数控车床常用刀具材料

1、刀体材料

一般刀体均用普通碳钢或合金钢制作。如焊接车、镗刀的刀柄，钻头、铰刀的刀体常用45钢或40Cr制造。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜用合金钢或高速钢整体制成，如螺纹刀具、成型铣刀、拉刀等;尺寸较小的精密刀具(如小镗刀、小铰刀)也可用硬质合金整体制成。

机夹、可转位硬质合金刀具、镶硬质合金钻头、可转位铣刀等可用合金工具钢，如9SiCr或GCr15等制成刀体。
2、切削部分材料

目前刀具材料分四大类：工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢)、硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料等。刀具材料的硬度按照由大到小的顺序为：金刚石刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具、高速钢刀具。刀具材料的抗弯强度按照由大到小的顺序为：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、合金石刀具和立方氮化硼刀具。各种刀具材料的物理力学性能见以下表格。

下面分别介绍各种刀具材料的组成、性能、使用等的抗弯强度和冲击韧性，以避免刀具材料在切削过程中产生断裂和崩刃。

3、高速钢

高速钢(High Speed Steel，简称HSS)是一种加入较多的钨(W)、锰(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等合金元素的高合金工具钢，有较高的热稳定性，切削温度达500～650℃时仍能进行切削，有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性。其制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造，这对于一些形状复杂的工具，如钻头、成形刀具、数控车床拉刀、齿轮刀具等尤为重要，是制造这些刀具的主要材料。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂大局，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具时，高速钢占据着重要的地位。由于钨(W)、钴(Co)等主要元素的资源紧缺，高速钢刀具在所有刀具材料的比重逐渐下降，今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。高速钢刀具的发展方向包括：发展各种少钨(W)的通用型高速钢，扩大使用各种无钴(Co)、少钴(Co)的高性能高速钢，目前，推广使用粉末冶金高速钢(PMHSS)和涂层高速钢。

高速钢的品种繁多：按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢：按化学成分可分为钨系、钨钼系和钼系高速钢;按制造工艺不同，分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

⑴ 普通高速钢

通用型高速钢约占高速钢总产量的75%～80%。按钨钼的含量可分为钨系、钨钼系两类。这类高速钢碳(C)的质量分数为0.7%～0.9%，钨钼钢中钨(W)的质量分数的不同，可分为12%或18%的钨钢、钨(W)的质量分数为6%或8%的钨钼钢、钨(W)的质量分数为2%或不含钨(W)的钼钢。普通型高速钢具有一定的硬度(63～66HRC)和耐磨性、搞的强度和韧性、良好的塑性和加工工艺性，因此广泛用于制造各种复杂刀具。

① 钨钢我国长期使用的通用型高速钢中的钨钢，其典型牌号为W18Cr4V，具有较好的综合性能，在600℃时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。它具有可磨削性好、脱碳敏感性小等优点，但由于碳化物含量较高、分布较不均匀、颗粒较大、强度和韧性不高，特别是热塑性差，不宜做大截面的刀具。钨钢已很少采用，逐渐淘汰，而由钨钼系高速钢取代。

② 钨钼钢钨钼钢是指将钨钢中的一部分钨用钼代替所获得的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2(简称M2)。W6Mo5Cr4V2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性和高温塑性都比W18Cr4V好。其主要缺点是含钒量稍多，磨削加工性比W18Cr4V差，脱碳敏感性大、淬火温度范围较窄。钨钼钢为W9Mo3Cr4V(简称W9)，其热稳定性略高于W6Mo5Cr4V2钢，抗弯强度和韧性都比W6Mo5Cr4V2好，具有良好的可加工性能。这种钢易轧、易锻，热处理范围较宽。脱碳敏感性小、磨削性能较好。此外，我国还开发了W3MO2Cr4Si和W3MO2Cr4SiN等低合金高速钢，其价格比W6Mo5Cr4V2钢便宜15%～20%。

实验证明，用它们制作低、中速切削的刀具、如中心钻、丝锥、小直径麻花钻等，其切削性能不比W6Mo5Cr4V2差。

⑵ 粉末冶金高速钢

普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法制成的。粉末冶金高速钢(PMHSS)是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气使之雾化，再急冷得到细小均匀的晶体组织(高速钢粉末)，用此粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状，再通过各种加工而成刀具。与熔融法制造的高速钢相比具有以下有点： ① 粉末冶金高速钢没有碳化物偏析的缺陷，，不论刀具截面尺寸有多大，其碳化物晶粒小且均匀，达2～3μm(一般熔炼为8～20μm)。因此，粉末冶金高速钢具有较高的力学性能，其强度和韧性分别是熔炼钢的2倍和2.5～3倍。

② 与熔炼钢塑钢相比，粉末冶金高速钢的常温度能提高1～1.5HRC，热处理后硬度可达69.5～70HRC，600℃时的高温硬度比熔炼钢高2～3HRC，高温硬度提高尤为显著。由于PMHSS碳化物颗粒均匀，分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故PMHSS刀具的耐磨性也提高20%～30%。

③ 由于碳化物细小均匀且含钒量适当提高，PMHSS的可磨削性较好。

④ 由于物理力学性能各向同性，可减少热处理变形和应力。PMHSS适合制造钻头、拉刀、螺纹刀、滚刀、插齿刀等复杂刀具。早粉末冶金高速钢表面进行PVD涂层TiC、TiCN、TiAIN后，切削速度可进一步提高。

4、硬质合金

硬质合金是有硬度和熔点很高的碳化物(称硬质相)和金属(称粘结相)通过粉末冶金工艺制成的。硬质合金刀具中常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等。常用的粘结剂是Co，碳化钛的粘结剂是Mo、Ni。其物理学性能取决于合金的成份。粉末颗粒的粗细以及合金的烧结工艺。由于有搞硬度、搞熔点的性质，常温硬度达89～94HRA，耐热温度达800～1000℃。切削钢时，切削速度可达220m/min左右。假如熔点更高的TaC、NbC，可使耐热温度提高到1000～1100°℃，切削钢时，切削速度进一步提高到200～300m/min。

硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料，如车刀、加工中心端铣刀以至深孔钻等。它制成各种形式的刀片，然后用机械夹紧或用钎焊方式固定在刀具的切削部位上。

硬质合金按晶粒大小可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细硬质合金。按主要化学成分可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮)化钛[TiC(N)]基硬质合金。碳化钨基硬质合金包括钨钴类(YG)、钨钴钛(YT)和添加稀有碳化物(YW)三类。

ISO(国际标准化组织)将切削用硬质合金分为三类：

⑴ K类，包括K10～K40,相当于我国的YG类(主要成分为WC—Co)

⑵ P类，包括P01～P50,相当于我国的YT类(主要成分为WC—TiC—Co)

⑶ M类，包括M10～M40,相当于我过的YW类[主要成分为WC—TiC—TaC(NbC)—Co]。

每种中的牌号分别以一个01～50之间的数字表示从高的硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种背加工材料的不同切削工序加工条件时选用。

5、其他刀具材料

⑴ 涂层刀具：涂层刀具是在韧性较好的硬质合金基体或高速钢刀具基体上，加工中心涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN等。

⑵ 陶瓷：陶瓷刀具材料可分为四大类：CA氧化铝基氧化物陶瓷(白陶瓷);CM氧化铝基金属碳化物复合陶瓷(黑陶瓷);CN氮化硅基氮化物陶瓷(非氧化物陶瓷);CC陶瓷涂层刀具。目前氧化铝基氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。其主要的特性如下： ① 硬度高、耐磨性好 ② 耐高温、耐热性好 ③ 化学稳定性 ④ 摩擦系数低 ⑤ 原料丰富
⑶ 金刚石：金刚石与立方氮化硼称为超硬刀具。金刚石是碳的同素异形体，是目前最硬的物质，显微硬度可达10000HV。其主要特点如下：

①极高的硬度和耐磨性

② 各向异性

③ 具有很低的摩擦系数

④ 具有很高的导热性能

⑤ 具有较低的线胀系数

⑷ 立方氮化硼：数控车床立方氮化硼(CBN)是由六方氮化硼(白石墨)在高温高压下转化而成的。其主要优点如下：

① 高的硬度材料和耐磨性具有与金刚石相近的硬度和强度。硬度可达3000～5000HV。耐磨性为硬质合金刀具的50倍，为陶瓷刀具的25倍。特别适合用于加工高硬度材料，能获得较好的工件表面质量，实现“以车代磨”

② 具有很高的热稳定性热硬度可达1400～1500℃，比金刚石的热硬性(700～800℃)几乎高1倍。可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。 ③ 优良的化学稳定性 CBN的化学惰性大，在还原的气体介质中，对酸和碱都是稳定性的，在大气和水蒸气中，在900℃以下钨任何变化，切稳定。它与铁系材料在1200～1300℃时也不起化学作用，与各种材料的粘结和扩散作用比硬质合金小得多。它具有很高的抗氧化能力，在1000℃时也不会产生氧化现象。

④ 具有较好的导热性CBN的热导性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中PCBN的热导性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。CBN的热导率都是铜的3.2倍，是硬质合金的20倍，立方氮化硼与与陶瓷的热导率的比率为37.1，热扩散率比值为65.5，而且随着温度的升高，PCBN刀具的切削温度要低于硬质合金刀具。

⑤具有脚底的摩擦系数CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.1～0.3,比硬质合金的摩擦系数(0.4～0.6)小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削力减少，切削温度降低，加工表面质量提高。