加入一些其它合金元素而得到耐熱性、耐磨性更高的新鋼種。但這類鋼的綜合性能不如普通高速鋼。常用牌號有9W18Cr4V 、9W6Mo5Cr4V2、 W6Mo5Cr4V3等。

2．硬質(zhì)合金

    硬質(zhì)合金是由硬度和熔點都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其常溫硬度可達(dá)78～82 HRC，能耐850～1000℃的高溫，切削速度可比高速鋼高4～10倍。但其沖擊韌性與抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)比高速鋼差，因此很少做成整體式刀具。實際使用中，常將硬質(zhì)合金刀片焊接或用機(jī)械夾固的方式固定在刀體上。

我國目前生產(chǎn)的硬質(zhì)合金主要分為三類：

1）K類（YG）

    即鎢鈷類，由碳化鎢和鈷組成。這類硬質(zhì)合金韌性較好，但硬度和耐磨性較差，適用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。常用的牌號有：YG8、YG6、YG3，它們制造的刀具依次適用于粗加工、半精加工和精加工。數(shù)字表示Co含量的百分?jǐn)?shù)，YG6即含Co為6%，含Co越多，則韌性越好。

2）P類（YT）

     即鎢鈷鈦類，由碳化鎢、碳化鈦和鈷組成。這類硬質(zhì)合金耐熱性和耐磨性較好，但抗沖擊韌性較差，適用于加工鋼料等韌性材料。常用的牌號有：YT5、YT15、 YT30等，其中的數(shù)字表示碳化鈦含量的百分?jǐn)?shù)，碳化鈦的含量越高，則耐磨性較好、韌性越低。這三種牌號的硬質(zhì)合金制造的刀具分別適用于粗加工、半精加工和精加工。

3）M類（YW）

    即鎢鈷鈦鉭鈮類。由在鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金中加入少量的稀有金屬碳化物（TaC或NbC）組成。它具有前兩類硬質(zhì)合金的優(yōu)點，用其制造的刀具既能加工脆性材料，又能加工韌性材料。同時還能加工高溫合金、耐熱合金及合金鑄鐵等難加工材料。常用牌號有YW1、YW2。

三、其他刀具材料簡介

1.涂層硬質(zhì)合金

   這種材料是在韌性、強(qiáng)度較好的硬質(zhì)合金基體上或高速鋼基體上，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法或物理氣相沉積（PVD）法涂覆一層極薄硬質(zhì)和耐磨性極高的難熔金屬化合物而得到的刀具材料。通過這種方法，使刀具既具有基體材料的強(qiáng)度和韌性，又具有很高的耐磨性。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韌性和耐磨性好；TiN的抗氧化、抗粘結(jié)性好；Al2O3的耐熱性好。使用時可根據(jù)不同的需要選擇涂層材料。

2.陶瓷

    其主要成分是Al2O3，刀片硬度可達(dá)78 HRC以上，能耐1200～1450℃的高溫，故能承受較高的切削速度。但抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差，易崩刃。主要用于鋼、鑄鐵、高硬度材料及高精度零件的精加工。

3.金剛石

    金剛石分人造和天然兩種，做切削刀具的材料，大多數(shù)是人造金剛石，其硬度極高，可達(dá)10000 HV（硬質(zhì)合金僅為1300～1800 HV）。其耐磨性是硬質(zhì)合金的80~120倍。但刃性差，對鐵族材料親和力大。因此一般不宜加工黑色金屬，主要用于硬質(zhì)合金、玻璃纖維塑料、硬橡膠、石墨、陶瓷、有色金屬等材料的高速精加工。

4.氮化硼（CNB）

    這是人工合成的超硬刀具材料，其硬度可達(dá)7300～9000HV，僅次于金剛石的硬度。但熱穩(wěn)定性好，可耐1300~1500℃高溫，與鐵族材料親和力小。但強(qiáng)度低，焊接性差。目前主要用于加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金和一些難加工材料。

    刀具材料的選用應(yīng)對使用性能、工藝性能、價格等因素進(jìn)行綜合考慮，做到合理選用。例如，車削加工45鋼,自由鍛齒輪毛坯時，由于工件表面不規(guī)則且有氧化皮，切削時沖擊力大，選用韌性好的K類（鎢鈷類）就比P類（鎢鈷鈦類）有利。又如車削較短鋼料螺紋時，按理要用YT，但由于車刀在工件切入處要受沖擊，容易蹦刃，所以一般采用YG比較有利。雖然它的熱硬性不如YT，但工件短，散熱容易，熱硬性就不是主要矛盾了。