1.2 數控刀具材料概述

數控刀具材料是指與數控加工刀具匹配的切削部分的材料。顯然，數控刀具材料除滿足金屬切削的基本要求外，還必須適應數控加工的特定要求。

1.2.1 金屬切削加工時刀具材料應具備的基本性能

金屬切削加工中，刀具切削部分承受著很大的切削力與沖擊力，并伴隨著強烈的金屬塑性變形與劇烈的摩擦，產生大量的切削熱，造成切削區域極高的切削溫度與溫度梯度。因此，刀具材料應具備以下基本性能。

（1）高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必須高于被加工材料的硬度，其硬度在室溫條件下也應在62HRC以上。如高速鋼的硬度為63～70HRC，硬質合金的硬度為89～93HRA。

（2）足夠的強度和韌性 刀具材料必須要有足夠的強度和韌性，以確保其加工過程中不出現破損、崩刃等。

（3）耐熱性 指刀具材料高溫下保持上述性能的能力，又稱為熱硬性，是切削刀具特有的性能要求。高溫硬度越高，表示耐熱性越好，因此在高溫時抗塑性變形的能力、抗磨損的能力也越強。一般碳素工具鋼的工作溫度約為300℃、高速鋼約為600℃、硬質合金約為900℃。

（4）導熱性 導熱性好，則熱量容易傳導出去，從而降低切削區域的溫度，減輕刀具磨損。

（5）良好的加工工藝性 指刀具材料加工制造的難易程度，包括鍛造、切削加工、磨削和熱處理等性能。

（6）經濟性與市場購買性 經濟性是選用刀具材料、降低刀具成本的主要依據之一。考慮經濟性的同時，還必須考慮其性價比。市場購買性是刀具材料市場采購方便性的評價依據，再好的材料不易購得也是無用的。

1.2.2 數控刀具材料應具備的特定要求

數控加工具有高速、高效和自動化程度高等特點，數控刀具是實現數控加工的關鍵環節之一。為了滿足數控加工技術的需要，保證優質、高效地完成數控加工任務。對于數控加工刀具的材料，除具備金屬切削刀具材料的基本要求外，還必須滿足數控加工技術的特定需要，它不僅要求刀具耐磨損、壽命長、可靠性好、精度高、剛性好，而且要求刀具尺寸穩定、安裝調整方便等。數控加工對刀具提出的特定要求如下：

（1）高可靠性 要求刀具的壽命長、切削性能穩定、質量一致性好、重復精度高。可靠性的提高，可減少換刀次數和時間，提高生產效率。

（2）高的耐熱性、抗熱沖擊性和高溫力學性能 適應數控加工高速度、高剛性和大功率發展方向。

（3）高的精度及精度保持 可減少換刀次數，縮短對刀調整時間，提高生產效率。顯然專業化生產的機夾可轉位不重磨刀具及其刀片具有優勢，刀片涂層技術可減少磨損，具有更好的精度保持。

（4）系列化、標準化和通用化 可減少刀具規格，利于數控編程，便于刀具管理、維護、預調和配置等，降低加工成本，提高生產效率。

（5）適合數控刀具機夾可轉位不重磨特性 刀具及其材料盡可能專業化生產，廣泛采用性價比高的硬質合金刀具材料。

（6）適當采用多功能復合刀具及專用刀具 便于數控加工應用于批量生產，減少裝夾次數，提高數控機床效率等，減少刀具數量和庫存量，便于刀具管理。

（7）可靠地斷屑與卷屑性 專業化生產的硬質合金刀片，其前面等形狀可靈活制作，獲得優異的斷屑與卷屑性，機夾式結構可方便地增設斷屑臺或斷屑器等。

（8）能適應難加工材料和新型材料加工的需要 刀具的專業化生產，使得刀具制造商最大限度地開發市場需求的刀具材料，實際中可見，較多的專業刀具制造商均提供適合高強度、高硬度、耐腐蝕和耐高溫的工程材料加工的新型刀具材料刀具，專業刀具生產商是研發新型刀具材料的主力軍。

1.2.3 數控刀具材料的種類、性能與特點

經過多年的發展，目前的數控刀具材料已形成以硬質合金、涂層硬質合金和高速鋼為主體，兼顧金屬陶瓷、立方氮化硼和金剛石等先進刀具材料的較為完整的刀具材料體系。

1.數控刀具常用材料概述

數控加工中，早期普通加工的碳素工具鋼和合金工具鋼基本不用，應用最廣泛的主要是硬質合金和高速鋼。當其不能滿足加工要求時，考慮采用超硬刀具材料——陶瓷、聚晶金剛石和立方氮化硼等。天然金剛石由于價格較高，應用并不多。另外，涂層刀具技術已廣泛應用于數控刀具。

2.硬質合金刀具材料

硬質合金（Cemented Carbide）是一種粉末冶金工藝制成的合金材料，是由硬度和熔點很高的硬質化合物（碳化鎢WC、碳化鈦TiC、碳化鉭TaC和碳化鈮NbC等）為硬質相，用金屬材料（Co、Mo或Ni等）作粘結相，兩相材料研制成粉末，按一定比例混合，壓制成形，并在高溫高壓下燒結而成的一種刀具材料。

硬質合金具有硬度高、耐磨、強度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等一系列優良性能，可用于制作各種刀具（如車刀、銑刀、鉆頭、鏜刀等），可切削鑄鐵、碳素鋼及合金鋼、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材等，還可用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工材料。由于其優越的性能、較高的性價比、良好的市場獲取性，已成為數控加工刀具的主要材料，并形成以專業刀具生產廠商研發與生產為主，終端客戶直接選用，并且不重磨使用的現代刀具應用模式。

（1）硬質合金的種類

1）按主要化學成分不同，常用的硬質合金可分為碳化鎢基硬質合金和碳（氮）化鈦基硬質合金。碳化鎢基硬質合金包括鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類（YT）和添加稀有碳化物類（YW）三種，其添加的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，其常用的金屬粘結相為Co。碳（氮）化鈦基硬質合金是以TiC為主要硬質相成分（有些加入了其他碳化物或氮化物），常用的金屬粘結相為Mo和Ni。

2）按合金晶粒大小不同，硬質合金還可分為普通硬質合金、細晶粒硬質合金和超細晶粒硬質合金等。

3）按切削用途分類。GB/T 18376.1--2008《硬質合金牌號 第1部分：切削工具用硬質合金牌號》對切削用硬質合金牌號規定按“類別代號+分組號+細分號”規則表示。其中金屬切削加工的類別代號主要有K、P、M等，可認為是用途大組；分組號可認為是對類別代號大組的按用途的進一步細分；細分號則是由各生產廠家按需要進一步細分的部分。

表1-1為GB/T 18376.1--2008的類別代號，其中金屬切削加工主要有K、P、M三類，相當于國內牌號的YG、YT、YW類。

表1-1 硬質合金類別代號

分組號用01～50之間的數字表示其韌性與耐磨性的不同，一般按公差10遞增，如K類硬質合金主要分組號包括K01、K10、K20、K30、K40五組，P類合金包括P01～P50六組，M類合金包括M01～M40五組。必要時可插入公差為5的數字，如K類合金可采用K05、K15、K25、K35分組號。

（2）硬質合金的性能特點 由于硬質合金是以金屬Co或Mo、Ni等為粘結相，以金屬碳化物（WC、TiC、TaC和NbC等）為硬質相的粉末冶金合金材料，與高速鋼相比，總體表現為強度、硬度和耐熱性均高，韌性低的特點。具體如下：

1）硬度。硬質合金由于含有大量的硬質點金屬碳化物，因此其硬度，特別是熱硬性比高速鋼要高，硬度越高，則耐磨性越好。硬質合金的硬度可達89～93HRA，遠高于高速鋼，在540℃時硬度仍可達82～89HRA。硬質合金的硬度與碳化物的性質、數量、粒度和金屬粘結相的含量有關，一般隨著粘結相金屬含量的增多，硬度降低。在粘結相金屬含量一定的情況下，由于TiC的硬度高于WC的硬度，因此YT類硬質合金的硬度高于YG類硬質合金。而添加了稀有金屬碳化物的YW類硬質合金不僅可提高硬度，且可提高高溫硬度。一般加入TaC的硬質合金硬度可提高40～100HV，而加入NbC硬度可提高70～150HV。

2）強度。硬質合金的抗彎強度只相當于高速鋼材料抗彎強度的1/3～1/2。硬質合金中Co含量越多，則合金的強度越高。含有TiC的合金比不含TiC的合金強度低，TiC的含量越多，則合金的強度越低。在鎢鈷鈦類硬質合金中，添加TaC可提高抗彎強度。TaC的加入還可顯著提高切削刃強度，增加TaC的含量可加強切削刃的抗碎裂和抗破損能力。一般合金中TaC的含量增加，疲勞強度也會增加。另外，硬質合金的抗壓強度比高速鋼材料高30%～50%。

3）韌性。硬質合金的韌性比高速鋼低得多。含TiC合金的韌性比不含TiC的合金低，且TiC的含量增加，則韌性下降。添加適量TaC，在保證合金耐熱性和耐磨性的同時，能使合金的韌性提高約10%。由于硬質合金的韌性比高速鋼低，因此其不宜在強烈沖擊和振動的情況下使用，特別是低速切削時，粘結和崩刃現象更為嚴重。

4）熱物理性能。硬質合金的導熱性能優于高速鋼，為高速鋼的2～3倍。由于TiC的熱導率低于WC，因此YT類硬質合金的導熱性低于YG類合金，合金中TiC的含量越高，則導熱性越低。

5）耐熱性。硬質合金的耐熱性比高速鋼高得多，在800～1000℃時尚能進行切削。同時在高溫下有良好的抗塑性變形能力。在硬質合金中添加TiC可提高其高溫硬度。TiC的軟化溫度高于WC，因此YT類合金的硬度隨著溫度的上升而下降的幅度較YG類合金慢。TiC含量越多，含Co越少，則其下降幅度也越小。由于TaC的軟化溫度比TiC高，因此，在硬質合金中添加TaC和NbC可提高合金的高溫硬度。

6）抗粘結性。硬質合金的粘結溫度高于高速鋼，因而有較高的抗粘結磨損能力。硬質合金中鈷與鋼的粘結溫度大大低于WC與鋼的粘結溫度。當合金中鈷含量增加時，粘結溫度下降。TiC的粘結溫度高于WC的，因此YT類合金的粘結溫度高于YG類合金（大約高100℃）。用含有TiC的合金刀具切削時，在高溫下形成TiO2可以減輕粘結效應。TaC和NbC與鋼的粘結溫度比TiC高，因此添加TaC和NbC的合金有更高的抗粘結能力。硬質合金成分中，不同碳化物與工件材料的親和能力不同，TaC與工件材料的親和能力是WC的幾分之一到幾十分之一。

7）化學穩定性。硬質合金的耐磨性與其工作溫度下合金的物理及化學穩定性有密切的關系。硬質合金的氧化溫度高于高速鋼的氧化溫度。TiC的氧化溫度遠遠高于WC的氧化溫度。因此高溫下，YT類硬質合金的氧化增量低于YG類硬質合金，且TiC的含量越多，抗氧化能力也越強。TaC的氧化溫度也高于WC，合金中含有TaC和NbC時也會提高其抗高溫氧化能力。硬質合金中Co的含量增加時，氧化會更容易。

8）合金晶粒度。晶粒度的細化，可提高硬質合金的硬度和耐磨性。

（3）常用硬質合金刀具材料的性能 過去國內廠家硬質合金的牌號主要按化學成分不同分類命名，但隨著刀具國際化的需求，國內常見的硬質合金牌號也在逐漸與國外刀具制造商接軌，按用途不同，以類別代號加數字的型式命名。

按化學成分不同的分類主要有以下幾類：

1）YG類硬質合金，對應K類硬質合金，主要成分是WC-Co，其中WC為硬質相，Co為粘結相，主要用于加工鑄鐵類的短切屑的黑色金屬，也可加工有色金屬和非金屬材料，常用的牌號有YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等。這類硬質合金的硬度為89～91.5HRA，抗彎強度為1100～1500MPa。YG類硬質合金的抗彎強度和沖擊韌度較好，因此適合加工切屑呈崩碎狀（或短切屑）的脆性金屬，如鑄鐵。同時，其磨削加工性好，切削刃可以磨得較鋒利，因此也可加工有色金屬和非金屬等。

2）YT類硬質合金，對應P類硬質合金，主要成分是WC-TiC-Co。該合金的硬質相除WC外，還增加了w（TiC）為5%～30%，主要用于加工長切屑的黑色金屬，如塑性較好的各類鋼料。常用牌號有YT5、YT14、YT15、YT30等，其w（TiC）分別為5%、14%、15%、30%。這類硬質合金的硬度為89.5～92.5HRA，抗彎強度為900～1400MPa。由于TiC的硬度和熔點比WC高，故YT類硬質合金的強度、耐磨性和耐熱性均高于YG類硬質合金，但抗彎強度特別是沖擊韌度下降較多，隨著合金中TiC含量的提高和Co含量的降低，其強度和耐磨性提高，抗彎強度下降。由于以上因素，在沖擊振動較大的切削過程中，容易出現崩刃現象，此時應選擇TiC含量較低的合金牌號。

3）YW類硬質合金，對應M類硬質合金，主要成分為WC-TiC-TaC（NbC）-Co，故又稱為鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質合金。添加稀有元素碳化物TaC、NbC后能夠有效地提高合金的常溫強度、韌性與硬度以及高溫強度與硬度，細化晶粒，提高抗擴散與抗氧化磨損的能力，從而提高耐磨性。這些性能的改善，使其兼有YG與YT類硬質合金的性能，綜合性能良好，因此有“通用”“萬能”硬質合金的稱謂。YW類硬質合金既可加工長切屑型的塑性較好的鋼料，也可加工短切屑型的脆性鑄鐵料，并可加工有色金屬材料。這類合金若適當增加Co含量，強度可很高，可用于各種難加工材料的粗加工與斷續切削。

4）碳（氮）化鈦[TiC（N）]基硬質合金，前述三類硬質合金屬于碳化鎢基硬質合金，其硬質相以WC為主，以Co作粘結相。但地球上W的資源較為緊缺，而Ti的儲量相對較多（約為W的1000倍），TiC（N）基硬質合金是以TiC代替WC為硬質相，以Ni、Mo等為粘結相制作的硬質合金，其中WC含量較少，其耐磨性優于WC基硬質合金，介于硬質合金和陶瓷之間。Ni作為粘結相可提高合金的強度，Ni中添加Mo可改善液態金屬對TiC的潤濕性。由于TiC（N）基硬質合金表現出優越的綜合性能，同時又節約碳化鎢基硬質合金中的W、Co等貴重稀有金屬，因此從一開始就被認為是一種大有發展前途的刀具材料。自問世以來，便被世界各地主要硬質合金廠家所重視并迅速發展。

5）超細晶粒硬質合金。硬質合金晶粒細化后，硬質相尺寸減小，增加了硬質相晶粒表面積、晶粒間的結合力，粘結相更均勻地分布在其周圍，可以提高硬質合金的硬度與耐磨性；如果再適當提高Co含量，還可以提高抗彎強度。超細晶粒硬質合金是由晶粒極小的WC粒子和Co粒子構成，是一種高硬度、高強度兼備的硬質合金，使其具有硬質合金的高硬度并兼顧有高速鋼的高強度。

晶粒細化的標準不完全統一，一般普通硬質合金晶粒度為3～5μm，細晶粒硬質合金的晶粒度為1.5μm左右，亞微細粒合金為0.5～1μm，而超細晶粒硬質合金WC的晶粒度在0.5μm以下。

（4）硬質合金刀具材料的合理選用 硬質合金牌號眾多，且各廠家常常有自己的牌號系列，特別是數控刀具涂層后性能還有較大的改進，因此，直接按化學成分命名的牌號選擇硬質合金并不是很方便。近年來，各刀具制造商常常按ISO標準的類別代號（見表1-1中的類別代號）將自己的硬質合金牌號與類別代號對應分類，幫助用戶選擇，這應該是選擇硬質合金刀具材料實用的方法。

GB/T 18376.1--2008根據使用條件規定了類似于ISO標準的硬質合金組別與應用，這對ISO標準牌號的硬質合金選擇具有指導意義，具體見表1-2。

表1-2 按使用條件分類的硬質合金組別及應用

（續）

①上述不利條件指材料或鑄造、鍛造的零件表面不勻，加工時的切削深度不勻，間斷切削以及振動等情況。

各刀具制造商基本也是按P、M、K、N、S、H類別代號將自己的刀片材料牌號對應分類推薦給用戶選擇，具體參見各刀具制造商刀具樣本。參考文獻[1]列舉了部分國內外主流刀具制造商硬質合金牌號與標準類別的對應關系，可參考。

3.高速鋼刀具材料

高速鋼（High Speed Steel，HSS）是一種加入了較多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼刀具在強度、韌性及工藝性等方面具有優良的綜合性能，是復雜刃形數控刀具的主要刀具材料之一，國內孔加工刀具、銑刀、螺紋加工刀具等仍廣泛采用高速鋼刀具材料。國外高速鋼刀具的發展趨勢是大量采用粉末冶金高速鋼以及高速鋼刀具涂層技術。

（1）高速鋼的種類與特點 按照用途不同，高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼；按制造工藝不同，高速鋼可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。另外，按照W、Mo、V等合金元素含量的不同，高速鋼又可分為低合金高速鋼、普通型高速鋼和高性能高速鋼等，見表1-3。

表1-3 GB/T 9943—2008標準所列高速鋼牌號及硬度

高速鋼除具有高的綜合力學性能，能滿足通用切削刀具的要求外，其制造工藝較簡單，易于磨出鋒利的切削刃，對機床的專項要求不高，在數控刀具材料中仍然占有重要地位。

通用型高速鋼中，由于我國W的含量相對豐富，鎢系高速鋼（如W18Cr4V）使用量相對較多，而國外則多采用鎢鉬系高速鋼（如W6Mo5Cr4V2），高性能高速鋼主要通過增加C、V含量及添加Co、Al元素等改善性能。

（2）常用高速鋼的性能

1）低合金高速鋼，主要有W3Mo3Cr4VSi、W2MoCr4V、W4Mo3Cr4VSi等。由于其減少了W、Mo、V等較昂貴金屬元素而降低了成本，其價格較通用剛型高速鋼W6Mo5Cr4V2便宜25%～30%，特別適合制作低、中速切削刀具，如中心鉆、絲錐、小直徑麻花鉆、擴孔鉆、鉸刀，甚至小直徑立銑刀等。

2）通用型高速鋼，又稱為普通高速鋼，約占高速鋼總產量的75%～80%。一般可分為鎢系與鎢鉬系高速鋼兩類。這類高速鋼w（C）為0.7%～0.9%。按鋼中含W量的不同，可分為鎢系高速鋼[w（W）高達18%]和鎢鉬系高速鋼[w（W）為6%或8%]。通用型高速鋼具有一定的硬度（63～66HRC）和耐磨性、高的強度和韌性、良好的塑性和加工工藝性，廣泛用于制造各種復雜刀具。

我國長期使用的通用型高速鋼的典型牌號為W18Cr4V（簡稱W18），具有較好的綜合性能，在600℃時的高溫硬度為48.5HRC，可用于制造各種復雜刀具。其具有可磨削性好、脫碳敏感性小等優點，但由于碳化物含量較高，分布較不均勻，顆粒較大，強度和韌性不高，特別是熱塑性差，不宜做大截面的刀具。目前，W18Cr4V逐漸由鎢鉬系高速鋼取代，特別是國外W元素緊缺的國家，使用量較少甚至不用鎢系高速鋼。

鎢鉬系高速鋼是指將鎢鋼中的一部分W用Mo代替所獲得的一種高速鋼。鎢鉬鋼的典型牌號是W6Mo5Cr4V2（簡稱M2）。W6Mo5Cr4V2的碳化物顆粒細小均勻，強度、韌性和高溫塑性都比W18Cr4V好。其主要缺點是含V量稍多，磨削加工性比W18Cr4V差，脫碳敏感性大，淬火溫度范圍較窄。另一種鎢鉬系高速鋼為W9Mo3Cr4V（簡稱W9），其熱穩定性略高于W6Mo5Cr4V2，抗彎強度和韌性都比W6Mo5Cr4V2好，具有良好的可加工性能。這種鋼易軋、易鍛、熱處理溫度范圍較寬、脫碳敏感性小、磨削性能較好。

3）高性能高速鋼，指在通用型高速鋼成分中再增加一些含碳量、含釩量及添加Co、Al等合金元素，以提高耐熱性和耐磨性的新鋼種。高性能高速鋼制作的刀具與通用型高速鋼相比，刀具壽命和切削速度得到提高，從而可提高切削加工生產率。高性能高速鋼主要有以下四大類：

①高碳高速鋼，如9W18Cr4V（簡稱9W18）和9W6Mo5Cr4V2（簡稱CM2），其w（C）比通用型高速鋼高0.20%～0.25%，使鋼中合金元素全部形成碳化物，從而提高鋼的硬度、耐磨性與耐熱性，但其強度和韌性略有下降。其常溫硬度提高到66～68HRC，600℃時高溫硬度提高到51～52HRC。適用于耐磨性要求高的鉸刀、锪鉆、絲錐以及加工較硬材料（220～250HBW）的刀具，壽命一般可提高50%～80%，也可用于切削不銹鋼、奧氏體材料及鈦合金。這時，耐磨性比普通高速鋼高2～3倍。

②高釩高速鋼，如W12Cr4V5Mo和W6Mo5Cr4V3等，其w（V）為3%～5%，由于形成大量高硬度耐磨的VC彌散在鋼中，提高了高速鋼的耐磨性，且能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性。這種鋼適于加工對刀具磨損嚴重的材料，如硬橡膠、塑料等。對低速薄切屑精加工刀具，如鉸刀、絲錐等也有較長的壽命。其不足之處是磨削加工性差。

③鈷高速鋼，典型牌號為W2Mo9Cr4VCo8（簡稱M42），其硬度可達69～70HRC，比W18Cr4V高4～5HRC，600℃時的高溫硬度達54～55HRC。這種高速鋼的綜合性能好，允許切削速度較高，由于含V量不高，因而磨削加工性也好，可刃磨的很鋒利而制作精加工刀具。其優越性在高溫切削時明顯，故適合加工高溫合金、鈦合金、奧氏體耐熱合金及其他難加工材料，刀具壽命可延長4～6倍，加工材料的硬度越高，效果越顯著。但由于Co含量很高，而我國Co主要靠進口，價格很高，目前生產與使用不多。

④鋁高速鋼，是一種含Al不含Co的高性能高速鋼，如W6Mo5Cr4V2Al（簡稱501），600℃時的高溫硬度為54～55HRC，由于不含Co，因而仍保留較高的強度和韌性。501高速鋼的綜合切削性能與M42相當，在加工30～40HRC的調質鋼時，刀具壽命可比通用型高速鋼高3～4倍。其主要缺點是加工工藝性稍差，并且過熱敏感性大，淬火加熱溫度范圍窄，氧化脫碳傾向大。這種鋼立足于我國資源，與鈷高速鋼相比，成本較低，故已逐漸推廣使用。

4）粉末冶金高速鋼（Power Metallurgy High Speed Steel，PMHSS），是20世紀70年代發展起來的一種新型高速鋼，它是將高頻感應爐熔煉出的鋼液，用高壓氬氣或純氮氣使之霧化，經過急冷得到細小均勻的結晶組織（高速鋼粉末），再將所得的粉末在高溫、高壓下壓制成刀坯，或先制成鋼坯再經過鍛造、軋制成所需刀具形狀。

與熔煉法制造的高速鋼相比，粉末冶金高速鋼具有以下優點：

①沒有碳化物偏析的缺陷，不論刀具截面尺寸多大，其碳化物晶粒均細小均勻，可達2～3μm（一般熔煉鋼為8～20μm），且均勻分布，非常適合制造大尺寸的刀具。

②具有良好的力學性能，在輕度變形條件下，其強度和韌性可比一般高速鋼分別提高30%～40%和80%～90%。在化學成分相同的情況下，與熔煉鋼相比，其常溫硬度可提高1～1.5HRC，熱處理后硬度可達60～70HRC，600℃時的高溫硬度可達67～70HRC，高溫硬度提高尤為顯著。由于粉末冶金高速鋼碳化物顆粒均勻性分布的表面積較大，且不易從切削刃上剝落，故其耐磨性比熔煉高速鋼刀具提高20%～30%。

③由于碳化物細小均勻，其磨削加工性能得到了顯著的改善，鋼中的含V量越多，改善的程度越顯著，并且砂輪消耗少，磨削效率高，磨削表面的表面粗糙度值小。w（V）=5%的粉末冶金高速鋼的磨削加工性能與w（V）=2%的熔煉高速鋼相當，故粉末冶金高速鋼可以適當提高釩的含量，這一特點使得粉末冶金高速鋼適合制造形狀復雜、磨削加工量較大的刀具及要求刃口精密、細小、鋒利的刀具。

④粉末冶金高速鋼的成材率大大高于普通熔煉鋼，若用高速鋼粉末直接壓制刀具毛坯，其材料利用率可高達90%以上。

⑤利用粉末冶金方法制造高速鋼時，可進一步提高碳化物的比例，從而生產出熔煉法無法生產的高性能高速鋼。這種鋼的硬度有的可高達70HRC以上，在性能上填補了高速鋼與硬質合金之間的空白。

⑥由于粉末冶金方法壓制刀坯，能保證材料的物理和力學性能的各向同性，減少熱處理變形和應力，降低晶粒長大的趨勢。粉末冶金高速鋼熱處理時的變形只相當于熔煉鋼的1/3～1/2，適合制造鉆頭、拉刀、螺紋刀具、滾刀、插齒刀等復雜刀具。若再配以表面涂層技術（如涂鍍TiN、TiCN、TiAlN等），切削速度可以進一步提高。

國外刀具制造商的數控刀具、粉末冶金高速鋼的應用較為廣泛，其不足之處是制造成本比熔煉鋼高。

4.涂層刀具材料

刀具涂層技術又稱為刀具表面改性技術，其把刀具材料的表面與基體作為一個統一系統進行設計和改性，賦予刀具材料表面新的復合性能，是提高刀具性能的重要途徑之一，在現代制造特別是數控加工刀具中廣泛采用。

（1）刀具涂層的概念 刀具涂層是指在韌性較好的刀體（如硬質合金或高速鋼）上，涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，從而使刀具性能大大提高，這種刀具也可稱為涂層刀具。刀具涂層可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具壽命、降低加工成本。

刀具涂層的方法主要有化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。涂層硬質合金刀具一般采用化學氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。高速鋼、硬質合金、陶瓷和超硬刀具材料（立方氮化硼和金剛石）的刀具均可涂層而成為涂層刀具。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積，沉積溫度在500℃左右。刀具表面的涂層可以是單涂層、雙涂層和多涂層，也可以是幾種涂層材料的復合涂層，涂層的材質可以有不同的性能，其軟、硬程度不同。另外，還有納米涂層刀具等。隨著研究的不斷深入，新型的涂層材料、涂層工藝、涂層的組合不斷出現，新型涂層刀具也在不斷出現。

（2）刀具涂層的種類 經過多年的發展，刀具涂層技術呈現多樣化和系列化的特點，刀具涂層可從不同角度進行分類。

1）根據涂層材料的性質不同分，刀具涂層可分為硬涂層、超硬涂層和軟涂層等類型，并可進行不同組合，如硬/硬組合、硬/軟組合、軟/軟組合、具有潤滑性能的軟/軟組合等。硬質膜為傳統概念的單層膜、復合膜、多層膜等，如普遍采用的TiN、TiC、TiAlN等，其顯微硬度通常為20～40GPa；潤滑膜的顯微硬度為10GPa左右，而超硬膜則定義為顯微硬度大于40GPa。

2）根據涂層工藝方法不同分，可分為化學氣相沉積CVD與物理氣相沉積PVD涂層。

3）根據涂層刀具基體材料不同分，有硬質合金基體涂層、高速鋼基體涂層、金屬陶瓷基體涂層、陶瓷基體涂層等。

4）按涂層結構不同分，有單涂層、多涂層（帶中間過渡層）、納米涂層（納米結晶、納米沉厚、納米結構涂層）、梯度涂層、超硬涂層、硬/軟復合涂層等。

5）按涂層的硬質材料成分不同分，有TiC、TiN、TiAlCN、Al2O3、AlCrN、TiCN、AlTiN、TiSiN、CrSiN、TiBN、類金剛石碳涂層（DLC）、非金屬化合物超硬涂層（金剛石薄膜涂層、CBN、C3N4、Si3N4、B4C、SiC）等及各種成分的組合多層涂層。

（3）刀具涂層的性能特點 刀具涂層有軟、硬之分，硬質涂層是指以追求高的硬度和耐磨性為目標的涂層，其特點是硬度高、耐磨性好。硬質涂層能夠較好地滿足切削加工過程中高溫、大切削力和摩擦磨損嚴重的需要。軟質涂層是針對不適合或不需硬質涂層的加工而設計的，旨在通過刀具表面涂鍍一層潤滑性能較好的固態物質（主要為硫族化合物）使刀具表面具有較好的潤滑功能。刀具涂層的性能如下：

1）TiC是一種高硬度的耐磨化合物，是最早出現的涂層物質，也是目前應用最多的一種涂層材料之一，有良好的抗后面磨損和抗月牙洼磨損能力。同時由于它與基體的附著牢固，在制備多層耐磨涂層時，常將TiC作為與基體接觸的底層膜。TiC的硬度比TiN高，抗磨損性能好，對于產生劇烈磨損的材料，用TiC涂層較好。

2）TiN涂層是繼TiC涂層以后采用非常廣泛的一種涂層，是TiC涂層的激烈競爭者。TiN的硬度稍低，但它與金屬的親和力小，潤濕性能好，在空氣中抗氧化能力比TiC好，在容易產生粘結時TiN涂層較好。目前，工業發達國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50%～70%，有的不可重磨的復雜刀具的使用率已超過90%。TiN涂層的抗氧化性較差，使用溫度達500℃，涂層就出現明顯氧化而被燒蝕。

3）Al2O3涂層具有良好的熱穩定性和化學穩定性以及高的抗氧化性，因此，在高溫場合下，以Al2O3涂層為好。Al2O3涂層在高溫下能保持良好的化學穩定性和熱穩定性，但由于Al2O3與基體材料的物理和化學性能相差太大，單一Al2O3涂層無法制成理想的涂層刀具。

4）TiCN和TiAlN屬復合化合涂層材料，它們的出現使涂層刀具的性能上了一個臺階。TiCN是在單一的TiC中，氮原子占據原來碳原子在點陣中的位置而形成的復合化合物，具有TiC和TiN的綜合性能，其硬度（特別是高溫硬度）高于TiC和TiN，將TiCN設置為涂層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具壽命。因此，TiCN是一種較為理想的刀具涂層材料。TiAlN是TiN和Al2O3的復合化合物，其既具有TiN的硬度和耐磨性，同時在切削過程中氧化生成Al2O3，形成一層硬質惰性保護膜，起到抗氧化和耐擴散磨損的作用。加工高速鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金時比TiN涂層刀具壽命提高3～4倍，高速切削時，切削效果明顯優于TiN和TiC涂層刀具。TiAlN涂層刀具特別適合加工耐磨材料，如灰鑄鐵、硅鋁合金等。

5.其他先進刀具材料簡介

這里介紹的先進刀具材料的性能均高于前述的硬質合金和高速鋼，因此，主要用于前述材料性能不能滿足要求時的選擇。

（1）陶瓷刀具材料 具有硬度高、耐磨性好、耐熱性和化學穩定性優良等特點。

陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔點很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的碳化物、氧化物或金屬等添加劑，經制粉、壓制、燒結而成。

陶瓷刀具材料具有以下性能特點：

1）硬度高、耐磨性好。陶瓷刀具的硬度雖然不及PCD（金剛石）和PCBN（聚晶立方氮化硼）高，但大大高于硬質合金和高速鋼刀具，達到93～95HRA。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質合金刀具高2～10倍，而且刀具壽命長，可減少換刀次數，從而大大提高了切削加工的生產效率。因此，陶瓷刀具可以加工傳統刀具難以加工的高硬材料，實現“以車代磨”。陶瓷刀具適合高速切削和硬切削。

2）耐高溫、耐熱性好。陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進行切削。陶瓷刀具具有很好的高溫力學性能，在800℃時的硬度為87HRA，在1200℃時的硬度仍達到80HRA。隨著溫度的升高，陶瓷刀具的高溫力學性能降低很慢。Al2O3陶瓷刀具的抗氧化性能特別好，切削刃即使處于熾熱狀態，也能連續使用。因此，陶瓷刀具可以實現干切削，從而可省去切削液。

3）化學穩定性好。陶瓷刀具不易與金屬產生粘結，且耐腐蝕、化學穩定性好，可減小刀具的粘結磨損。

4）摩擦系數小。陶瓷刀具與金屬的親合力小，摩擦系數小，可減小切削力和切削溫度。這不僅減少刀具磨損，提高刀具壽命，而且可減小已加工表面的表面粗糙度值，因此在高速精車和精密銑削時，可獲得以車、銑代磨的效果。

5）原料豐富。硬質合金中所含的W和Co等資源缺乏，價格高昂，而陶瓷刀具材料使用的主要原料Al2O3、SiO2、碳化物等是地球上最豐富的元素，對發展陶瓷刀具材料十分有利。因此，開發和使用陶瓷刀具，對節省戰略性貴重金屬具有十分重要的意義。

6）強度和韌性低、熱導率低。陶瓷刀具材料屬典型的脆性材料，抗彎強度和沖擊韌度低，熱導率僅為硬質合金的1/5～1/2，而線膨脹系數卻比硬質合金高10%～30%，熱沖擊性差。當溫度發生明顯變化時，容易產生裂變，導致刀片破損。

陶瓷刀具的導熱性較差，通常進行干切削或使用潤滑劑進行切削，以減少前面與工件的摩擦，只有在加工某些難加工材料時，加入一定的切削液，提高刀具壽命。使用切削液時，必須在刀具接觸工件前對切削區域澆注切削液，直到刀具完全切削完畢為止，同時切削液必須大量連續供應，流量不得少于4～6L/min，否則切削溫度的變化，會加劇陶瓷刀具的崩刃甚至破損。

（2）立方氮化硼刀具材料 立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）是氮化硼（BN）的同素異構體之一，其晶體結構類似金剛石，硬度略低于金剛石，但遠高于其他刀具材料，其與金剛石統稱為超硬刀具材料，常用作磨料和刀具材料。

到目前為止，立方氮化硼主要是通過人工合成的方法獲得，有單晶體（CBN）與多晶體（聚晶立方氮化硼，簡稱PCBN）之分。

單晶體立方氮化硼是以立方氮化硼為原料，加觸媒在4～8GPa高壓、1400～1800℃高溫條件下轉化而成。由于受CBN制造技術的限制，目前制造直接用于切削刀具的大顆粒單晶體仍存在困難，成本很高，加之單晶CBN存在易劈裂的解理面，不能直接用于制造切削刀具，因而CBN單晶主要用于制作磨料和磨具。目前，工業上可用于切削刀具的立方氮化硼材料主要是聚晶立方氮化硼刀具。

PCBN是在高溫高壓條件下，將微細的CBN材料通過粘結劑（Al、Ti、TiC、TiN等）燒結而成的一種多晶材料。PCBN克服了CBN單晶體易解理和各向異性等缺點，非常適合制作刀具等工具。

立方氮化硼的主要性能特點如下：

1）高的硬度和耐磨性。CBN微粉的顯微硬度為8000～9000HV，其PCBN燒結體的硬度達到3000～5000HV。在切削耐磨材料時，其耐磨性為硬質合金刀具的50倍，為涂層硬質合金刀具的30倍，為陶瓷刀具的25倍。

2）具有很高的熱穩定性。CBN的耐熱性可達1400～1500℃以上，比金剛石的耐熱性（700～800℃）幾乎高1倍。CBN在1370℃時才開始由立方晶體變為六方晶體而開始軟化。PCBN在800℃時的硬度還高于陶瓷和硬質合金的常溫硬度。因此，PCBN刀具可用比硬質合金刀具高3～5倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼。

3）優良的化學穩定性。CBN的化學惰性大，在1000℃以下不發生氧化反應。同時與鐵系材料到1200～1300℃時也不易起化學作用，在還原性的氣體介質中，對酸和堿都是穩定的。因此，PCBN刀具適合切削淬火鋼零件和冷硬鑄鐵，可廣泛應用于鑄鐵的高速切削。

4）具有較好的導熱性。CBN的熱導率比金剛石低（約為金剛石的1/2），但遠遠高于高速鋼、硬質合金等材料。在各類刀具材料中，PCBN的導熱性僅次于金剛石。隨著溫度的升高，CBN和PCBN的熱導率是增加的。PCBN刀具熱導率高可使刀尖處溫度降低，減小刀具的磨損，有利于加工精度的提高。在同樣的切削條件下，PCBN刀具的切削溫度要低于硬質合金刀具。

5）具有較小的摩擦系數。CBN與不同材料間的摩擦系數約為0.1～0.3，比硬質合金的摩擦系數（0.4～0.6）小得多。隨著切削速度的提高，摩擦系數減小。低的摩擦系數能使切削力減小、切削溫度降低、加工表面質量提高。

（3）金剛石刀具材料 金剛石是碳的同素異構體之一，是迄今為止自然界發現的最硬的一種材料。天然金剛石作為切削刀具已有上百年的歷史了，但由于資源的稀缺性，限制了其推廣應用。自從出現了人工合成的金剛石，其在切削加工中才被人們廣泛關注，并發展出了聚晶金剛石和涂層金剛石等刀具產品，并在金屬與非金屬加工中得以較為廣泛的應用。近年來，隨著數控機床的普遍應用和數控加工技術的迅速發展，可實現高效率、高穩定性、長壽命加工的金剛石刀具的應用日漸普及，金剛石刀具已成為現代數控加工中不可缺少的重要工具之一。金剛石刀具的種類如圖1-1所示。

圖1-1 金剛石刀具的種類

金剛石刀具材料的性能特點如下：

1）極高的硬度和耐磨性。天然金剛石的顯微硬度達10000HV，金剛石具有極高的耐磨性，天然金剛石的耐磨性為硬質合金的80～120倍，人造金剛石的耐磨性為硬質合金的60～80倍。加工高硬度材料時，金剛石刀具的壽命為硬質合金刀具的10～100倍，甚至高達幾百倍。

2）各向異性的問題。單晶金剛石晶體不同晶面及晶向的硬度、耐磨性、微觀強度、研磨加工的難易程度以及與工件材料之間的摩擦系數等相差很大，因此，設計和制造單晶金剛石刀具時，必須正確選擇晶體方向，對金剛石原料必須進行晶體定向。金剛石刀具的前、后面的選擇是設計單晶金剛石刀具的一個重要問題。聚晶金剛石刀具材料可克服單晶金剛石的各向異性缺陷。

3）摩擦系數。金剛石刀具具有很小的摩擦系數。金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數比其他刀具都小，約為硬質合金刀具的一半。通常在0.1～0.3之間。如金剛石與黃銅、鋁和純銅之間的摩擦系數分別為0.1、0.3和0.25。對于同一種加工材料，天然金剛石刀具的摩擦系數低于人造金剛石刀具。摩擦系數小，則切削加工變形小，可減小切削力。

4）切削刃非常鋒利，加工表面粗糙度值很小。金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，切削刃鈍圓半徑rε一般可達0.1～0.5μm。天然單晶金剛石刀具可高達0.002～0.008μm。因此，天然金剛石刀具能進行超薄切削和超精密加工。加工表面的表面粗糙度值可達Ra0.1～0.3μm，高的可達Ra0.001μm

5）優異的導熱性。金剛石具有很高的導熱性。金剛石的熱導率為硬質合金的1.5～9倍，為銅的2～6倍。由于熱導率及熱擴散率高，切削熱容易散出，刀具切削區域溫度低。

6）較低的熱膨脹系數和較大的彈性模量。金剛石的熱膨脹系數比硬質合金小，約為高速鋼的1/10。因此金剛石刀具不會產生很大的熱變形，即由切削熱引起的刀具尺寸的變化很小，同時較大的彈性模量使切削刃不易變形，這對尺寸精度要求很高的精密和超精密加工來說尤為重要。