第二章刀具材料6/6/2023明確刀具材料應具備的性能；掌握常用刀具材料中高速鋼和硬質合金的性能及應用場合；會根據具體加工工藝情況選擇不同牌號的刀具材料；了解其他刀具材料的性能。【內容提要】

本章主要介紹刀具材料應具備的性能，以及常用刀具材料中高速鋼和硬質合金材料的特性及應用場合；簡單介紹其他刀具材料的性能及應用。【目的要求】

6/6/2023刀具材料是指刀具上參與切削的那部分材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的幾何形狀，而且還要求有相應的刀具材料。目前廣泛應用的刀具材料有高速鋼和硬質合金。高速鋼一般允許切削速度為25～30m/min；硬質合金允許的切削速度為100m/min。要提高切削加工的生產率，就需要提高切削速度和刀具耐用度。就要求提供切削性能更好的刀具材料。切削過程中會產生切削抗力、切削熱、沖擊和振動，那么刀具材料具有哪些性能才能滿足要求呢?概述6/6/2023§2-1刀具材料應具備的性能

一、足夠的硬度和耐磨性

刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度，一般比工件高出1.5—2倍，否則在高溫高壓下，就不能保持刀具鋒利的幾何形狀。目前，切削性能最差的刀具材料—碳素工具鋼，其硬度在室溫條件下也應在62HRC以上；高速鋼的硬度為63～70HRC。硬質合金在74～81.5HRC左右。

硬度是指材料抵抗其他物體壓入其表面的能力。6/6/20232.耐磨性是指材料抵抗磨損的能力。它與材料硬度、強度和組織結構有關。一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。二、足夠的強度和韌性

在切削過程中，刀具承受很大的壓力、沖擊和振動，只有抗彎強度好，切削用量才不會發生變化。粗加工余量不均，切削力發生變化，對刀具有沖擊和振動，如果韌性不好，常會出現崩刃或折斷。硬度和韌性是一對不可解決的矛盾，如高速鋼的韌性好，硬度較差，而硬質合金的硬度高，韌性差。6/6/2023三、較高的耐熱性和傳熱性

耐熱性是指在高溫下刀具材料保持硬度、耐磨性、強度和韌性的性能。用紅硬性表示。高溫下硬度越高，則紅硬性越好。允許的切削速度越高。刀具材料的傳熱系數大，有利于切削區熱量的傳出，降低切削溫度。6/6/2023四、良好的工藝性

為了便于刀具加工制造，刀具材料要有良好的工藝性能。6/6/2023五、經濟性好經濟性是評價新型刀具材料的重要指標之一，也是正確選用刀具材料、降低產品成本的主要依據之一。刀具材料的選用應立足于本國資源，注意經濟效果，力求價格低廉。

沒有一種刀具材料能具備所有性能的最佳指標，而是各有所長。所以在選擇刀具材料時應合理選用。6/6/2023§2-2常用刀具材料

目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質合金及陶瓷等。一、碳素工具鋼

碳素工具鋼是一種含C量較高的優質鋼（含C一般為0.65～1.35%）。1、常用牌號：T7A、T8A·······T13A其中：T——碳，A——高級優質碳素工具鋼。阿拉伯數字，含碳量。如7指含碳0.7％。6/6/2023淬火后硬度較高，可達HRC61～65；紅硬性為200℃～250℃，價格低廉，不耐高溫；允許切削速度VC≤10m/min

只能制作低速手用刀具，如板牙、鋸條、銼等；優點：易刃磨，可獲得鋒利的刀刃。

2、主要性能6/6/2023二、合金工具鋼在碳素工具鋼中加入一定量的鉻（Cr）、硅（Si）鎢（W）、錳（Mn）、釩（V）等合金元素（合金元素總含量不超過3％～5％），能夠提高材料的耐熱性、耐磨性和韌性，同時還可以減少熱處理時的變形。1、主要牌號9SiCr：9表示平均含C量為0.90%，Si、Cr平均含量均小于1.5%；CrWMn：平均含C量大于1.0%，Cr、W、Mn平均含量均小于1.5%。

6/6/2023淬火后的硬度可達HRC61～65；紅硬性為300℃～400℃；允許切削速度Vc=10～15m/min；制作低速、形狀比較細長、截面積大、刃形復雜、要求淬火后變形小的刀具。如：板牙、拉刀、手用鉸刀（孔的精加工）、絲錐等。2、主要性能6/6/2023三、高速鋼

高速鋼是一種高合金工具鋼，鋼中含有鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等合金元素，這些合金元素的含量較高，主要改變以往工具鋼的性能。高速鋼經過適當熱處理，可獲得良好的切削性能。用高速鋼制成的刀具，在切削時顯得比一般低合金工具鋼刀具更加鋒利，因此又俗稱鋒鋼。高速鋼區別于其他一般工具鋼的主要特性是它具有良好的熱硬性（紅硬性），當切削溫度高達600℃左右時硬度仍無明顯下降，能以比合金工具鋼更高的切削速度進行切削，高速鋼由此而得名。6/6/2023具有高的強度和韌性；良好的耐磨性，63～66HRC(加入V元素的作用)；紅硬性為600℃（加入W元素的作用）；允許切削速度Vc=25～30m/min；具有良好的制造工藝性；可獲得鋒利的刀刃（鋒鋼之稱）；加工范圍較大：鑄鐵、有色金屬、鋼等。(一)高速鋼的性能：6/6/2023（二）高速鋼的分類1、普通高速鋼：2、高性能高速鋼：工藝性好，可滿足一般工程材料的切削加工。通過調整基本化學成分和添加其他合金元素，使其性能比普通高速鋼提高一步，可用于切削高強度鋼，高溫合金、鈦合金等難加工材料。

6/6/2023四、硬質合金

指由高硬度、高熔點的碳化物，用金屬粘結劑，經過高壓成形，在500℃的高溫下燒結而成的材料。組成：硬質相（TiC或WC）+

粘結相（Co、Ni、Mo等）硬質合金的主要成分，具有高硬度、高熔點和化學穩定性好的特點。硬度↑

抗彎強度↓

硬度↓抗彎強度↑6/6/2023常溫硬度74～81.5HRC，紅硬性為800℃～1000℃，耐磨性優良。允許切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超過200m/min。硬質合金刀具的切削速度比高速鋼提高4～7倍，刀具壽命可提高5～80倍。脆性較大，怕沖擊和振動。容易出現崩刃，因此注意加工條件。制造工藝性差。由于硬度太高，不能進行機械加工，因而硬質合金經常制成一定規格的刀片，焊在刀體上使用。如硬質合金端銑刀（非整體式的）。加工范圍較廣。脆性材料、鋼材、有色金屬等均可加工。（一）主要性能6/6/2023（二）分類1、鎢鈷類硬質合金（YG）（1）組成：WC+Co（2）常用牌號：YG3、YG6、YG8符號中：3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%。

Co的含量↑韌性↑強度↑HRC↓耐磨性↓

Co的含量↓韌性↓強度↓HRC↑耐磨性↑脆性↑YG3（精加工）、YG6（半精加工）、YG8（粗加工）（3）應用：主要用于加工鑄鐵、青銅等脆性材料。6/6/20232、鎢鈷鈦類硬質合金（YT）

（1）組成：硬質相（WC+TiC）+粘結相（Co）（2）常用牌號：YT5、YT14、YT15、YT30數字表示TiC的百分含量（3）應用：TiC含量↑硬度↑耐磨性↑脆性↑韌性↓TiC含量↓硬度↓耐磨性↓脆性↓韌性↑主要用于加工鋼材及有色金屬YT5（粗加工）YT14、YT15（半精加工）YT30（精加工）6/6/20233、添加稀有金屬硬質合金是在鎢鈷類（YG）和鎢鈷鈦類（YT）硬質合金中加入適當的添加劑（合金碳化物TaC、NbC），形成的硬質合金新品種。可提高其抗彎強度、疲勞強度和沖擊韌性，提高和金的高溫硬度和高溫強度，提高抗氧化能力和耐磨性。這類合金較YG類、YT類硬質合金有更高的硬度、韌性和耐磨性，主要用于鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。注釋：Ta:鉭（tan）Nb:鈮（ni）6/6/20234、碳化鈦基硬質合金（YN）組成：硬質相（TiC）+粘結相（Ni+Mo）這種合金有很高的耐磨性，有較高的耐熱性和抗氧化能力，化學穩定性好，與工件材料的親合力小，抗粘結能力較強。缺點是導熱率和韌性較差。用途：主要用于鋼材、鑄鐵的精加工、半精加工和粗加工。6/6/2023§2-3其他刀具材料1、陶瓷材料

主要是以氧化鋁（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等為主要成分，經壓制成型后燒結而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化學性能穩定，耐氧化，所以被廣泛用于高速切削加工中。但由于其強度低，韌性差，長期以來主要用于精加工。近年來采用先進的工藝，使其抗彎強度、抗沖擊性能有很大的提高，應用范圍在日益擴大。除適于一般的精加工和半精加工外，還可用于沖擊負荷下的粗加工。6/6/2023可加工硬度高達HRC65的高硬度難加工材料；可用于扒荒粗車及銑、刨等大沖擊間斷切削；耐用度提高幾倍至幾十倍；切削效率提高3～10倍，可實現以車、銑代磨；強度低、韌性差。抗彎強度為硬質合金的1/2；導熱系數低，僅為硬質合金的1/5～1/2。陶瓷刀具的優缺點：與傳統硬質合金刀具相比，具有以下優缺點：6/6/2023硬度很高，可達8000～9000HV，僅次于金剛石；有很好的熱穩定性，可承受1000℃以上的切削溫度，在高溫1200℃～1300℃時也不會與鐵族金屬起反應。既能勝任淬火鋼、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質合金及其他難加工材料的高速切削。2、立方氮化硼是70年代才發展起來的一種人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高溫、高壓下加入催化劑轉變而成的。其性能：6/6/20233、金剛石

分為人造和天然兩種，是目前已知最硬的，硬度約為HV10000，故其耐磨性好，不足之處是抗彎強度和韌性差，對鐵的親和作用大，故金剛石刀具不能加工黑色金屬，在800℃時，金剛石中的碳與鐵族金屬發生擴散反應，刀具急劇磨損。金剛石價格昂貴，刃磨困難，應用較少。主要用作磨具及磨料，有時用于修整砂輪。6/6/20234、涂層刀片涂層刀片是采用韌性較好的基體（如硬質合金刀片或高速鋼等），通過化學氣相沉積和真空濺射等方法，對硬質合金表面涂層厚度為5～12μm的涂層材料后獲得的新型刀片。涂層材料為TiC、TiN、Al2O3等。適合于各種鋼材、鑄鐵的半精加工和精加工，也適合于負荷較小的精加工。6/6/2023§2-4刀具材料的發展概述百余年來，刀具材料由碳素鋼、高速鋼、硬質合金、涂層刀具材料、陶瓷而至超硬刀具材料的發展使車削加工的切削速度提高了100多倍，而且主要新刀具材料出現的周期也越來越短。例如，從高速鋼發展到硬質合金大約經過了25年，但最近卻每隔幾年就有重要的新刀具材料問世。6/6/2023具有金剛石一樣高的硬度和耐磨性；具有立方氮化硼或陶瓷一樣高的熱穩定性和化學惰性；具有硬質合金一樣高的強度和抗沖擊性能。

實踐證明，以高的切削效率切削難加工材料的理想刀具材料應該具備一下性能：但在可預見的將來還不可能找到具有這樣理想性能的刀具材料。目前使用的主要刀具材料仍然是硬質合金及高速鋼，但其內部構成比將有明顯變化，傳統的非涂層牌號及品種將會減少，耐磨涂層品種和牌號及其在柔性加工和集成制造系統中的應用將進一步增加，同時陶瓷及超硬刀具材料所占比重有較快增長。在相當長的時期內，各種刀具材料仍然是相互補充，相互競爭。6/6/2023本章小結本章主要內容是刀具材料應具備的性能、常用刀具材料的種類以及常用刀具的牌號、特點、性能和應用。刀具材料應該具備的性能包括足夠的硬度和耐磨性、足夠的強度與韌性、較高的耐熱性、較好的工藝性、較好的傳熱性和經濟性。工具鋼包括碳素工具鋼和合金工具鋼。碳素工具鋼優點是工藝性能良好，有較高的耐磨性，價格低廉；最大缺點是熱硬性差，淬透性低。主要用于制造手用刀具、低速及小進給量的機用刀具。合金工具鋼比碳素工具鋼有較高的淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性。主要用于制造細長刀具或截面積大、刃形復雜的刀具。6/6/2023高速鋼按切削性能可分為普通高速鋼、高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼。與碳素工具鋼和合金工具鋼相比，高速鋼還具有較高的硬度、耐磨性以及強度和韌性。與硬質合金相比，高速鋼的最大優點是可加工性好并具有良好的綜合力學性能。高速鋼主要用于制造形狀復雜的刀具。高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼適于制造切削難加工材料的各種精密刀具和形狀復雜刀具。硬質合金刀具材料有YG類、YT類、YW類和YN類四種。具有高硬度、高耐磨性、高耐熱性、抗彎強度低和可加工工藝性差等特點。YG類硬質合金主要用于加工形成短切屑的鑄鐵、有色金屬及非金屬等脆性材料以及淬硬鋼、高強度鋼和奧氏體不銹鋼等難加工材料。YT類硬質合金主要用于加工形成長屑的鋼材等塑性材料。YW類硬質合金主要用于加工鋼料和難加工材料的半精加工和精加工。YN類硬質合金適用于工具鋼的半精加工和精加工及淬硬鋼的加工。6/6/2023陶瓷材料具有很高的硬度和耐磨性及耐熱性，抗擴散和抗黏結能力強。最大缺點是強度低、韌性差。適用于鋼、鑄鐵及塑性大的材料的半精加工和精加工，尤其對于冷硬鑄鐵、淬硬鋼等高硬度材料零件加工特別有效；但不適于機械沖擊和熱沖擊大的加工場合。金剛石和立方氮化硼屬于超硬刀具材料主要用于精加工。金剛石目前主要用于磨具及磨料，作為刀具多在高速下對有色金屬及非金屬材料進行精細車削及鍾孔，注意不能加工鐵等黑色金屬。立方氮化硼用于加工鋼鐵等黑色金屬，特別是加工高溫合金、淬火鋼和冷硬鑄鐵等難加工材料。涂層刀片有效解決了刀具的硬度、耐磨性與強度、韌性之間的矛盾，大大提高了刀具的切削性能，且具有較好的通用性，但價格較高。6/6/2023本章練習題根據刀具工作的具體條件說明刀具應該具備的性能。T8A、W18Cr4V、YT15和YG8各屬于何種刀具材料？適用加工何種工件材料？應用于什么場合？陶瓷刀具有那些優缺點？立方氮化硼有那些性能？6/6/20236/6/20236/6/2023國產刀具技術水平嚴重滯后

2004年，我國共出口高速鋼刀具19.39億件，相當于日本全年高速鋼刀具產量的25倍，每支均價0.2美元，只相當于日本同類高速鋼刀具的1/20；而我國高效刀具的進口已經從2000年的8千萬美元猛增到2004年的4億美元。中國機床工具工業協會工具分會秘書長沈壯行日前再次提起這組數據，中國工具工業“低端混戰、高端失守”的局面的確令人擔憂。為什么中國的工具企業在全球“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的大環境下依然能夠抱著傳統工具生產繼續生存？