刀具材料的基本性能及涂层改良方法

1.刀具材料应具备的性能

切削过程除了要求刀具具有适当的几何参数外，还要求刀具有良好的切削性能。刀具的切削性能主要取决于刀具材料。刀具材料是指刀具切削部分的材料。

刀具在切削时要承受高压、高温、剧烈摩擦、冲击和振动。金属切削过程中的加工质量、加工效率和加工成本在很大程度上取决于刀具材料的选择。为了保证切削的正常进行，刀具材料应具备以下基本性能。

（1）较高的硬度：刀具材料硬度必须高于工件材料硬度，刀具材料常温硬度一般要求在60 HRC以上。

（2）较好的耐磨性：刀具材料须具有较好的耐磨性，以抵抗切削过程中的磨损，维持一定的切削时间。一般来说，刀具材料的硬度越高、晶粒越细，其耐磨性就越好。

（3）足够的强度和韧度：刀具材料须具有足够的强度和韧度，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃。

（4）较高的耐热性：刀具材料须具有较高的耐热性，以便在高温下仍能保持较高的硬度、耐磨性、强度和韧度。耐热性又称为红硬性或热硬性。

（5）良好的工艺性和经济性：刀具材料应具有良好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、切削加工性能等，以便制造成各种刀具，而且要追求高的性能价格比。

目前尚没有一种刀具材料能全面满足上述要求。因此，技术人员必须了解常用刀具材料的性能和特点，以便根据工件材料的性能和切削要求选用合适的刀具材料，同时应进行新型刀具材料的研制。

2.常用的刀具材料

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、涂层刀具材料、金刚石和立方氮化硼等，其基本性能如表1-1所示。

表1-1　常用刀具材料及其基本性能

注：冲击韧度aK已废止，但仍有一定的参考价值，故本表予以保留。

1）碳素工具钢和合金工具钢

碳素工具钢是碳含量较高的优质钢（碳含量为0.7%～1.2%，如T7、T8、T9、T10A、T12A等），淬火后硬度较高、价廉，但耐热性较差。在碳素工具钢中加入少量的Cr、W、Mn、Si等元素，形成合金工具钢（如9SiCr、、CrWMn等），可适当减少热处理变形和提高耐热性。这两种刀具材料的耐热性较低，常用来制造一些切削速度不高的手工刀具，如锉刀、锯条、铰刀等，较少用于制造其他刀具。

2）高速钢

高速钢是加入较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金钢，其热处理后硬度可达63～70 HRC，在500～650℃时仍能进行切削。它的硬度、耐磨性和耐热性虽略低于硬质合金，但强度和韧度高于硬质合金，工艺性较硬质合金好，价格也比硬质合金低。高速钢适合于制造结构和刃型复杂的刀具，如成形车刀、铣刀、钻头、插齿刀、剃齿刀、螺纹刀具和拉刀等。(www.xing528.com)

普通高速钢（如W18Cr4V）是国内使用最为普遍的刀具材料，广泛地用于制造形状较为复杂的各种刀具，如麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具等。高性能高速钢是在普通高速钢中加入Co、V等合金元素，其常温硬度可达67～70 HRC，抗氧化能力、耐磨性与热稳定性进一步提高。如W2Mo9Cr4VCo8是世界上用得较多的高性能高速钢，用于制造加工耐热合金、高强度钢、钛合金、不锈钢等难切削材料的各种刀具。粉末高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水而得到细小的高速钢粉末，通过粉末冶金工艺制成的刀具材料，适用于制造各种高性能精密刀具，如加工汽轮机叶轮的轮槽铣刀、拉刀、滚刀、插齿刀、剃齿刀等。

3）硬质合金

硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物（WC、TiC等）作基体，以金属Co等作黏结剂，用粉末冶金的方法制成的一种合金。它的硬度高、耐磨性好、耐热性高，允许的切削速度比高速钢高数倍，但其强度和韧度均较高速钢低，工艺性也不如高速钢。因此，硬质合金常被制成各种型式的刀片，焊接或机械夹固在车刀、刨刀、端铣刀等的刀柄（刀体）上使用。按GB/T18376.1—2008，切削工具用硬质合金可分为P、M、K、N、S、H共6个类别，以K、P、M较为主要。

K类硬质合金（红色）是以WC为基体，用Co作粘结剂烧结而成的。其具有较好的韧性、塑性、导热性，但耐磨性较差，适合加工短切屑的金属或非金属材料，如淬硬钢、铸铁、铜铝合金、塑料等。其牌号有K01、K10、K20、K30、K40等，数字越大，代表耐磨性越低而韧度越高。精加工可用K01；半精加工可用K10、K20；粗加工选用K30。

P类硬质合金（蓝色）是以WC为基体，添加TiC，用Co作黏结剂烧结而成的。随着合金中TiC含量提高、Co含量降低，其硬度、耐磨性和耐热性进一步提高，但抗弯强度、导热性、特别是冲击韧性明显下降。此类合金适合加工长切屑的黑色金属，如钢、铸钢等。其牌号有P01、P10、P20、P30、P40、P50等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用P01；半精加工选用P10、P20；粗加工选用P30。

M类硬质合金（黄色）是在YT类硬质合金中加入TaC或NbC烧结而成的。其提高了抗弯强度、疲劳强度、冲击韧性、抗氧化能力、耐磨性和高温硬度，既适用于加工脆性材料，又适用于加工塑性材料。此类合金适合加工长（短）切屑的金属材料，如钢、铸钢、不锈钢等。其牌号有M10、M20、M30、M40等，数字越大，耐磨性越低而韧度越高。精加工可用M10；半精加工可用M20；粗加工选用M30。

4）涂层刀具材料

涂层刀具材料是指通过气相沉积或其他技术方法，在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层高硬度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物而构成的刀具材料。这是提高刀具材料耐磨性而又不降低其韧性的有效方法之一。主要涂层材料有TiC、TiN、TiC+TiN、TiC+Al2O3、TiC+TiN+Al2O3或金刚石等多种。采用多涂层可使涂层具有更高的结合强度和使刀片具有更好的切削性能。涂层硬质合金刀具的寿命比无涂层硬质合金刀具的寿命可提高1～3倍，涂层高速钢刀具寿命比无涂层高速钢刀具的寿命可提高2～10倍。

5）陶瓷刀具材料

陶瓷刀具材料按化学成分可分为Al2O3基和Si3N4基两类。它们是在两类基体上再添加少量金属，在高温下烧结而成的刀具材料。大部分陶瓷刀具属于前者，主要成分是Al2O3。陶瓷刀具具有很高的硬度、耐热性和耐磨性，有良好的化学稳定性和抗氧化性，与金属的亲合力小、抗黏结和抗扩散能力强，能以很高的速度（可达750 m/min）切削，并可切削难加工的高硬度材料，加之Al2O3的价格低廉、原料丰富，因此很有发展前途。但是陶瓷材料抗弯强度低、性脆、抗冲击韧度差，易崩刃。近年来，各国已先后研制成功多种“金属陶瓷”，如我国制成的SG4、DT35、HDM4、P2、T2等牌号的陶瓷材料。陶瓷材料可制成多种刀片，并通过使切削刃磨出20°的负倒棱、加大刀尖圆弧半径、适当加厚刀片厚度等措施，以减少切削刃崩刃和刀尖破损的可能。陶瓷刀具主要用于冷硬铸铁、高硬钢等难加工材料的半精加工和精加工。

6）金刚石刀具材料

金刚石刀具材料包括天然金刚石、人造金刚石。

天然金刚石是自然界最硬的材料，其硬度范围在8 000～12 000 HK（HK为Knoop硬度，单位为kgf/mm2^[1]），耐热性为700～800℃。天然金刚石的耐磨性极好，但价格昂贵，主要用于加工精度和表面粗糙度要求极高的零件，如加工磁盘、激光反射镜、感光鼓、多面镜等。

人造金刚石是碳的同素异形体，是通过金属触媒的作用在高温、高压下由石墨转化而成的人工制造出的最坚硬物质。其显微硬度可达10 000 HV（硬质合金为1 000～2 000 HV），切削刃口锋利，刃部表面摩擦因数小，不易产生黏结或积屑瘤，耐磨性极好，可切削极硬的材料而长时间保持尺寸的稳定性，刀具寿命比硬质合金高几十倍至三百倍。但这种材料的韧性和抗弯强度很差，只有硬质合金的1/4，热稳定性也很差，当切削温度达到700～800℃时，就会失去其硬度，因而不能在高温下切削。此外，金刚石刀具材料与铁的亲和力很强，易产生黏结作用加快刀具磨损，不宜加工铁族金属。聚晶金刚石大颗粒可制成各种车刀、镗刀、铣刀等一般切削工具的刀片，主要用于精加工非铁金属及非金属材料，如铝和铜及它们的合金、硬质合金、陶瓷、合成纤维、强化塑料和硬橡胶等。人造金刚石的单晶微粒主要制成砂轮或作研磨剂用。

7）立方氮化硼

立方氮化硼是（CBN）是在高温高压下制成的一种新型超硬刀具材料。它具有很高的硬度及耐磨性，热稳定性好，硬度在3 000～4 500 HV，仅次于金刚石。立方氮化硼导热性好、摩擦因数低、化学惰性大，与铁族金属的亲和力小，耐热性比金刚石高得多，在1 200～1 500℃的高温下也不与铁金属起化学反应。立方氮化硼主要用于加工淬硬工具钢、冷硬铸铁、耐热合金等难加工材料的半精加工和精加工，是一种很有发展前途的刀具材料。

立方氮化硼刀具和金刚石刀具的脆性大。故使用它们时，机床刚性要好，主要用于连续切削，尽量避免冲击和振动。

制造业中将普遍应用高速（超高速）、精密（超精密）及干式切削等技术。刀具技术的主要发展趋势是超硬刀具材料发展更快、应用更加广泛；复合（组合）式各类高速、精密切削刀具（工具）的结构设计与制造技术将成为刀具（工具）品种发展的主导技术。为了提高材料的利用率，减少加工能耗和保护环境，无屑加工工艺的搓、挤、滚压成形类刀具（工具）应用会更加广泛。