刀具材料的种类及其选用

摘　要：本文讲述了刀具的材料及刀具材料应具备的性能。

关键词：高硬度? 高耐热性? 经济性
　　刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料，几何形状和刀具结构。刀具材料对刀具的使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响。因此要重视刀具材料的正确选择与合理的选用。
刀具材料应具备的性能
　　性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。
高硬度和高耐磨性
　　刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。
足够的强度与冲击韧性
　　强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。一般用抗弯强度来表示。冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。
高耐热性
　　耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。
良好的工艺性和经济性
　　为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。当然在制造和选用时应综合考虑经济性。当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。因此在选用时一定要综合考虑。
常用刀具材料
高速钢
　　高速钢是一种加入了较多的钨（W）、铬（Cr）、钒（V）、钼（Mo）等合金元素的高合金工具钢，有良好的综合性能。高速钢具有较高的硬度，一般硬度为62-67HRC和耐热性。在切削温度高达500-650℃时仍能进行切削。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。抗弯性是一般硬质合金的2-3倍，是陶瓷的5-6倍。韧性很好，可以在有冲击、振动的场合应用。它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。
硬质合金
硬质合金的分类：
　　按GB2075—87(参照采用190标准)可分为P、M、K三类，P类硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，用蓝色作标志；M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色作标志，又称通用硬质合金，K类主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料，用红色作标志。P、M、K(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时承受载荷的情况或加工条件。数字愈小，硬度愈高，韧性愈差。
硬质合金的性能

　　硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TIC等）和 金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89-93HRA，760°时其硬度为77-85HRA，在800-1000℃时硬质合金还能进行切削。刀具寿命比高速钢刀具高几倍甚至几十倍。可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是强度和韧性比高速钢差，常温下冲击韧性仅为高速钢的1/8—1/30，因此硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金是常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和面铣刀，也可以用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的刀具可以采用硬质合金制造。但是整体硬质合金刀具的成本较高，其价格是高速钢刀具的8-10倍。
陶瓷的分类及选用
　　制作刀具的陶瓷材料是以人造化合物为原料，在高压下形成，在高温下烧结而成的。它有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3—5倍，但是陶瓷的最大弱点是抗弯强度低，冲击韧性差，因此主要用于钢、铸铁、有色金属等材料的精加工和半精加工。按成分陶瓷可分为以下几种：高纯氧化铝陶瓷、复合氧化铝陶瓷、复合氮化硅陶瓷
涂层刀具简述
　　涂层刀具是近20 年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。除上述单层涂层刀片外，还有TiC+TiN、TiC+TiN+ Al2O3等两层、三层的复合涂层，其性能更优。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。
金刚石刀具
　　金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外很少作为切削工具应用在工业中。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD），聚晶金刚石的晶粒随机排列，属各向同性体，常用于制造刀具。但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。
5 结束语
　　科学合理的选择刀具的材料对生产效率、加工质量和生产成本影响极大，因此要高度重视刀具材料的正确选择和合理利用。
参考文献：
[1]肖诗纲.刀具材料及其合理选择(第二版)[M].北京:机械工业出版社,1990.
[2]沈延山.氮化钛涂层刀具及其使用[J].组合机床与自动化加工技术,1994.