切削刀具材料的种类及其适用场合有哪些？

为了发挥刀具的切削能力，刀具材料需要有明显的进步和改进。目前使用的各种刀具材料都有其特性，以满足各种加工要求。

• 有哪些类型的刀具材料？它们的特性、特性和应用。
• 金刚石工具
• 立方氮化硼工具
• 陶瓷工具
• 涂层工具
• 硬质合金刀具
• 高速钢工具

随着刀具材料的快速发展，各种新型刀具材料的物理、机械性能和切削性能有了很大的提高，应用范围不断扩大。

刀具材料的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本有很大影响。切削刀具会受到高压、高温、摩擦、冲击和振动的影响。因此，刀具材料应具有以下基本性能：

• 硬度和耐磨性：刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般在60HRC以上。刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。
• 强度和韧性：刀具材料应具有较高的强度和韧性，以承受切削力，冲击和振动，并防止刀具脆性断裂和崩刃。
• 耐热性： 刀具材料具有更好的耐热性， 可以承受高切削温度， 并具有良好的抗氧化性.
• 工艺性能和经济性：刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削性能等，并应追求高性价比。

有哪些类型的刀具材料？它们的特性、特性和应用。

目前广泛使用的数控刀具材料主要有金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、涂层刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具等。刀具材料的总等级很多，其性能差异很大。

CNC加工的刀具材料必须根据要加工的工件和加工的性质来选择。刀具材料的选择应与加工对象合理匹配。切削刀具材料与加工对象的匹配主要是指两者的机械性能、物理性能和化学性能的匹配，以获得最长的刀具寿命和最大的切削生产率。

金刚石工具：

钻石是碳的同素异形体，碳是自然界中发现的最坚硬的材料。金刚石工具具有高硬度、高耐磨性和高导热性，广泛用于有色金属和非金属材料的加工。特别是在铝和硅铝合金的高速切削中，金刚石工具是难以替代的切削工具类型。可以实现高效率、高稳定性、长寿命的金刚石刀具是现代数控加工中不可或缺的工具。

1. 金刚石工具的类型：
   • 天然金刚石工具：天然金刚石被用作切削工具已有数百年的历史。天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，切削刃可以非常锋利。切削刃半径可达0.002μm，可实现超薄切削，可产生极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的、不可替代的超精密加工刀具。
   • PCD金刚石工具：天然金刚石价格昂贵，聚晶金刚石（PCD）广泛用于切割。高温高压合成技术制备的聚晶金刚石已多次被合成聚晶金刚石所取代。PCD原料丰富，价格仅为天然金刚石的十分之一至十分之一。PCD刀具不能磨削极其锋利的边缘，加工工件的表面质量不如天然金刚石。目前，带断屑槽的PCD刀片在工业中不易制造。因此，PCD可用于有色金属和非金属的精细切割，很难实现超精密镜面切割。
   • CVD金刚石工具：CVD金刚石技术已在日本出现。CVD金刚石是指通过化学气相沉积（CVD）在异质基底上合成金刚石薄膜。CVD金刚石具有与天然金刚石相同的结构和特性。CVD金刚石的性能接近天然金刚石，具有天然单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）的优点。
2. 金刚石工具的性能特点：
   • 极高的硬度和耐磨性：天然金刚石是自然界中发现的最坚硬的物质。金刚石具有极高的耐磨性。加工高硬度材料时，金刚石刀具的寿命是硬质合金刀具的10至100倍，甚至数百倍。
   • 低摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数低于其他刀具，摩擦系数低，加工过程中变形小，可以降低切削力。
   • 切削刃锋利：金刚石刀具的切削刃可以锋利，天然单晶金刚石刀具可高达0.002~0.008μm，可进行超薄切削和超精密加工。
   • 导热系数高：金刚石的导热系数和热扩散率高，切削热易散发，刀具切削部分温度低。
   • 具有较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，并且切削热引起的刀具尺寸变化很小，这对于要求高尺寸精度的精密和超精密加工尤为重要。
3. 金刚石工具的应用：金刚石刀具主要用于高速有色金属和非金属材料的精切削和镗削。适用于加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金毛坯、陶瓷材料等。各种耐磨有色金属，各种有色金属的精加工。金刚石工具的缺点是热稳定性差。当切削温度超过700°C~800°C时，将完全失去硬度。它不适合切割黑色金属，因为金刚石（碳）在高温下容易与铁原子相互作用。在作用中，碳原子转化为石墨结构，工具容易损坏。

立方氮化硼工具：

第二种超硬材料立方氮化硼（CBN）通过类似金刚石制造方法合成，在硬度和导热性方面仅次于金刚石，具有优异的热稳定性。可在大气中加热至10000C。不会发生氧化。CBN对黑色金属具有极其稳定的化学性质，可广泛用于钢铁产品的加工。

1. 立方氮化硼工具的类型：立方氮化硼（CBN）是自然界中不存在的物质，可分为单晶和多晶，即CBN单晶和多晶立方氮化硼（PCBN）。CBN是氮化硼（BN）的同素异形体之一，其结构类似于钻石。PCBN是一种多晶材料，在高温高压下通过键合相（TiC，TiN，Al，Ti等）将细CBN材料烧结在一起。统称为超硬刀具材料。PCBN用于制造刀具或其他工具。PCBN刀具可分为整体式PCBN刀片和用硬质合金烧结的PCBN复合刀片。PCBN复合刀片是通过在具有良好强度和韧性的硬质合金上烧结一层厚度为0.5至1.0毫米的PCBN制成的。其性能既具有良好的韧性，又具有较高的硬度和耐磨性。CBN刀片弯曲强度低和焊接困难等问题。
2. 立方氮化硼的性质和特性：虽然立方氮化硼的硬度略低于金刚石，但远高于其他高硬度材料。CBN的突出优点是热稳定性远高于金刚石，可以达到1200°C以上（金刚石为700-800°C）反应。立方氮化硼的性能特点如下。
   • 高硬度和耐磨性：CBN晶体结构像金刚石，具有像金刚石一样的硬度和强度。PCBN特别适用于加工高硬度材料，这些材料可以在之前研磨，并且可以获得更好的工件表面质量。
   • 它具有很高的热稳定性：CBN的耐热性可以达到1400~1500°C，几乎是金刚石（700~800°C）的l倍。PCBN刀具可用于高温合金和淬硬钢的高速切削，速度是硬质合金刀具的3至5倍。
   • 优异的化学稳定性：在1200-1300°C下与铁基材料没有化学效应，不会像金刚石那样磨损那么尖锐，仍然可以保持硬质合金的硬度。PCBN刀具适用于切削淬硬钢零件和冷铸铁，可广泛用于铸铁的高速切削。
   • 导热性好：虽然CBN的导热系数不如金刚石，但PCBN的导热系数在各种刀具材料中仅次于金刚石，高于高速钢和硬质合金。
   • 具有低摩擦系数： 低摩擦系数可以降低切削过程中的切削力，降低切削温度，提高加工表面的质量。
3. 立方氮化硼工具的应用：立方氮化硼适用于各种淬硬钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料和其他难切削材料的精加工。加工精度可达IT5（孔为IT6），表面粗糙度值可小至Ra1.25~0.20μm。CBN刀具材料的韧性和抗弯强度较差。立方氮化硼车刀不适用于低速和大冲击载荷的粗加工。它不适合切割高塑性的材料（如铝合金、铜合金、镍基合金、高塑性的钢等），因为在切割这些金属时，会发生严重的积屑瘤，这会恶化加工表面。

陶瓷工具：

陶瓷工具具有硬度高、耐磨性好、耐热性优异、化学稳定性好等特点，不易与金属粘接。陶瓷刀具在CNC加工中占有重要地位，陶瓷刀具已成为高速切削和难加工材料加工的工具之一。陶瓷工具广泛用于高速切削，干切削，硬切削和难加工材料的切割。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2至10倍，从而提高切削生产效率。陶瓷工具材料中使用的原材料是地壳中最丰富的元素。陶瓷刀具的普及应用可以提高生产率，降低加工成本，促进切削技术的进步。

1. 陶瓷刀具材料的种类：陶瓷刀具材料的种类一般可分为三类：氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷和复合氮化硅-氧化铝基陶瓷。其中，氧化铝基和氮化硅基陶瓷工具材料应用最为广泛。氮化硅基陶瓷的性能优于氧化铝基陶瓷。
2. 陶瓷工具的性能和特点：
   • 硬度高，耐磨性好：虽然陶瓷工具的硬度不如PCD和PCBN高，但高于硬质合金和高速钢工具，达到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬度材料，适用于高速切削和硬切削。
   • 耐高温和良好的耐热性：陶瓷工具仍然可以在1200°C以上的高温下切削。 陶瓷刀具具有良好的高温机械性能，A12O3陶瓷刀具具有特别好的抗氧化性，切削刃即使处于炽热状态也可以连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而可以节省切削液。
   • 化学稳定性好：陶瓷工具不易与金属粘合，具有良好的耐腐蚀性和化学稳定性，可以减少工具的粘接磨损。
   • 低摩擦系数：陶瓷刀具与金属的亲和力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。
3. 陶瓷刀有应用：陶瓷是用于高速精加工和半精加工的工具材料之一。陶瓷工具适用于切割各种铸铁和钢，以及铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。陶瓷刀具材料的性能存在弯曲强度低、冲击韧性差的问题，不适合在低速和冲击载荷下切削。

涂层工具：

对刀具进行涂层是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具的出现，使刀具的切削性能取得了突破。涂层刀具在刀体上涂有一层或多层耐磨性好的耐火化合物，韧性好，将刀具基体与硬涂层相结合，提高刀具的性能。涂层刀具可以提高加工效率，提高加工精度，延长刀具寿命，降低加工成本。数控机床中使用的切削刀具中约有80%使用涂层刀具。

1. 涂层工具的类型：根据涂层方法的不同，涂层工具可分为化学气相沉积（CVD）涂层工具和物理气相沉积（PVD）涂层工具。涂层硬质合金刀具通常使用化学气相沉积，沉积温度在1000°C左右。 涂层高速钢工具一般采用物理气相沉积，沉积温度在500°C左右。 根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层工具，高速钢涂层工具，涂层工具分为陶瓷和超硬材料。根据涂层材料的性质，涂层工具可分为硬涂层工具和软涂层工具。硬涂层刀具追求的目标是高硬度和耐磨性，其主要优点是高硬度和良好的耐磨性，通常是TiC和TiN涂层。软涂层工具追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑工具。它与工件材料的摩擦系数低，约为0.1，可减少附着力，减少摩擦，降低切削力和切削温度。纳米涂层工具可以使用各种涂层材料（如金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等）的不同组合，以满足不同的功能和性能要求。合理设计的纳米涂层可以使刀具材料具有优异的抗摩擦、抗磨损和自润滑性能，适用于高速干切削。
2. 涂层刀具的特点：
   • 良好的机械和切削性能：涂层刀具结合了基材和涂层材料的优异性能，不仅保持了基材的良好韧性和高强度，而且具有高硬度，高耐磨性和低强度的涂层摩擦系数。涂层刀具的切削速度可以比未涂层刀具高2倍以上，并且允许更高的进给率。涂层工具的使用寿命得到改善。
   • 通用性强：涂层刀具具有广泛的通用性，加工范围显着扩大。可以使用一个涂层刀具代替几个非涂层刀具。
   • 涂层厚度：随着涂层厚度的增加，刀具寿命也会增加，但是当涂层厚度达到饱和时，刀具寿命将不再明显增加。当涂层太厚时，容易引起剥落。当涂层太薄时，耐磨性差。
   • 回磨能力：涂布刀片的可退款性差，涂装设备复杂，工艺要求高，涂布时间长。
   • 涂层材料：具有不同涂层材料的刀具具有不同的切削性能。低速切割时，TiC涂层占主导地位。高速切割时，TiN更合适。
3. 涂层工具的应用：涂层刀具在CNC加工领域具有巨大的潜力，将成为CNC加工领域最重要的刀具品种。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、滚刀、插齿机、剃须刀、成型拉刀和各种机器夹紧的可转位刀片，以满足各种钢材的高速加工。以及对铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需求。

硬质合金刀具：

硬质合金刀具，尤其是可转位硬质合金刀具，是数控加工刀具的主导产品。整体式和可转位硬质合金刀具或刀片的种类已扩展到各种切削刀具领域，其中可转位硬质合金刀具已从简单的车削刀具和面铣刀扩展到各种精密、复杂和成形刀具。

1. 硬质合金刀具的类型：根据化学成分，硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳（氮化）钛（TiCN）基硬质合金。碳化钨基硬质合金包括钨钴（YG），钨钴钛（YT）和稀有碳化物（YW），每种碳化物都有其优点和缺点。成分是碳化钨（WC），碳化钛（TiC），碳化钽（TaC），碳化铌（NbC）等。常用的金属结合相是Co.碳（氮化物）钛基硬质合金是以TiC为组分的硬质合金，常用的金属结合相是Mo和Ni。ISO（国际标准化组织）将切削硬质合金分为三类：
   • K类，包括Kl0-K40（组件为 WC.Co）。
   • P类，包括P01至P50（组件为 WC.TiC.Co）。
   • M类，包括M10至M40（组件为WC-TiC-TaC（NbC）-Co）。
2. 硬质合金刀具的性能特点：
   • 高硬度： 硬质合金刀具由具有高硬度和熔点的硬质合金和金属粘合剂通过粉末冶金方法制成。高于高速钢，在5400C时，硬度仍能达到82-87HRA，与常温下高速钢的硬度（83-86HRA）相同。硬质合金的硬度值随硬质合金金属结合相的性质，数量，粒度和含量而变化，并且通常随着粘结金属相含量的增加而降低。当粘结剂相含量相同时，YT合金的硬度高于YG合金，添加TaC（NbC）的合金具有更高的高温硬度。
   • 弯曲强度和韧性： 常用硬质合金的弯曲强度在900-1500MPa范围内。金属粘结剂相含量越高，弯曲强度越高。当粘结剂含量相同时，YG基（WC-Co）合金的强度高于YT基（WC-TiC-Co）合金，强度随TiC含量的增加而降低。硬质合金是一种脆性材料，其在室温下的冲击韧性是高速钢的1/30至1/8。
3. 常用硬质合金刀具的应用：YG合金用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。当钴含量适合加工一些特殊的硬铸铁，奥氏体不锈钢，耐热合金，钛合金，硬青铜和耐磨绝缘材料等时，细晶硬质合金（例如YG3X和YG6X）比中晶硬质合金具有更高的硬度和耐磨性。YT型硬质合金的突出优点是硬度高，耐热性好，硬度更高，高温抗压强度比YG型高，抗氧化性好。因此，当要求刀具具有更高的耐热性和耐磨性时，应选择TiC含量较高的品牌。YT合金适用于加工钢等塑料材料，但不适用于加工钛合金和硅铝合金。YW合金兼具YG和YT合金的性能，具有良好的综合性能。它可用于加工钢、铸铁和有色金属。如果适当增加钴含量，这种合金可以具有高强度，并且可用于难加工材料的粗加工和断续切削。

高速钢工具：

高速钢 （HSS） 是一种高合金工具钢，添加了更多的合金元素，例如 W、Mo、Cr 和 V。高速钢工具在强度、韧性和可制造性方面具有优异的综合性能。在复杂刀具中，特别是孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、齿轮刀具等复杂切削刀具中，高速钢仍然占据着重要地位。高速钢刀易于磨砺切削刃。

根据用途的不同，高速钢可分为通用高速钢和高性能高速钢。

1. 通用高速钢工具：通用高速钢。可分为钨钢和钨钼钢两种。这种类型的高速钢含有0.7%至0.9%（C）。钢中钨的含量可分为W含量为12%或18%的钨钢，W含量为6%或8%的钨钼钢和W含量为2%或不W的钼钢。 通用高速钢具有一定的硬度（63-66HRC）和耐磨性，高强度和韧性， 良好的塑性，和加工性，因此广泛用于制造各种复杂的工具。
   • 钨钢：通用高速钢钨钢的典型牌号为W18Cr4V（W18），具有良好的综合性能。6000C时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂工具。它具有可磨性好和脱碳敏感性低的优点，但由于碳化物含量高，分布不均匀，颗粒大，强度和韧性不高。
   • 钨钼钢：指用钼代替钨钢中的部分钨而获得的高速钢。钨钼钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2（M2）。M2的碳化物颗粒细腻均匀，强度，韧性和高温塑性优于W18Cr4V。另一种钨钼钢是W9Mo3Cr4V，其热稳定性略高于M2钢，其弯曲强度和韧性优于W6M05Cr4V2，具有良好的机械加工性。
2. 高性能高速钢切削刀具：高性能高速钢是指在通用高速钢组合物中添加碳含量、钒含量和Co、Al等合金元素，从而提高其耐热性和耐磨性的一种钢。
   • 高碳高速钢：高碳高速钢（如95W18Cr4V），常温和高温下硬度高，适用于制造和加工耐磨性要求高的普通钢和铸铁、钻头、铰刀、丝锥和铣刀，或加工较硬材料的工具，不应承受大的冲击。
   • 高钒高速钢：典型牌号，如W12Cr4V4Mo（EV4），V含量提高到3%至5%，耐磨性好，适用于刀具磨损较大的切削材料，如纤维、硬橡胶、塑料等，可用于加工不锈钢、高强度钢、高温合金等高材料。
   • 钴高速钢：是一种含钴的超硬高速钢。典型牌号，如W2Mo9Cr4VCo8（M42），硬度高，硬度可达69-70HRC。适用于加工高强度耐热钢、高温合金、钛合金等难加工材料。M42具有良好的磨削性，适用于制造精密复杂的刀具，但不适合在冲击切削条件下工作。
   • 铝高速钢：是含铝的超硬高速钢。典型牌号，如W6Mo5Cr4V2Al（501），在6000C时具有54HRC的高温硬度，切削性能相当于M42。适用于制造铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀具、拉刀等。用于加工合金钢、不锈钢、高强度钢和高温合金等材料。
   • 氮超硬高速钢：典型牌号，如W12M03Cr4V3N（V3N），是含氮超硬高速钢，其硬度、强度和韧性与M42相当。它们可以用作含钴高速钢的替代品，用于难加工材料的低速切削和低速高精度加工。
3. 熔链高速钢和粉末冶金高速钢：根据制造工艺的不同，高速钢可分为熔链高速钢和粉末冶金高速钢。
   • 熔链高速钢：普通高速钢和高性能高速钢采用熔链法制造。它们通过冶炼、铸锭和电镀等工艺制成刀具。熔链高速钢中容易出现的问题是碳化物偏析。硬脆碳化物在高速钢中分布不均匀，晶粒粗糙，对高速钢工具的耐磨性，韧性和切削性能产生不利影响。
   • 粉末冶金高速钢（PM HSS）：粉末冶金高速钢（PM HSS）是从高频感应炉熔化的钢水，用高压氩气或纯氮雾化，然后淬火得到细而均匀的钢。将晶体结构（高速钢粉），然后将得到的粉末在高温高压下压制成刀片坯料，或者先通过锻造和轧制将钢坯制成刀片形状。与熔炼法生产的高速钢相比，PM HSS具有碳化物晶粒细腻均匀的优点，与熔链高速钢相比，强度，韧性和耐磨性大大提高。在复杂的数控刀具领域，PM高速钢刀具将进一步发展并占据重要地位。典型牌号如F15，FR71，GFl，GF2，GF3，PT1，PVN等，可用于制造大型，重型，高冲击力的工具，并可用于制造精密工具。