1、第第1 1章章 刀具材料刀具材料1.1 1.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能11.2 1.2 碳素工具钢及合金工具钢碳素工具钢及合金工具钢21.3 1.3 高速钢高速钢31.4 1.4 硬质合金硬质合金41.5 1.5 其他刀具材料其他刀具材料51.1 1.1 刀具材料应具备的性能刀具材料应具备的性能选择刀具材料时，很选择刀具材料时，很难找到各方面的性能难找到各方面的性能都是最佳的刀具材料，都是最佳的刀具材料，因为其性能之间是相因为其性能之间是相互制约的，所以只能互制约的，所以只能根据工艺需要保证主根据工艺需要保证主要需求的性能。要需求的性能。高硬度和高耐磨性高硬度和高耐磨性足够的
2、强度与冲击韧性足够的强度与冲击韧性高耐热性高耐热性好的导热性和小的膨胀系数好的导热性和小的膨胀系数良好的工艺性和经济性良好的工艺性和经济性1.2 1.2 碳素工具钢及合金工具钢碳素工具钢及合金工具钢按照按照GB/T 13304.12008GB/T 13304.12008碳素碳素工具钢属于特殊质量非合金钢。工具钢属于特殊质量非合金钢。碳素工具钢只适于制造手工用碳素工具钢只适于制造手工用和切削速度很低的刀具，如锉和切削速度很低的刀具，如锉刀、手用锯条、丝锥和板牙等。刀、手用锯条、丝锥和板牙等。用做切削刀具的碳素工具钢常用做切削刀具的碳素工具钢常用牌号有：用牌号有：T8AT8A、T10AT10A和和
3、 T12AT12A。1.1.碳素工具钢碳素工具钢合金工具钢是在碳素工具钢中合金工具钢是在碳素工具钢中加入加入SiSi、MnMn、NiNi、CrCr、W W、MoMo、V V等合金元素的钢。等合金元素的钢。加入加入CrCr和和MnMn可以提高合金工具可以提高合金工具钢的淬透性和回火稳定性，细钢的淬透性和回火稳定性，细化晶粒，减小变形。化晶粒，减小变形。合金工具钢的热硬性可达合金工具钢的热硬性可达325325400 400，允许切削速度可达，允许切削速度可达101015 m/min15 m/min。合金工具钢的。合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和冲淬硬性、淬透性、耐磨性和冲击韧性均比碳素工具钢高
4、。击韧性均比碳素工具钢高。2.2.合金工具钢合金工具钢1.3 1.3 高速钢高速钢高速钢是一种加入了较多的高速钢是一种加入了较多的W W、CrCr、V V、MnMn等合金元素的高合金工具钢。等合金元素的高合金工具钢。1.3.1 1.3.1 通用型高速钢通用型高速钢1.1.钨系高速钢钨系高速钢钨系高速钢最常用的为钨系高速钢最常用的为W18Cr4VW18Cr4V，它具有较好的，它具有较好的综合性能和可磨削性。由综合性能和可磨削性。由于我国钨资源丰富的缘故，于我国钨资源丰富的缘故，钨系高速钢在我国应用较钨系高速钢在我国应用较普遍，但又因钨价普遍，但又因钨价高，所以其在国内和国外高，所以其在国内和国外
5、的使用逐渐减少。的使用逐渐减少。通用型高速钢通用型高速钢2.2.钨钼系高速钢钨钼系高速钢 钨钼系高速钢就是将钨钨钼系高速钢就是将钨钢中的一部分钨以钼代钢中的一部分钨以钼代替而得到的。它替而得到的。它较常见的牌号有较常见的牌号有W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2。它具有较。它具有较好的综合性能，目前已好的综合性能，目前已被各国广为应用。被各国广为应用。高性能高性能高速钢高速钢高碳高速高碳高速钢钢高钒高速高钒高速钢钢钴高速钢钴高速钢铝高速钢铝高速钢1.3.2 1.3.2 高性能高速钢高性能高速钢高碳高速钢高碳高速钢高碳高速钢的高碳高速钢的含碳量为含碳量为0.9%0.9%1.05%1.05%。
6、其典型牌号为其典型牌号为95W18Cr4V95W18Cr4V。高钒高速钢高钒高速钢高钒高速钢的高钒高速钢的钒含量为钒含量为3%3%5%5%，由于它同，由于它同时加大了含碳时加大了含碳量，因而形成量，因而形成VCVC与与V4C3V4C3。其。其典型牌号为典型牌号为W6Mo5Cr4V3W6Mo5Cr4V3。钴高速钢钴高速钢在通用型高速钢在通用型高速钢中加入钴，可以中加入钴，可以促进回火时从马促进回火时从马氏体中析出钨、氏体中析出钨、钼、碳化钨，以钼、碳化钨，以提高弥散硬化效提高弥散硬化效果，从而提高热果，从而提高热稳定性，常温、稳定性，常温、高温硬度以及耐高温硬度以及耐磨性。钴高速钢磨性。钴高速钢
7、的典型牌号为的典型牌号为W2Mo9CrVCo8W2Mo9CrVCo8。铝高速钢铝高速钢铝高速钢是在通铝高速钢是在通用型高速钢中加用型高速钢中加入少量的铝。可入少量的铝。可提高钢的耐热性、提高钢的耐热性、耐磨性、强度及耐磨性、强度及韧性。铝高速钢韧性。铝高速钢是我国是我国独创独创的新的新型高速钢。型高速钢。粉末冶金高速钢制造工艺于粉末冶金高速钢制造工艺于2020世纪世纪6060年代后期在瑞典开发成功。年代后期在瑞典开发成功。它是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到细小的高速钢粉它是通过高压惰性气体或高压水雾化高速钢水而得到细小的高速钢粉末，然后压制或热压成形，再经烧结而成的高速钢。该工艺可
8、在高速末，然后压制或热压成形，再经烧结而成的高速钢。该工艺可在高速钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或易磨性。钢中加入较多合金元素而不会损害材料的强韧性或易磨性。粉末冶金高速钢与熔炼高速钢相比有很多粉末冶金高速钢与熔炼高速钢相比有很多优点优点。1.3.3 1.3.3 粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢 与通用型高速钢相比，粉末冶金高速钢硬度更高（与通用型高速钢相比，粉末冶金高速钢硬度更高（550550600 600 仍可保持高硬度仍可保持高硬度60 HRC60 HRC以上），韧性更好（提高以上），韧性更好（提高30%40%30%40%），更耐磨），更耐磨损，热处理变形小，磨削加工性能好，材质
9、均匀，质量稳定可靠，损，热处理变形小，磨削加工性能好，材质均匀，质量稳定可靠，刀具使用寿命长（耐用度可提高刀具使用寿命长（耐用度可提高2 23 3倍），可以切削各种难加工材倍），可以切削各种难加工材料，适合于制造高切除率加工、断续切削加工的刀具及各种精密刀料，适合于制造高切除率加工、断续切削加工的刀具及各种精密刀具和形状复杂的刀具。具和形状复杂的刀具。粉末冶金高速钢的粉末冶金高速钢的缺点缺点是价格较贵，约为通用型高速钢的是价格较贵，约为通用型高速钢的2 25 5倍（不同牌号有所差异）。对于小型复杂刀具而言，由于材料费用倍（不同牌号有所差异）。对于小型复杂刀具而言，由于材料费用只占刀具总成本的一
10、小部分，因而采用粉末冶金高速钢十分划算。只占刀具总成本的一小部分，因而采用粉末冶金高速钢十分划算。而对于大尺寸的简单刀具而言，是否选用粉末冶金高速钢则需要仔而对于大尺寸的简单刀具而言，是否选用粉末冶金高速钢则需要仔细斟酌。细斟酌。1.4 1.4 硬质合金硬质合金1.4.1 1.4.1 硬质合金性能分析与性能特点硬质合金性能分析与性能特点1.1.硬质合金性能分析硬质合金性能分析具有硬度高、耐磨、强度具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨特别是它的高硬度和耐磨性，即使在性，即使在500 500 下也基下也基本
11、保持不变，在本保持不变，在1 000 1 000 时仍有很高的硬度。时仍有很高的硬度。硬质合金性能分硬质合金性能分析与性能特点析与性能特点硬质合金性能特点硬质合金性能特点1 1）硬度）硬度2 2）抗弯强度）抗弯强度.4.2.4.2 硬质合金的种类和牌号硬质合金的种类和牌号P类硬质合金类硬质合金 主要用于加工主要用于加工长切屑的黑色金长切屑的黑色金属，用蓝色（包属，用蓝色（包括括P01P01P50)P50)作作为标志。为标志。M类硬质合金类硬质合金主要用于加工黑主要用于加工黑色金属和有色金色金属和有色金属，用黄色作为属，用黄色作为标志，又称为通标志，又称为通用硬质合金。用硬质合金。K类硬质合金类
12、硬质合金主要用于加工短主要用于加工短切屑的黑色金属、切屑的黑色金属、有色金属和非金有色金属和非金属材料，用红色属材料，用红色（包括（包括K10K10K40K40）作为标志。作为标志。每一种硬质合金中的各个牌号分别以一个每一种硬质合金中的各个牌号分别以一个01015050之间的数字表示之间的数字表示从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种被加工材料的不从最高硬度到最大韧性之间的一系列合金，以供各种被加工材料的不同切削工序及加工条件选用。根据使用需要，在两个相邻的分类代号同切削工序及加工条件选用。根据使用需要，在两个相邻的分类代号之间，可插入一个中间代号，如在之间，可插入一个中间代号，如在P
13、10P10和和P20P20之间插入可之间插入可P15P15，在，在K20K20和和K30K30之间可插入之间可插入K25K25等，但不能多于一个。在特殊情况下，等，但不能多于一个。在特殊情况下，P01P01分类代分类代号可再细分，即在其后再加一位数字，并以一小数点隔开，如号可再细分，即在其后再加一位数字，并以一小数点隔开，如P01.1P01.1、P01.2P01.2等，以便在这一用途小组作精加工时能进一步区分不同程度的等，以便在这一用途小组作精加工时能进一步区分不同程度的耐磨性与韧性。耐磨性与韧性。1.4.3 1.4.3 其他硬质合金其他硬质合金1 1涂层硬质合金涂层硬质合金 涂层硬质合金涂层
14、硬质合金 是是2020世纪世纪6060年代出现的新年代出现的新型刀具材料。采用化型刀具材料。采用化学气相沉积工艺，在学气相沉积工艺，在硬质合金表面涂覆一硬质合金表面涂覆一层或多层难熔金属碳层或多层难熔金属碳化物。化物。2 2添加稀土元素的硬质添加稀土元素的硬质合金合金这类硬质合金最这类硬质合金最适用于粗交工刀具，适用于粗交工刀具，也可用于半精加工刀也可用于半精加工刀具，已在矿山工具、具，已在矿山工具、顶锤、拉丝模用硬质顶锤、拉丝模用硬质合金中有着广阔的发合金中有着广阔的发展前景。展前景。3 3梯度硬质合金梯度硬质合金梯度硬质合金主要是梯度硬质合金主要是针对传统硬质合金存针对传统硬质合金存在硬度
15、高而韧性低的在硬度高而韧性低的缺点而研发出来的新缺点而研发出来的新品种。品种。1.5 1.5 其他刀具材料其他刀具材料1.5.1 1.5.1 陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料氧化铝基陶瓷刀具材料氧化铝基陶瓷刀具材料氧化铝基陶瓷刀具材料氧化铝基陶瓷刀具材料通常是在通常是在Al2O3基体材基体材料中加入料中加入TiC、WC、ZrC、TaC、ZrO2等成等成分，经热压制成复合陶分，经热压制成复合陶瓷刀具材料，其硬度可瓷刀具材料，其硬度可达达9395 HRC，为提，为提高韧性，常添加少量高韧性，常添加少量 Co、Ni等合金元素。等合金元素。氮化硅基陶瓷刀具材料氮化硅基陶瓷刀具材料常用的氮化硅基陶瓷刀常用的氮化
16、硅基陶瓷刀具材料为具材料为Si3N4TiCCo复合陶瓷刀具材料复合陶瓷刀具材料。其韧性高于氧化铝基。其韧性高于氧化铝基陶瓷刀具材料，而硬度陶瓷刀具材料，而硬度与氧化铝基陶瓷刀具材与氧化铝基陶瓷刀具材料相当。料相当。氮化硅氮化硅氧化铝复氧化铝复合陶瓷刀具材料合陶瓷刀具材料又称为赛阿龙又称为赛阿龙(sialon)陶瓷刀具材料，其化学陶瓷刀具材料，其化学成分为成分为77%Si3N4、13%Al2O310%Y2O3，硬度可达硬度可达1 800 HV，抗，抗弯强度可达弯强度可达1.20 GPa。氮化硅氮化硅氧化铝复合陶氧化铝复合陶瓷刀具最适合切削高温瓷刀具最适合切削高温合金和铸铁。合金和铸铁。1.5.2
17、 1.5.2 超硬刀具材料超硬刀具材料1.1.人造金刚石人造金刚石金刚石是世界上已知的最金刚石是世界上已知的最硬物质，其具有高导热性、硬物质，其具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优高温半导体特性等多种优良性能，可用于铝、铜等良性能，可用于铝、铜等有色金属及其合金的精密有色金属及其合金的精密加工，特别适合加工非金加工，特别适合加工非金属硬脆材料。属硬脆材料。超硬刀具材料超硬刀具材料2.2.立方氮化硼立方氮化硼虽然虽然CBNCBN的硬度低于人的硬度低于人造金刚石，但其氧化温造金刚石，但其氧化温度却高达度却高达1 360 1 360，且，且与铁磁类材料
18、具有较低与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此，其仍的亲和性。因此，其仍是适合钢类材料切削且是适合钢类材料切削且是具有高耐磨性的优良是具有高耐磨性的优良刀具材料。刀具材料。近年来，随着数控机床加工技术的迅猛发展以及数控机近年来，随着数控机床加工技术的迅猛发展以及数控机床的普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超床的普遍使用，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的超硬刀具的应用也日渐普及，同时引入了许多先进的切削加工硬刀具的应用也日渐普及，同时引入了许多先进的切削加工概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、概念，如高速切削、硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重干式切削等。超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要工具。要工具。
