金属切削刀具常用材料及其选用

金属切削刀具常用材料及其选用 金属切削加工时利用刀具切除被加工零件多余材料从而获得合格零件的加工方法，它是机械制造业中最基本的方法。而在金属切削加工中，刀具是必不可少的一部分，而刀具材料的选择更是重要的一部分。为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。金属切削刀具的切削性与其几何参数有非常重要的关秉，但能够决定刀具材料切削性能的是其本身的强度和锄性，硬度和耐磨性，耐热性等。本文详细介绍了金属切刺刀具常用的材料及其典型牌号的这些特性，通过对刀具材料这些特性的分析，佳人们能够了解每种刀具材料适易于加工的工件材料，有助于帮助使用者合理选择．以充分发挥材料的切削性能。

在现代机械制造业中，机械加工的切削刀具对于提高生产效率，改进产品质量起到关键的作用。由于目前国家各工厂所应用的刀具材料非常复杂，又由于刀具材料的性能优劣能够影响加工零件表面的切削效率，刀具寿命等。

材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。 机械性能 机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。

1.强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。

2.屈服点（бs）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。时应力值，单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。

3.抗拉强度（бb）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿/毫米2（N/mm2）表示。

4.延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。

5.断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。

6.硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定

分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度（HKA、HKB、HRC）

7.冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2（J/cm2）. 工艺性能 指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。

8.铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。

9.焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。

10.顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。

11.冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度 α （外角）或弯心直径 d 对材料厚度 a 的比值表示， a 愈大或 d/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。

12.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。

13.锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。 化学性能 指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。

14.耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。

15.抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。

而在金属切削过程中刀具切削部分在高温下承受着很大的切削力与剧烈摩擦，所以为了提高工件表面质量，刀具寿命及切削效率因此刀具材料应具备以下性能：

①高的硬度和耐磨性

②足够的强度和韧性

③高的耐热性

④良好的工艺性与经济性

⑤好的导热性和小的膨胀系数。

因此面对刀具所应具备的性能，刀具材料选择时很难找到各方面的性能都是最佳的，因为各种材料性能之间有的是相互制约的，面对如此情况只能根据工艺的需要保证主要需求性能。

当前使用的刀具材料主要分为四大类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具

钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷、超硬质刀具材料，一般的机加工使用最多的是高速钢与硬质合钢。

1、工具钢

用来制造刀具的工具钢主要有三种即碳素工具钢，合金工具钢和高速钢。工具钢的主要特点是耐热性差但抗弯强度高，价格便宜焊接与刃磨性能好故广泛用于中低速切削的成形刀具，不宜高速切削。

⑴碳素工具钢

碳素工具钢按化学成分分类，碳素工具钢负属于非合金钢，按主要质量等级和主要性能及使用特性分类，碳素工具钢属于特殊质量非合金钢，碳素工具钢常用于制作刀具、模具和量具的碳素钢，其加工性良好价格低廉，使用范围广泛所以它在工具钢中用量较大。由于碳素工具钢生产成本极低，原材料来源方便易于冷热加工，在热处理后可获得相当高的硬度，由于碳素工具钢在切削温度高于250～300℃时，马氏体要分解，使得硬度降低，碳化物分布不均匀，淬火后变形较大，易产生裂纹，淬透性差，淬硬层薄所以只适于用于切削速度很低的刀具，如锉刀、手用锯条等。

⑵合金工具钢

合金工具钢是在碳素工具钢基础上加热铬、钨、钒等合金元素，以提高淬透性，韧性，耐磨性和耐热性的一类钢种，它主要用于制造量具、刀具、耐冲击工具和冷热模具及一些特殊用途的工具。由于合金工具钢热硬性达325～400℃，允许切削速度为10～15m/min，所以其目前主要用于低速工具如丝锥、板牙等。 ⑶高速钢

常用于制造各种复杂刀具，如钻头、丝锥．拉刀、成型刀具、齿轮刀具等。它可以加工从有色金属到高温合金的各种材料。常用的种类有：：普通高速钢、高性能高速钢，粉末冶金高速钢。高速钢是含有W、Mo、Cr、V等元素较多，具有高硬度，高耐磨性的工具钢，又称高速工具钢为白钢或锋钢。高速钢的综合性能较好，应用范围最广的一种刀具材料，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具也可制造高温轴承和冷挤压模具等，高速钢经过热处理后硬度达62～66HRC，抗弯强度约为3.3GPa，耐热性为600℃左右，此外还具有热处理变形小，能锻造，易磨出较锋利的刃口等优点，他常用于制造结构复杂的成形刀具，

孔加工刀具，如铣刀，拉刀。切齿刀具等。

2、硬质合金

硬质合金足当今最丰要的刀具材料之一。它是【ｆ１难熔金属碳化物（ｗＣ．Ｔｉｃ，ＴａＣ，ＮｂＣ）和金属枯结齐ｑ（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ）经粉末冶金方法制成的。但脆性大，抗弯强度和抗冲击韧性小强。抗弯强度只有高速钢的ｌ／３一ｌ／２，冲击韧性只有高速钢的１／４～ｌ／３５．允许切削温度高达８００～１０００℃。硬质合金力学性能主要由组成硬质合金碳化物的种类、数量、颗粒的粗细和粘结剂的种类、含量、分布情况决定。一般来说碳化物的含量越多，刀具的耐磨性、耐热性越好，但抗弯强度和冲击韧性降低ｔ反之，粘结剂的含量越高，则刀具的抗弯强度，冲击韧性越好，而耐磨性和耐热性降低。细晶粒的硬质合金的硬度高于粗晶粒的硬质合金，而强度和韧性低下粗晶粒。常用的种类有：钨钴类硬质合金ＹＧ，钨钛钴类硬质合金ＹＴ、钨钛钽（铌）类硬质合金Ｙｗ。分别相当于ｌＳＯ标准的Ｋ、Ｐ、Ｍ类。

硬质合金有难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工业制成的一种合金材料，硬质合金具有耐热性好，切削效率高，强度和韧性较好的，耐磨，耐腐蚀等性能。常用的硬质合金中含有大量的WC，TiC，因此硬度，耐热性均高于工具钢，硬质合金是当今主要的刀具材料之一，硬质合金广泛用作刀具材料如车刀、铣刀、钻头、镗刀等。

硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接，粘接，机械夹持等方法安装在刀体或模具上使用，因此大多数车刀，端铣刀和部分立铣刀等均已采用硬质合金制造。

3、陶瓷

随着新技术革命的发展要求不断提高切削加工生产率和降低生产成本，特别是数控机床的发展，要求开发比硬质合金刀具切速更高、更耐磨的新型刀具。近几年来，随着对高温结构陶瓷领域研究的不断深入，使氮化硅陶瓷的性能有了很大提高，从而使氧化硅陶瓷刀具在我国迅速发展起来。

陶瓷刀具是以氧化铝或以氮化硅为基体再加入少量金属，在高温下烧结而成的一种刀具材料。陶瓷刀具具有高硬度、耐磨性、耐热性、化学稳定性、摩擦系

数低、强度与韧性低和热导率低等特点，由此陶瓷刀具一般适用于在高速下精细加工硬材料。

4、超硬质刀具

超硬质刀具是现代工程材料的加工在硬度方面提出的更高的要求而应运而生的，超硬材料的化学成分及其形成硬度的规律或其他刀具材料不同。现代刀具材料高速钢、硬质合金、陶瓷的主要硬质成分是碳化物、氧化物、氮化物这些化合物的硬度高达3000HV，加上粘结物质其总体硬度在2000HV以下，对于现代工程材料的加工在某些情况下，上述刀具材料的硬度已无法满足需求，于是就产生了超硬质刀具材料。

超硬质刀具材料有很多种如金刚石、立方氮化硼等，它具有优异的机械性能，物理性能和其他性能，其中有些性能适合于刀具，具有很高的硬度，良好的导热性，较高的杨氏模量，热膨胀很小，较小的密度和较低的断裂韧性。

其中立方氮化硼具有较高硬度，高热和稳定性，对铁族元素呈惰性故最适合制作切削各种淬硬质钢（碳素工具钢、合金工具钢、高速钢等）各种铁基、镍基、钴基和其他热喷涂（焊）零件。

金刚石具有较高的硬度及其他优异性，他制作的刀具应用范围更广泛，可以加工各种难加工的材料，非难加工材料，但天然金刚石价格昂贵，主要用于有色金属及非金属的精密加工。超硬质材料由于性能优越，应用范围不断扩大，已经从金属加工发展到光学玻璃加工，石材加工，陶瓷加工等传统加工难进行的领域对各种工业的发展将起到巨大推动作用。

以上介绍了各种常用刀具材料的种类和性能，在选用是应根据不同的工件材料，加工条件、工件的表面质量、生产率和加工成本进行合理选择，充分发挥刀具材料的切削性能。而且随着现代社会的进步和科学技术的日新月异，机械材料加工对刀具的材料要求也越来越高，因此，熟练掌握了解各种刀具的使用及材料的特点，才能更好的选择和正确使用刀具，制造出更加精确的零件。