数控加工刀具材料的种类、性能、特点、应用

01

刀具材料应具有基本的性能。

刀具的选择对刀具寿命、加工效率、加工质量和加工成本有很大的影响。刀具承受高压、高温、摩擦、冲击和振动。因此，刀具材料应具有以下基本性能:

(1)硬度和耐磨性。刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度，一般要求在60HRC以上。工具的硬度越高，耐磨性越好。

(2)强度和韧性。刀具应具有较高的强度和韧性，以承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆断和崩刃。

(3)耐热性。该刀具材料耐热性好，切削温度高，抗氧化性好。

(4)工艺性能和经济性。材料应具有良好的锻造性能、热处理性能和焊接性能；研磨性能等。，追求高性价比。

02

刀具的类型、性能、特点和应用

1.金刚石刀具材料

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，广泛应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，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具。金刚石刀具可以实现高效率、高稳定性和长寿命的加工，是现代数控加工中不可缺少的工具。

(1)金刚石刀具的类型

①天然金刚石工具:天然金刚石作为切割工具已有数百年的历史。天然单晶金刚石刀具经过精磨后，刃口可以极其锋利，刃口半径可以达到0.002μm m，可以实现超薄切削，可以加工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工具。

② PCD金刚石工具:天然金刚石价格昂贵，聚晶金刚石(PCD)在切割中应用广泛。自20世纪70年代初，高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(简称PCD刀片)问世后，天然金刚石工具在许多场合被人造聚晶金刚石所取代。PCD原料丰富，价格仅为天然钻石的十分之一到十分之一。PCD工具不能磨削极其锋利的边缘，加工出来的工件表面质量不如天然金刚石。目前，具有断屑槽的PCD刀片在工业上不容易制造。所以PCD只能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。

③ CVD金刚石工具:CVD金刚石技术于70年代末至80年代初出现在日本。CVD金刚石是指在异质基底(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石薄膜。)通过化学气相沉积(CVD)。CVD金刚石具有与天然金刚石相同的结构和特性。与天然金刚石相比，CVD金刚石的性能非常接近，兼具天然单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，但在一定程度上克服了它们的缺点。

⑵金刚石工具的性能特点

①极高的硬度和耐磨性:天然钻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100 ~ 100倍，甚至高达上百倍。

②摩擦系数低:金刚石与某些有色金属的摩擦系数低于其他刀具，摩擦系数低，加工时变形小，可降低切削力。

③刃口非常锋利:金刚石刀具的刃口可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具可以高达0.002 ~ 0.008微米，可用于超薄切削和超精密加工。

④导热率高:金刚石的导热率和热扩散率高，切削热容易散发，刀具切削温度低。

⑤热膨胀系数低:金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，切削热引起的刀具尺寸变化很小，这对于尺寸精度要求高的精密和超精密加工尤为重要。

⑵金刚石工具的应用

金刚石工具主要用于有色金属和非金属材料的高速精密切削和钻孔。适用于加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金坯料、陶瓷材料等。各种耐磨有色金属，如各种硅铝合金；各种有色金属精加工。

金刚石工具的缺点是热稳定性差。当切削温度超过700℃ ~ 800℃时，它们的硬度将完全丧失。另外也不适合切削黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子发生反应，使碳原子转化为石墨结构，刀具容易损坏。

2.立方氮化硼刀具材料

立方氮化硼(CBN)是采用类似金刚石制造方法合成的第二种超硬材料，其硬度和热导率仅次于金刚石，具有优异的热稳定性。在空气中加热到1000℃时不会被氧化。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)立方氮化硼工具的种类

立方氮化硼(CBN)是一种自然界不存在的物质。可分为单晶和多晶，即单晶CBN和多晶立方氮化硼(PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素异形体之一，其结构类似于金刚石。

PCBN(多晶立方氮化硼)是一种多晶材料，其中细小的CBN材料通过粘结相(TiC、TiN、al、Ti等)烧结在一起。)在高温高压下。它是目前人工合成的硬度仅次于金刚石的工具材料，它和金刚石合称为超硬工具材料。PCBN主要用于制造刀具或其他工具。

PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和烧结硬质合金PCBN复合刀片。

PCBN复合刀片是在具有良好强度和韧性的硬质合金上烧结一层0.5 ~ 1.0毫米厚的PCBN制成的。其性能具有良好的韧性、高硬度和耐磨性，解决了CBN刀片抗弯强度低、焊接困难的问题。

⑵立方氮化硼的主要性能和特点

立方氮化硼的硬度虽然略低于金刚石，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，可达1200℃以上(金刚石为700 ~ 800℃)。另一个突出的优点是化学惰性，在1200 ~ 1300℃不与铁反应。立方氮化硼的主要性能特点如下。

①硬度高，耐磨:CBN晶体结构与金刚石相似，硬度和强度与金刚石相近。PCBN特别适合加工以前只能磨削的高硬度材料，能获得较好的工件表面质量。

②热稳定性高:CBN的耐热性可达1400 ~ 1500℃，几乎是金刚石(700 ~ 800℃)的l倍。PCBN刀具能以比硬质合金刀具高3 ~ 5倍的速度切削高速高温合金和淬硬钢。

③优异的化学稳定性:在1200-1300℃不与铁基材料发生化学反应，不会像金刚石那样急剧磨损。此时仍能保持硬质合金的硬度；PCBN刀具适用于切削淬硬钢零件和冷硬铸铁，可广泛应用于铸铁的高速切削。

④导热性好:虽然CBN的导热性赶不上金刚石，但PCBN的导热性仅次于金刚石，远高于高速钢和硬质合金。

⑤低摩擦系数:低摩擦系数可以降低切削力，降低切削温度，提高加工表面质量。

⑵立方氮化硼刀具的应用

立方氮化硼适用于加工各种难加工材料，如淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等。加工精度可达IT5(孔IT6)，表面粗糙度可小至Ra1.25~0.20μm。

立方氮化硼刀具材料的韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不适合低速大冲击载荷的粗加工；同时不适合切割塑性较高的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性较高的钢等)。)，因为切削这些金属时，会出现严重的切屑结块，使加工表面恶化。

3.陶瓷刀具材料

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性和化学稳定性优异、不易与金属粘结等特点。陶瓷刀具在数控加工中起着非常重要的作用。陶瓷刀具已成为高速切削和难加工材料加工的主要工具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削和难加工材料的切削。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本无法加工的高硬度材料，实现“以车代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2 ~ 10倍，从而大大提高了切削生产效率。陶瓷刀具使用的主要原料是地壳中最丰富的元素。因此，陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节约战略贵金属具有重要意义，也将极大地推动切削技术的进步。

(1)陶瓷刀具材料的种类

陶瓷刀具材料一般可分为三类:氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷和氮化硅-氧化铝基复合陶瓷。其中，氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀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。

⑵陶瓷刀具的性能和特点

①硬度高，耐磨性好:陶瓷刀具的硬度虽然没有PCD和PCBN高，但比硬质合金和高速钢刀具高得多，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。

②耐高温，耐热性好:陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能切削。陶瓷刀具具有良好的高温力学性能，A12O3陶瓷刀具具有优异的抗氧化性能。即使刀刃处于赤热状态，也可以继续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而节省切削液。

③化学稳定性好:陶瓷刀具不易与金属粘结，具有良好的耐腐蚀性和化学稳定性，可减少刀具的粘结磨损。

④摩擦系数低: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。

⑵陶瓷刀有用途。

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁)和钢(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等)。)，也可用于切割铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。

陶瓷刀具的性能存在一些问题，如抗弯强度低、冲击韧性差，不适合在低速和冲击载荷下切削。

4.涂层工具材料

刀具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有了很大的突破。涂层刀具是在韧性好刀具本体上涂覆一层或多层耐磨性好的耐火化合物，使刀具基体与硬质涂层相结合，从而大大提高刀具性能。涂层刀具可以提高加工效率、加工精度、延长刀具寿命、降低加工成本。

新型数控机床使用的刀具中，约80%使用涂层刀具。涂层刀具将是未来数控加工领域最重要的刀具品种。

(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。涂层硬质合金刀具常用化学气相沉积法，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积，沉积温度在500℃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刀具、高速钢涂层刀具以及陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具。

根据涂层材料的性质，涂层工具可分为两类，即“硬”涂层工具和“软”涂层工具。“硬”涂层工具的主要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，典型的是TiC和TiN涂层。“软”涂层工具的目标是低摩擦系数，也称为自润滑工具。其与工件材料的摩擦系数仅为0.1左右，可降低附着力、摩擦力、切削力和切削温度。

最近，已经开发了纳米涂层工具。这种涂层刀具可以采用各种涂层材料的不同组合(如金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷等。)以满足不同的功能和性能要求。纳米涂层的合理设计可以使刀具材料具有优异的减摩、耐磨和自润滑性能，适用于高速干切削。

⑵涂层刀具的特点

①良好的力学和切削性能:涂层刀具结合了基体材料和涂层材料的优良性能，既保持了基体材料的良好韧性和高强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度可以比无涂层刀具提高2倍以上，并且允许更高的进给速度。涂覆工具的寿命也提高了。

②通用性强:涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大。可以用一个涂层工具代替几个非涂层工具。

③涂层厚度:随着涂层厚度的增加，刀具寿命会增加，但当涂层厚度达到饱和时，刀具寿命不会明显增加。涂层过厚，容易造成起皮；当涂层太薄时，耐磨性差。

④复磨性:涂层叶片复磨性差，涂层设备复杂，工艺要求高，涂层时间长。

⑤涂层材料:不同涂层材料的刀具切削性能不同。比如低速切削时TiC涂层占优势；锡适合高速切削。

⑵涂层工具的应用

涂层刀具在数控加工领域有着巨大的潜力，将是未来数控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、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成形拉刀和各种可转位刀片，满足了各种钢、铸铁、耐热合金和有色金属的高速切削需要。

5.硬质合金刀具材料

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。20世纪80年代以来，各种整体式、可转位硬质合金刀具或刀片扩展到各种切削刀具，其中可转位硬质合金刀具从简单的车刀、面铣刀扩展到各种精密、复杂、异形刀具。

(1)硬质合金刀具的种类

根据主要化学成分，硬质合金可分为WC基硬质合金和TiC(N)基硬质合金。

钨基硬质合金包括钨钴(YG)、钨钴钛(YT)和稀有碳化物(YW)，它们各有优缺点。主要成分有碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)等。常用的金属粘结相是CO。

碳(氮)基碳化钛是一种以TiC为主要成分的硬质合金(有的还添加了其他碳化物或氮化物)，常用的金属粘结相有Mo和Ni。

ISO(国际标准化组织)将切削硬质合金分为三类:

K级，包括Kl0~K40，相当于中国的YG级(主要成分是WC。Co)。

P级，包括P01~P50，相当于中国的YT级(主要成分是WC。TiC.Co)。

M级，包括M10~M40，相当于中国的YW级(主要成分是WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。

每个品牌都是从高硬度到最大韧性的一系列合金，编号在01到50之间。

⑵硬质合金刀具的性能特点

①高硬度:硬质合金刀具是由高硬度、高熔点的碳化物(称为硬质相)和金属粘结剂(称为粘结相)用粉末冶金方法制成的。其硬度达到89 ~ 93 HRA，远高于高速钢。在5400C时，硬度仍可达到82 ~ 87 HRA，与室温高速钢相同(83 ~ 86 HRA)。硬质合金的硬度随碳化物的性质、数量、粒度和金属粘结相的含量而变化，一般随粘结金属相含量的增加而降低。当粘结相含量相同时，YT合金的硬度高于YG合金，含TaC(NbC)的合金具有更高的高温硬度。

②抗弯强度和韧性:普通硬质合金的抗弯强度在900~1500MPa范围内。金属粘结相含量越高，抗弯强度越高。当粘结剂含量相同时，YG合金(WC-Co)的强度高于YT合金(WC-TiC-Co)，强度随TiC含量的增加而降低。硬质合金是一种脆性材料，室温冲击韧性只有高速钢的1/30 ~ 1/8。

⑵常用硬质合金刀具的应用

YG合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在钴含量相同的情况下，比中晶粒硬质合金具有更高的硬度和耐磨性。适用于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。

YT硬质合金的突出优点是硬度高、耐热性好，比YG硬质合金具有更高的高温硬度和抗压强度，以及更好的抗氧化性。因此，当要求工具具有高耐热性和耐磨性时，应选择TiC含量高的品牌。YT合金适用于加工钢材等塑料材料，不适用于钛合金和硅铝合金。

YW合金兼有YG和钇合金的性能，具有良好的综合性能。它们可用于加工钢、铸铁和有色金属。如果适当增加钴含量，这种合金的强度可以很高，可用于各种难加工材料的粗加工和断续切削。

6.高速钢刀具

高速钢是一种含W、Mo、Cr、v等合金元素较多的高合金工具钢，高速钢工具在强度、韧性和工艺性等方面具有优异的综合性能。在复杂刀具中，高速钢仍占主要地位，特别是在一些复杂刀具的制造中，如孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀和齿轮刀具。高速钢工具很容易磨出锋利的刀刃。

根据用途不同，高速钢可分为通用高速钢和高性能高速钢。

(1)万能高速钢刀具

通用高速钢。一般可分为钨钢和钨钼钢。这种高速钢含有0.7% ~ 0.9%的添加剂(C)。按钢中钨的含量可分为含12%或18% W的钨钢、含6%或8% W的钨钼钢、含2% W或不含W的钼钢，通用高速钢具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性，强度和韧性高，塑性和加工工艺性好，因此广泛用于制造各种复杂的刀具。

①钨钢:通用高速钢钨钢的典型品牌为W18Cr4V(简称W18)，综合性能良好。其600℃高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂工具。具有易磨性好，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，强度和韧性低。

②钨钼钢:指用钼代替钨钢中的一部分钨而得到的一种高速钢。钼钢的典型品牌是W6Mo5Cr4V2(简称M2)。M2碳化物颗粒细小均匀，其强度、韧性和高温塑性均优于W18Cr4V。另一种W-Mo钢是W9Mo3Cr4V(简称W9)，热稳定性比M2钢略高，抗弯强度和韧性比W6M05Cr4V2好，切削性能好。