常規刀具材料的基本性能

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高速鋼

1898 年由美國機械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)發明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加入了較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，其含碳量為0.7%——1.05%。高速鋼具有較高耐熱性，其切削溫度可達600℃，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，其切削速度可成倍提高。高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現代切削加工對刀具材料越來越高的要求；此外，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內日漸枯竭，據估計其儲量只夠再開采使用40——60年，因此高速鋼材料面臨嚴峻的發展危機。

陶瓷

與硬質合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀具的耐用度為硬質合金刀具的10——20倍，其紅硬性比硬質合金高2——6倍，且化學穩定性、抗氧化能力等均優于硬質合金。陶瓷材料的缺點是脆性大、橫向斷裂強度低、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進行改進的重點。

陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，經熱壓制成復合陶瓷刀具，其硬度可達93——95HRC，為提高韌性，常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為Si3N4+TiC+Co復合陶瓷，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當。③氮化硅—氧化鋁復合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學成分為77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可達1800HV，抗彎強度可達1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵。

金屬陶瓷

金屬陶瓷與由WC構成的硬質合金不同，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結劑Ni、Co、Mo等構成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質合金，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強度大于陶瓷材料，小于硬質合金；化學穩定性和抗氧化性好，耐剝離磨損，耐氧化和擴散，具有較低的粘結傾向和較高的刀刃強度。

金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質合金、涂層硬質合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；由于金屬陶瓷與鋼的粘結性較低，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩定，在自動化加工中不易發生長切屑纏繞現象，零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較差，易碎裂，因此使用范圍有限。

超硬材料

人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料統稱為超硬材料。金剛石是世界上已知的最硬物質，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩定性、高溫半導體特性等多種優良性能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密加工，特別適合加工非金屬硬脆材料。1955年，美國GE公司采用高溫高壓法成功合成了人造金剛石，1966年又研制出人造聚晶金剛石復合片(PCD)，自此人造金剛石作為一類新型刀具材料得到迅速發展。但由于金剛石中的碳在高溫下易與鐵元素作用而迅速溶解，因此金剛石刀具不適合加工鐵基合金，從而大大限制了金剛石在金屬切削加工中的應用。

立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此，雖然目前CBN還是以燒結體形式進行制備，但仍是適合鋼類材料切削、具有高耐磨性的優良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高熱穩定性、高化學穩定性等優異性能，因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。如采用CBN可轉位刀片干式精車淬硬齒輪，每個齒輪的加工成本可降低60%；采用配裝球形CBN刀片的立銑刀精銑大型硬質磨具，磨削時間可比傳統工藝減少80%。CBN材料的不足之處是韌性較差的問題尚待解決。

硬質合金

硬質合金由Schroter于1926年首先發明。經過幾十年的不斷發展，硬質合金刀具的硬度已達98——93HRA，在1000℃的高溫下仍具有較好的紅硬性，其耐用度是高速鋼刀具的幾十倍。

硬質合金是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等難熔金屬碳化物以及作為粘結劑的鐵族金屬用粉末冶金方法制備而成。與高速鋼相比，它具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性；與超硬材料相比，它具有較高的韌性。由于硬質合金具有良好的綜合性能，因此在刀具行業得到了廣泛應用，目前國外90%以上的車刀、55%以上的銑刀均采用硬質合金材料制造。

硬質合金牌號通常可分為三類：①YG類(WC-Co類)：該類硬質合金制造的刀具具有較好的韌性、耐磨性、導熱性等，主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬。②YT類(WC-TiC-Co類)：由于材料中加入了TiC，使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗彎剛度有所降低。該類硬質合金具有高硬度和高耐熱性，抗粘結、抗氧化能力較好，適用于加工鋼材，切削時刀具磨損小，耐用度較高。③YW類(WC-TiC-TaC-Co類)：在YT材料中加入TaC是為了提高刀具的強度、韌性和紅硬性。該類硬質合金材料具有很高的高溫硬度、高溫強度和較強的抗氧化能力，特別適于加工各種高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。

雖然近年來各種新型刀具材料層出不窮，但在今后相當長一段時間內，硬質合金刀具仍將廣泛應用于切削加工，因此需要研究開發新的材料制備技術，進一步改善和提高硬質合金刀具材料的切削性能。

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