常用刀具材料分类特点及应用

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金属切削原理读书报告

常用刀具材料分类

特点及应用

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2014年5月7日

常用刀具材料分类特点及应用

摘要

本文在阅读有关论文和专著的基础上对现阶段常用的刀具材料进行了总结和分析，总结出了碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石、立方碳化硼等刀具材料的特点及应用范围，同时针对几种常见的切削工序中刀具材料的应用做了简单的分析。

常用刀具材料分类特点及应用

摘要 ............................................................ 1 1刀具材料的发展历史............................................. 2 2 常用刀具材料及特点 ............................................ 2

2.1 碳素工具钢............................................... 2 2.2 合金工具钢............................................... 3 2.3 高速钢................................................... 4 2.4 硬质合金................................................. 5 2.5 陶瓷..................................................... 7 2.6 超硬材料................................................. 9 3 刀具材料的典型应用 ........................................... 10

3.1 工件材料与刀具材料...................................... 10 3.2 加工条件与刀具材料...................................... 11 4 总结 ......................................................... 11 5 参考文献 ..................................................... 12

常用刀具材料分类特点及应用

1刀具材料的发展历史[1]

刀具材料的发展在人类的生活、生产中有着很大的重要性。

18世纪中叶, 在欧洲出现了工业革命以后, 切削刀具一直是用碳素工具钢制造, 其成分与现代的T10、T12相近。1865年，英国罗伯特?墨希特发明了合金工具钢，其牌号有9CrSi、CrWMn等。随着对加工效率要求的提高，新的刀具材料在不断更新。1898年，美国机械工程师泰勒和冶金工程师怀特发明了高速钢。进入20世纪，人们不断寻求新型刀具材料。20世纪20年代中期到30年代初，出现了钨钴类和钨钛类硬质合金。然而硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相继出现。20世纪30年代出现了氧化铝陶瓷，后来又有氦化硅陶瓷到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金刚石。

总而言之，20世纪中，刀具材料发展的速度比过去快得多，其种类、类型、数量和性能均有大幅度的发展。

2 常用刀具材料及特点

对于金属切削刀具来说，切削过程中要承受很大的压力，同时会与工件、切屑相互接触的表面产生摩擦力，切削产生的热量使得刀具温度上升，产生一定的热应力。因此刀具材料应能满足这样几个要求：高的硬度和耐磨性、足够的强度和韧性、良好的热物理性能和耐热冲击性能、良好的工艺性以及经济性。目前在机械加工中常用的刀具材料有碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。[2]不同刀具材料的性能有所不同，因此在应根据具体的切削条件选择合适的刀具材料。下面将分别介绍每种刀具材料。

2.1 碳素工具钢

按照GB/T13304《钢分类》第1部分“钢按化学成分分类”，碳素工具钢属于非合金钢。按照标准第2部分“钢按主要质量等级和主要性能及使用特性分类”，碳素工具钢属于特殊质量非合金钢。碳素工具钢牌号及化学成分见表1

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表1 碳素工具钢牌号及化学成分[3] 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 牌号 T7 T8 T8Mn T9 T10 T11 T12 T13 化学成分（质量分数）/% C 0.65~0.74 0.75~0.84 0.80~0.90 0.85~0.94 0.95~1.04 1.05~1.14 1.15~1.24 1.25~1.35 ≤0.40 Mn ≤0.40 0.40~0.60 ≤0.35 Si 注：高级优质钢在牌号后面加”A”。碳素工具钢价廉易得，易于锻造成形，切削加工性也比较好。碳素工具钢的主要缺点是淬透性差，需要用水、盐水或碱水淬火，畸变和开裂倾向性大，耐磨性和热强度都很低。因此，碳素工具钢只能用来制造一些小型手工刀具或木工刀具，以及精度要求不高、形状简单、尺寸小、负荷轻的小型冷作模具，如用来制造小冲头、剪刀、冷冲模、冷镦模等。

2.2 合金工具钢

合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。表2列举的为合金工具钢中量具刃具用钢的牌号和化学成分。

表2 量具刃具用钢的牌号和化学成分[4] 序号 1 2 3 4 5 牌号化学成分 % P S Cr 不大于 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.030 0.95~1.25 0.50~0.70 1.30~1.65 1.30~1.70 C 0.85~0.95 0.75~0.85 1.35~1.45 0.95~1.10 0.80~0.95 Si 1.20~1.60 0.30~0.60 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.40 Mn 0.30~0.60 0.80~1.10 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.40 W Mo V 其他 9SiCr 8MnSi Cr06 Cr2 9Cr2 Co≤1.00 3

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6 W 1.05~1.25 ≤0.40 ≤0.40 0.030 0.030 0.10~0.30 0.80~1.20 合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。其中碳含量高的钢多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；

为了保证高的硬度，满足形成合金碳化物的需要，钢中碳质量分数一般在0.80%~1.45%。铬是这类钢的主要合金元素，质量分数一般在0.50%~1.70%，有的钢还含有钨，以提高切削金属的性能。这类工具钢因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具钢好，热处理产生的变形小，具有高的硬度和耐磨性。常用的钢类有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等。9SiCr是应用广泛的刃具钢，用于制作要求变形小的各种薄刃低速切削刃具，如板牙、丝锥、铰刀等。

2.3 高速钢

高速钢是一种具有高硬度、高耐磨性和高耐热性的工具钢，又称高速工具钢或锋钢。高速钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。除用熔炼方法生产的高速钢外，20世纪60年代以后又出现了粉末冶金高速钢，它的优点是避免了熔炼法生产所造成的碳化物偏析而引起机械性能降低和热处理变形。按照用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢。表3为常用的几种高速钢的力学性能。

表3 高速钢的力学性能[2] 钢号 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 9W18Cr4V W6Mo5Cr4V3 W6Mo5Cr4V2Co8 W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al 常温硬度 HRC 63~66 63~66 66~68 65~67 66~68 67~69 67~69 67~69 抗弯强度 GPa 3~3.4 3.5~4 3~3.4 3.2 3.0 2.7~3.8 2.9~3.9 3.1~3.5 冲击韧度 MJ/m2 0.18~0.32 0.3~0.4 0.17~0.22 0.25 0.3 0.23~0.3 0.23~0.3 0.2~0.28 高温硬度 HRC 500℃ 56 55~56 57 — — ~60 60 59.5 600℃ 48.5 47~48 51 51.7 54 ~55 55 54 高速钢具有较高的热稳定性、高的强度、制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，能锻造、性能较硬质合金和陶瓷稳定，故高速钢在占现用刀具的一半以上。

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其中通用型高速钢主要用于制造切削硬度HB≤300的金属材料的切削刀具（如钻头、丝锥、锯条）和精密刀具（如滚刀、插齿刀、拉刀），常用的钢号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。

特殊用途高速钢包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度HRC68～70），主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。

2.4 硬质合金

硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC 等) 微米级粉末采用Co、Mo 、Ni 等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其高温碳化物含量超过高速钢, 允许的切削温度高达800~ 1000℃,常温硬度达89 ~ 93 HRA；在540℃时为82~87HRA, 与高速钢常温时硬度( 83~ 86HRA) 相同；760℃ 时硬度达77~ 85 HRA。并具有化学稳定性好、耐热性高等优点。硬质合金刀具切削速度可达100~ 300 m/ min。远远超过高速钢,寿命是高速钢的几倍到几十倍。[5]

2.4.1 碳化钨基硬质合金

碳化钨(WC) 基硬质合金主要成分为WC, 主要分为钨钴(WC-Co) 类硬质合金(YG类) 、钨钛钴(WC-TiC-Co) 类硬质合金(YT类) 、钨钛钽( 铌) 钴(WC-C-T aC(NbC) -Co ) 类硬质合金(YW类) 等3 类。

YG类(国际上统称为K类),硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等, 主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。与YT 类合金相比, 有较高的抗弯强度和冲击韧性, 同时导热性较好。

YT类(国际上统称为P类)，由于加人T iC, 使材料的硬度和耐磨性有所提高, 但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性, 抗粘结、抗氧化能力较好, 适用于加工钢材, 切削时刀具磨损小, 耐用度较高。高温时的硬度和抗压强度比YG类高, 但YT 类不宜于加工钛合金、硅、铝合金。

YW类(国际上统称为M类)，硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力,兼具YG、YT 类合金的良好性能, 特别适于加工各种高合

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金钢、耐热合金和各种合金铸铁。

近年, ISO 又增设了3 类硬质合金: (1) H 类,用于切削高硬材料；(2) S 类, 用于切削高温合金、耐热材料；(3) N 类, 用于切削有色金属。应当注意的是, 立方氮化硼PCBN 用于切削淬硬钢, 被列入H类。热压聚晶金刚石PCD 主要用于切削有色金属,被列入N 类。故当今硬质合金已分为K、P、M、H、S、N6 大类。表5列举的是常见硬质合金材料的性能与用途。

表5常见硬质合金材料的性能与用途牌号 YG3X 密度（g/cm2） 14.6-15.2 抗弯强度（N/cm2） 1320 硬度（HRA） 92 常见用途适于铸铁、有色金属及合金淬火钢合金钢小切削断面高速精加工。适于硬铸铁，有色金属及其合金的半精加工，亦适于高锰钢、淬火钢、合金钢的半精加工及精加工。加工冷硬合金铸铁与耐热合金钢可获得良好的效果，也适于普通铸铁的精加工。适于用铸铁、有色金属及合金非金属材料中等切削速度下半精加工。适于铸铁、白口铸铁、球墨铸铁以及铬、镍不锈钢等合金材料的高速切削。适于铸铁、有色金属及其合金与非金属材料加工中，不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、粗铣，一般孔和深孔的钻孔、扩孔。属超细颗粒合金，适于低速粗车，铣削耐热合金及钛合金，作切断刀及丝锥、锯片铣刀尤佳。适于碳素钢与合金钢(包括钢锻件，冲压件及铸件的表皮)加工不平整断面与间断切削时的粗车、粗刨、半精刨，非连续面的粗铣及钻孔。适于在碳素钢与合金钢加工中，不平整断面和连续切削时的粗车，间断切削时的半精车与精车，连续断面粗铣，铸孔的扩钻与粗扩。适用于碳素钢与合金钢加工中，连续切削时的粗车、半精车及精车，间断切削时的小断面精车，连续面的半精铣与精铣，孔的粗扩与精扩。适于耐热钢、高锰钢、不锈钢等难YG6A 14.6-15.0 1370 91.5 YG6X 14.6-15.0 1420 91 YG6 YG8N 14.5-14.9 14.5-14.8 1380 2000 89 90 YG8 14.5-14.9 1600 89.5 YS2T 14.4-14.6 2200 91.5 YT5 12.5-13.2 1430 89.5 YT14 11.2-12.0 1270 90.5 YT15 11.0-11.7 1150 91 YW1 12.6-13.5 1180 91.5 6

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加工钢材及普通钢和铸铁的加工。 YW2 12.4-13.5 1350 90.5 适于耐热钢、高锰钢、不锈钢及高级合金钢等特殊难加工钢材的精加工，半精加工。普通钢材和铸铁的加工。注：表中“抗弯强度”和“硬度”两项的数值均为该项的最小值即不小于表中数值。 2.4.2 涂层硬质合金[5]

涂层硬质合金是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜( 如TiC , TiN ,Al2O3 等) 的涂层刀具,结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,降低了刀具与工件之间的摩擦因数,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。

目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低,涂层容易剥落,这样就使涂层不能做得太厚,而涂层一旦被磨掉,刀具就会迅速磨损。近年来,已有一些新的涂层方法出现,如等离子辅助化学气相沉积( PACVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、溶胶2凝胶(Sol2Ge1)法、高速氧2燃气热喷涂(HVOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法。在韧性较好的硬质合金基体上, 通过CVD、PVD、HVOF 等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。

自20 世纪70 年代以来,涂层材料已从单一涂层(TiC、TiN)经历了TiC- Al2O3-TiN 多层涂层和TiCN、TiAlN、AlTiN 等多元复合涂层发展阶段,发展到了TiN/ NbN、TiN/ CN 等多元复合薄膜纳米涂层材料。近年还出现了金刚石涂层、立方氮化硼(CBN) 涂层、软涂层(MoS、WS ) 以及硬软组合涂层,使涂层刀具切削性能大大提高。

2.5 陶瓷[6]

陶瓷刀使用精密陶瓷高压研制而成，故称陶瓷刀。陶瓷刀具的优越性体现在： 1）可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料；

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2）不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯粗车等冲击力很大的加工；

3）耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；

4）高速切削或实现“以车、铣代磨”，切削效率比传统刀具高。

根据金属陶瓷中主要非金属相的种类，金属陶瓷刀具材料可分为如下几种：

2.5.1 氧化物基金属陶瓷

Al2O3基金属陶瓷材料可用作高速切削刀具材料，并且在高温条件下可以应用。如Al2O3-金属陶瓷刀具、Al2O3-金属-碳化物(氮化物)陶瓷刀具、Al2O3-金属-碳氮化物陶瓷刀具。

2.5.2 碳化物基金属陶瓷

WC 基金属陶瓷是迄今能保证材料高力学性能的最好的结构组合和原子间相互作用的典型示例，其硬度和抗弯强度分别达到了89HRA 和1500MPa。在碳化物基金属陶瓷中，除WC 外，TiC 基金属陶瓷的研究也相当成熟。TiC 陶瓷的熔点(3430℃)高于WC(2870℃)，耐磨性好，密度只有WC 的1/3，线胀系数和抗氧化性比WC 好，而且都能被Co 润湿，因此可用来替代目前广泛使用的WC- Co 基金属陶瓷而大大降低成本。

2.5.3 碳氮化物基金属陶瓷

Ti(C,N)基金属陶瓷是在WC 基金属陶瓷和TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一种具有高强度、高硬度以及优良的高温、耐磨性能的新型金属陶瓷。Ti(C,N)基金属陶瓷的性能特点：(1)硬度很高；(2)有很高的耐磨性；(3)有较高的抗氧化能力；(4)有较高的耐热性；(5)化学稳定好。

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2.5.4 硼化物基金属陶瓷

用来粘结硼化物的金属主要有Co、Mo、Fe、Ni 以及它们的合金。金属硼化物具有高的导热率和高温稳定性，可用于非常耐热和耐蚀的条件。目前在TiB2 基金属陶瓷中，研究较多的是TiB2- Fe、TiB- Fe-Mo、TiB2- Fe- Cr- Ni 等金属陶瓷。

2.6 超硬材料

随着各种新型工件材料的应用和发展, 传统刀具材料, 如高速钢、硬质合金、陶瓷等常不能满足难加工材料的加工需求, 天然和人造单晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬刀具材料因具有很高的高温硬度、耐磨性和热化学稳定性, 为高硬度材料的切削加工提供了最基本的前提条件, 并且在生产中取得了明显效益。[7]

2.6.1 金刚石

金刚石刀具有三种：天然单晶金刚石刀具、整体人造聚晶金刚石刀具及金刚石复合片。

金刚石具有极高的硬度和耐磨性，因此它可以用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金及耐磨塑料等高硬度、高耐磨的材料。

金刚石刀具切削表面质量很高，加工有色金属时，表面粗糙度可达0.012μm，加工精度可达IT5以上。

金刚石的热稳定性较低，切削温度超过700-800℃时就会完全失去其硬度。金刚石目前主要用于磨具及磨料，用作刀具时多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细车削及镗孔。[2]

2.6.2 立方碳化硼

立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的，立方氮化硼刀具有了两种：整体聚晶立方氮化硼刀具和立方氮化硼复合刀片。立方氮

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化硼有很高的硬度及耐磨性，具有比金刚石高得多的热稳定性，因此可用来加工高温合金立方氮化硼的化学惰性很大，与铁族金属不易起化学作用，因此立方氮化硼刀具可用于加工淬硬钢和冷硬铸铁。

3 刀具材料的典型应用

以上简单介绍了常用刀具材料的种类、性能、特点及应用，接下来以几个典型应用对刀具材料的选用进行分析。

3.1 工件材料与刀具材料

1）钢料的粗加工与精加工

加工钢料时，金属塑性变形很大，摩擦剧烈，切削温度高。YT类硬质合金具有较高的硬度和耐磨性特别是有高的耐热性，抗粘结扩散能力和抗氧化能力也很好。故在钢料的精加工中，多用YT类硬质合金；而在粗加工中，由于切削速度不高，切削过程不太平稳，故此时最好用韧性较好的YG类硬质合金。

2）铸铁的粗加工与精加工

加工铸铁这样的脆性金属时，切屑呈崩碎块粒，对刀具冲击很大。YG类硬质合金有较高的抗弯强度和冲击韧性，同时，YG类硬质合金的导热性也较好，有利于从刀尖传出热量，降低温度，因此铸铁的粗加工中使用YG类硬质合金较好；而在精加工中，切削速度高切削温度高，而YG类硬质合金的耐热性较YT类硬质合金差，因此此时可选用YT类硬质合金。

3）其他工件材料的加工

加工不锈钢、奥氏体耐热钢、淬硬钢、高锰钢、钛合金时刀具材料的选择见表6。

表6 几种工件材料加工时刀具材料的选择工件材料不锈钢 YW类硬质合金刀具热硬性好，能承受一奥氏体耐热钢 YW类硬质合金刀具热硬性好，能承受一淬硬钢 YG类硬质合金/立方氮化硼 YG合金韧性较好，导热性高锰钢 YW类硬质合金刀具热硬性好，能承受一钛合金硬质合金、立方氮化硼、金刚石等硬度高，耐磨性和导热性刀具材料分析 10

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定的冲击负荷定的冲击负荷好；立方氮化硼硬度高，且不易与铁族金属反应。定的冲击负荷好 3.2 加工条件与刀具材料

不同的工件材料与不同的加工工艺对刀具材料的选择有所不同，因此在刀具材料选择时应综合考虑各种因素，下面以几个例子来简单分析一下刀具材料的选择。

1）45钢锻件粗车：碳钢强度高摩擦剧烈，粗车时可选择YT14的硬质合金刀具切削。

2）HT200铸件精车：普通铸铁的粗车和精车均可选用YG类硬质合金，这里可用YG6X硬质合金刀具切削。

3）低速精车合金钢蜗杆：合金钢的加工可选用YT类硬质合金，但低速加工时若速度很低可能产生冲击负荷，这时候用YG类的硬质合金更好，因此，这里可以选择YG6A的硬质合金刀具切削。

4）高速精车调质钢长轴：由于加工时工件硬度高，产生热量高，且精车要求表面粗糙度低，因此可以选择Al2O3基陶瓷刀具进行切削，它的硬度和耐磨性高，耐热性和化学稳定性高，同时加工的表面质量好。

5）高速精密镗削铝合金缸套：有色金属的精密加工可以选用金刚石刀具，可以得到很高的表面质量。

6）中速车削淬硬钢轴：淬硬钢硬度高，且切削要求的速度中等，所以硬质合金材料不是很适合，可以选用立方氮化硼材料，硬度高，可以用硬质合金加工普通钢的切削速度对淬硬钢进行加工，且表面质量高。

7）加工65HRC冷硬铸铁：根据其加工的切削速度可以选用YG类硬质合金刀具（如YG6X）或者立方氮化硼刀具。

4 总结

通过简单的分析可以看出，刀具材料都具有相似的性能（如高硬度、高强度和耐磨性等），同时也有自己的特点，而这些不同之处则决定了在切削加工中我