常規(guī)刀具材料的基本性能

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高速鋼

1898 年由美國機械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)發(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加入了較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，其含碳量為0.7%——1.05%。高速鋼具有較高耐熱性，其切削溫度可達600℃，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，其切削速度可成倍提高。高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求；此外，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計其儲量只夠再開采使用40——60年，因此高速鋼材料面臨嚴峻的發(fā)展危機。

陶瓷

與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10——20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2——6倍，且化學穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點是脆性大、橫向斷裂強度低、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進行改進的重點。

陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成復合陶瓷刀具，其硬度可達93——95HRC，為提高韌性，常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為Si3N4+TiC+Co復合陶瓷，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當。③氮化硅—氧化鋁復合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學成分為77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可達1800HV，抗彎強度可達1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵。

金屬陶瓷

金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni、Co、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強度大于陶瓷材料，小于硬質(zhì)合金；化學穩(wěn)定性和抗氧化性好，耐剝離磨損，耐氧化和擴散，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強度。

金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩(wěn)定，在自動化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)象，零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較差，易碎裂，因此使用范圍有限。

超硬材料

人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料統(tǒng)稱為超硬材料。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩(wěn)定性、高溫半導體特性等多種優(yōu)良性能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密加工，特別適合加工非金屬硬脆材料。1955年，美國GE公司采用高溫高壓法成功合成了人造金剛石，1966年又研制出人造聚晶金剛石復合片(PCD)，自此人造金剛石作為一類新型刀具材料得到迅速發(fā)展。但由于金剛石中的碳在高溫下易與鐵元素作用而迅速溶解，因此金剛石刀具不適合加工鐵基合金，從而大大限制了金剛石在金屬切削加工中的應用。

立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此，雖然目前CBN還是以燒結(jié)體形式進行制備，但仍是適合鋼類材料切削、具有高耐磨性的優(yōu)良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。如采用CBN可轉(zhuǎn)位刀片干式精車淬硬齒輪，每個齒輪的加工成本可降低60%；采用配裝球形CBN刀片的立銑刀精銑大型硬質(zhì)磨具，磨削時間可比傳統(tǒng)工藝減少80%。CBN材料的不足之處是韌性較差的問題尚待解決。

硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金由Schroter于1926年首先發(fā)明。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具的硬度已達98——93HRA，在1000℃的高溫下仍具有較好的紅硬性，其耐用度是高速鋼刀具的幾十倍。

硬質(zhì)合金是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等難熔金屬碳化物以及作為粘結(jié)劑的鐵族金屬用粉末冶金方法制備而成。與高速鋼相比，它具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性；與超硬材料相比，它具有較高的韌性。由于硬質(zhì)合金具有良好的綜合性能，因此在刀具行業(yè)得到了廣泛應用，目前國外90%以上的車刀、55%以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金材料制造。

硬質(zhì)合金牌號通常可分為三類：①YG類(WC-Co類)：該類硬質(zhì)合金制造的刀具具有較好的韌性、耐磨性、導熱性等，主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬。②YT類(WC-TiC-Co類)：由于材料中加入了TiC，使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗彎剛度有所降低。該類硬質(zhì)合金具有高硬度和高耐熱性，抗粘結(jié)、抗氧化能力較好，適用于加工鋼材，切削時刀具磨損小，耐用度較高。③YW類(WC-TiC-TaC-Co類)：在YT材料中加入TaC是為了提高刀具的強度、韌性和紅硬性。該類硬質(zhì)合金材料具有很高的高溫硬度、高溫強度和較強的抗氧化能力，特別適于加工各種高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。

雖然近年來各種新型刀具材料層出不窮，但在今后相當長一段時間內(nèi)，硬質(zhì)合金刀具仍將廣泛應用于切削加工，因此需要研究開發(fā)新的材料制備技術，進一步改善和提高硬質(zhì)合金刀具材料的切削性能。

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