第一章 刀 具 材 料
【内容提要】
本章主要介绍刀具材料应具备的性能，以及常用刀具材料中高速钢和硬质合金材料的特性及应用场合；简单介绍了其他刀具材料的性能及应用。
【目的要求】
1、明确刀具材料应具备的性能；
2、掌握常用刀具材料中高速钢和硬质合金的性能及应用场合；会根据具体加工工艺情况选择不同牌号的刀具材料。
3、了解其他刀具材料的性能。
【本章内容】
概 述刀具材料是指刀具上参与切削的那部分材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，而且还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料由高速钢和硬质合金。随着生产率的不断提高和难加工材料的日益广泛应用，超硬刀具材料也不断涌现如陶瓷、立方氮化硼以及金刚石（人造）等。
时间 刀具材料 切削速度
1900年以前 碳工钢 低
1900年左右 高速钢 提高六倍在以后的相继几十年里，据统计，每十年切削速度能提高一倍，耐用度可提高两倍。
高速钢一般允许切削速度为25～30m/min；硬质合金允许的切削速度为100m/min.
要提高切削加工的生产率，就需要提高切削速度和刀具耐用度，那末就要求提供切削性能更好的刀具材料，以便进一步提高切削加工生产率及加工质量。
由于切削过程中会产生切削抗力、切削热、冲击和振动，那么刀具材料具有哪些性能才能满足要求呢?
§1-1 刀具材料应具备的性能一、硬度和耐磨性
刀具材料的硬度一定要大于工件材料的硬度，一般常温硬度超过60HRC以上。高速钢在63～66HRC 以上，硬质合金在74～81.5HRC左右，人造金刚石10000HV。
一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。因为均匀分布的细化碳化物数量越多，颗粒越小，耐磨性就越高。
二、强度和韧性在切削过程中，刀具承受很大的压力，只有抗弯强度好，切削用量才不会发生变化。粗加工余量不均，切削力发生变化，对刀具有冲击和震动，如果韧性不好，常会出现崩刃或折断。
硬度和韧性是一对不可解决的矛盾，如高速钢的韧性好，而硬质合金的硬度高，在下一节中我们会讲到。
三、耐热性耐热性是指在高温下刀具材料保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。用红硬性表示。高温下硬度越高，则红硬性越好。
碳素工具钢的红硬性200～250℃，高速钢不超过650℃，硬质合金约800～1000℃。
四、良好的工艺性
总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求，这里不作为讲述内容。
§1-2 常用刀具材料目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。
一、碳素工具钢碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.65～1.35%）。
1、常用牌号
T7A、T8A……T13A 其中 T 碳,A 高级优质碳素工具钢
2、主要性能淬火后硬度较高，可达HRC61～65；红硬性为200℃～250℃，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC≤10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等；优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃。
二、合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。
1、主要牌号
9SiCr：9表示平均含C量为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%。
2、主要性能淬火后的硬度可达HRC61～65，红硬性为300℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。
三、高速钢高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素，这些合金元素的含量较高，主要改变以往工具钢的性能。
(一)高速钢的性能：
1、具有高的强度和韧性 ；
2、良好的耐磨性，63～66HRC (加入V元素的作用)；
3、红硬性为600℃（加入W元素的作用）；
4、允许切削速度Vc=25～30m/min；
高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性能。用高速钢制成的刀具，在切削时显得比一般低合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢。高速钢区别于其他一般工具钢的主要特性是它具有良好的热硬性（红硬性），当切削温度高达600℃左右时硬度仍无明显下降，能以比合金工具钢更高的切削速度进行切削，高速钢由此而得名。
5、具有良好的制造工艺性；
高速钢能锻造，易刃磨，能制造形状复杂的及大型成形刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具、整体铣刀盘等都用高速钢。高速钢的焊接、韧性、热处理性能好。
6、可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；
7、加工范围较大：铸铁、有色金属、钢（指正火状态下，淬火状态不能加工）
（二）高速钢的分类高速钢按用途来分可分为普通高速钢和高性能高速钢。
1、普通高速钢：工艺性好，可满足一般工程材料的切削加工。又可分为
2、高性能高速钢通过调整基本化学成分和添加其他合金元素，，使其性能比普通高速钢提高一步，可用于切削高强度钢，高温合金、钛合金等难加工材料。分类：
四、硬质合金指有高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结剂，经过高压成形，在500℃的高温下烧结而成的材料为硬质合金。
组成：硬质相（TiC或WC）+ 粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）
（一）主要性能
1、常温硬度74～81.5HRC，红硬性为800℃～1000℃，耐磨性优良。
2、允许切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超过200m/min.
硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高4～7倍，刀具寿命可提高5～80倍。有的金属材料如奥氏体耐热钢和不锈钢等用高速钢无法切削加工，若用含WC的硬质合金就可以切削加工，硬质合金还可加工硬度在HRC50左右的硬质材料。
3、脆性较大，怕冲击和振动。容易出现崩刃，因此注意加工条件。
4、制造工艺性差。由于硬度太高，不能进行机械加工，因而硬质合金经常制成一定规格的刀片，焊在刀体上使用。如硬质合金端铣刀（非整体式的）
5、加工范围较广。脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。
（二）分类硬质合金分为
1、钨钴钛类硬质合金YG
（1）组成：WC+Co
（2）常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）
当Co的含量较多时，WC的含量较小时，则硬度较低，韧性和强度提高，硬度下降，耐磨性降低；反之，韧性和强度下降，硬度提高，耐磨性、耐热性提高。
（3）应用,
YG3（精加工） YG6（半精加工） YG8（粗加工）
Co的含量↑ 韧性↑ 强度↑ HRC↓ 耐磨性↓
Co的含量↓ 韧性↓ 强度↓ HRC↑ 耐磨性↑ 脆性↑
主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640℃时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。
为了适应各种加工情况的需要，在含Co量相同的情况下，按WC粉末的不同粒度分为粗晶粒（YG3C）、细晶粒（YG3X）、中间晶粒（YG3）。一般硬质合金为中间晶粒。
2、钨钴钛类硬质合金（YT）
（1）组成：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）
（2）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）
（3）应用：
YT5（粗加工） YT14、YT15（半精加工） YT30（精加工）
TiC含量↑ 硬度↑ 耐磨性↑ 脆性↑ 韧性↓
TiC含量↓ 硬度↓ 耐磨性↓ 脆性↓ 韧性↑
主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。
3、添加稀有金属硬质合金钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC(NbC),可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。
4、碳化钛基硬质合金（YN）
这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。
（三）涂层硬质合金的选用涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为5～12μm的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。
涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。
§1-2 其他刀具材料
1、陶瓷材料主要是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。但由于其强度低，韧性差，长期以来主要用于精加工。近几年来采用先进的工艺，使其抗弯强度、抗冲击性能有很大的提高，应用范围在日益扩大。除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。
陶瓷刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：
1）可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料；
2）可用于扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；
3）耐用度提高几倍至几十倍；
4）切削效率提高3～10倍，可实现以车、铣代磨。
2、立方氮化硼
它是70年代才发展起来的一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，可达8000～9000HV,仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000℃以上的切削温度，它的最大的优点是在高温1200℃～1300℃时也不会与铁族金属起反应。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。
3、金刚石
分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，不足之处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属，在800℃时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损。
金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。
主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。
课后作业：课后习题——第一章 （1）、（2）、（3）、（4）、(5)、(6)
【内容提要】
本章主要介绍刀具材料应具备的性能，以及常用刀具材料中高速钢和硬质合金材料的特性及应用场合；简单介绍了其他刀具材料的性能及应用。
【目的要求】
1、明确刀具材料应具备的性能；
2、掌握常用刀具材料中高速钢和硬质合金的性能及应用场合；会根据具体加工工艺情况选择不同牌号的刀具材料。
3、了解其他刀具材料的性能。
【本章内容】
概 述刀具材料是指刀具上参与切削的那部分材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，而且还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料由高速钢和硬质合金。随着生产率的不断提高和难加工材料的日益广泛应用，超硬刀具材料也不断涌现如陶瓷、立方氮化硼以及金刚石（人造）等。
时间 刀具材料 切削速度
1900年以前 碳工钢 低
1900年左右 高速钢 提高六倍在以后的相继几十年里，据统计，每十年切削速度能提高一倍，耐用度可提高两倍。
高速钢一般允许切削速度为25～30m/min；硬质合金允许的切削速度为100m/min.
要提高切削加工的生产率，就需要提高切削速度和刀具耐用度，那末就要求提供切削性能更好的刀具材料，以便进一步提高切削加工生产率及加工质量。
由于切削过程中会产生切削抗力、切削热、冲击和振动，那么刀具材料具有哪些性能才能满足要求呢?
§1-1 刀具材料应具备的性能一、硬度和耐磨性
刀具材料的硬度一定要大于工件材料的硬度，一般常温硬度超过60HRC以上。高速钢在63～66HRC 以上，硬质合金在74～81.5HRC左右，人造金刚石10000HV。
一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。因为均匀分布的细化碳化物数量越多，颗粒越小，耐磨性就越高。
二、强度和韧性在切削过程中，刀具承受很大的压力，只有抗弯强度好，切削用量才不会发生变化。粗加工余量不均，切削力发生变化，对刀具有冲击和震动，如果韧性不好，常会出现崩刃或折断。
硬度和韧性是一对不可解决的矛盾，如高速钢的韧性好，而硬质合金的硬度高，在下一节中我们会讲到。
三、耐热性耐热性是指在高温下刀具材料保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。用红硬性表示。高温下硬度越高，则红硬性越好。
碳素工具钢的红硬性200～250℃，高速钢不超过650℃，硬质合金约800～1000℃。
四、良好的工艺性
总之，刀具应具备的性能主要就这四个方面，当然还有经济性、切削性能的可预测性等要求，这里不作为讲述内容。
§1-2 常用刀具材料目前在切削加工中常用的刀具材料有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金及陶瓷等。
一、碳素工具钢碳素工具钢是一种含C量较高的优质钢（含C一般为0.65～1.35%）。
1、常用牌号
T7A、T8A……T13A 其中 T 碳,A 高级优质碳素工具钢
2、主要性能淬火后硬度较高，可达HRC61～65；红硬性为200℃～250℃，价格低廉，不耐高温，切削速度因此而不能提高，允许切削速度VC≤10m/min,只能制作低速手用刀具，如板牙、锯条、锉等；优点：易刃磨，可获得锋利的刀刃。
二、合金工具钢在碳素工具钢中加入一定量的铬（Cr）、钨（W）、锰（Mn）等合金元素，能够提高材料的耐热性、耐磨性和韧性，同时还可以减少热处理时的变形。
1、主要牌号
9SiCr：9表示平均含C量为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%。
2、主要性能淬火后的硬度可达HRC61～65，红硬性为300℃～400℃，允许切削速度Vc=10～15m/min,制作低速、形状比较复杂、要求淬火后变形小的刀具。如板牙、拉刀、手用铰刀（孔的精加工）等。
三、高速钢高速钢是一种高合金工具钢，钢中含有W、Mo、Cr、V等合金元素，这些合金元素的含量较高，主要改变以往工具钢的性能。
(一)高速钢的性能：
1、具有高的强度和韧性 ；
2、良好的耐磨性，63～66HRC (加入V元素的作用)；
3、红硬性为600℃（加入W元素的作用）；
4、允许切削速度Vc=25～30m/min；
高速钢经过适当热处理，可获得良好的切削性能。用高速钢制成的刀具，在切削时显得比一般低合金工具钢刀具更加锋利，因此又俗称锋钢。高速钢区别于其他一般工具钢的主要特性是它具有良好的热硬性（红硬性），当切削温度高达600℃左右时硬度仍无明显下降，能以比合金工具钢更高的切削速度进行切削，高速钢由此而得名。
5、具有良好的制造工艺性；
高速钢能锻造，易刃磨，能制造形状复杂的及大型成形刀具，如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具、整体铣刀盘等都用高速钢。高速钢的焊接、韧性、热处理性能好。
6、可获得锋利的刀刃（锋钢之称）；
7、加工范围较大：铸铁、有色金属、钢（指正火状态下，淬火状态不能加工）
（二）高速钢的分类高速钢按用途来分可分为普通高速钢和高性能高速钢。
1、普通高速钢：工艺性好，可满足一般工程材料的切削加工。又可分为
2、高性能高速钢通过调整基本化学成分和添加其他合金元素，，使其性能比普通高速钢提高一步，可用于切削高强度钢，高温合金、钛合金等难加工材料。分类：
四、硬质合金指有高硬度、高熔点的碳化物，用金属粘结剂，经过高压成形，在500℃的高温下烧结而成的材料为硬质合金。
组成：硬质相（TiC或WC）+ 粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）
（一）主要性能
1、常温硬度74～81.5HRC，红硬性为800℃～1000℃，耐磨性优良。
2、允许切削速度Vc=100m/min以上，最高不能超过200m/min.
硬质合金刀具的切削速度比高速钢提高4～7倍，刀具寿命可提高5～80倍。有的金属材料如奥氏体耐热钢和不锈钢等用高速钢无法切削加工，若用含WC的硬质合金就可以切削加工，硬质合金还可加工硬度在HRC50左右的硬质材料。
3、脆性较大，怕冲击和振动。容易出现崩刃，因此注意加工条件。
4、制造工艺性差。由于硬度太高，不能进行机械加工，因而硬质合金经常制成一定规格的刀片，焊在刀体上使用。如硬质合金端铣刀（非整体式的）
5、加工范围较广。脆性材料、钢材、有色金属等均可加工。
（二）分类硬质合金分为
1、钨钴钛类硬质合金YG
（1）组成：WC+Co
（2）常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）
当Co的含量较多时，WC的含量较小时，则硬度较低，韧性和强度提高，硬度下降，耐磨性降低；反之，韧性和强度下降，硬度提高，耐磨性、耐热性提高。
（3）应用,
YG3（精加工） YG6（半精加工） YG8（粗加工）
Co的含量↑ 韧性↑ 强度↑ HRC↓ 耐磨性↓
Co的含量↓ 韧性↓ 强度↓ HRC↑ 耐磨性↑ 脆性↑
主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不适合加工钢料，因为在640℃时发生严重粘结，使刀具磨损，耐用度下降。
为了适应各种加工情况的需要，在含Co量相同的情况下，按WC粉末的不同粒度分为粗晶粒（YG3C）、细晶粒（YG3X）、中间晶粒（YG3）。一般硬质合金为中间晶粒。
2、钨钴钛类硬质合金（YT）
（1）组成：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）
（2）常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）
（3）应用：
YT5（粗加工） YT14、YT15（半精加工） YT30（精加工）
TiC含量↑ 硬度↑ 耐磨性↑ 脆性↑ 韧性↓
TiC含量↓ 硬度↓ 耐磨性↓ 脆性↓ 韧性↑
主要用于加工钢材及有色金属，一般不用与加工含Ti的材料,如1Cr15Ni9Ti,Ti与Ti的亲合力较大，使刀具磨损较快。
3、添加稀有金属硬质合金钨钽（铌）钴类硬质合金（YA）和钨钛钽（铌）钴类硬质合金（YW），是在钨钴钛类硬质合金（YT）中加入TaC(NbC),可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高和金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化能力和耐磨性。这类合金可以用于加工铸铁及有色金属，也可用于加工钢材，因此常成为通用硬质合金，他们主要用于加工难加工材料。
4、碳化钛基硬质合金（YN）
这种合金有很高的耐磨性，有较高的耐热性和抗氧化能力，化学稳定性好，与工件材料的亲合力小，抗粘结能力较强。主要用于钢材、铸铁的精加工、半精加工和粗加工。
（三）涂层硬质合金的选用涂层硬质合金是采用韧性较好的基体（如硬质合金刀片或高速钢等），通过化学气相沉积和真空溅射等方法，对硬质合金表面涂层厚度为5～12μm的涂层材料以提高刀具的抗磨损能力。
涂层材料为TiC、TiN、Al2O3等。适合于各种钢材、铸铁的半精加工和精加工，也适合于负荷较小的精加工。
§1-2 其他刀具材料
1、陶瓷材料主要是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，经压制成型后烧结而成的刀具材料。陶瓷的硬度高，化学性能稳定，耐氧化，所以被广泛用于高速切削加工中。但由于其强度低，韧性差，长期以来主要用于精加工。近几年来采用先进的工艺，使其抗弯强度、抗冲击性能有很大的提高，应用范围在日益扩大。除适于一般的精加工和半精加工外，还可用于冲击负荷下的粗加工。
陶瓷刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：
1）可加工硬度高达HRC65的高硬度难加工材料；
2）可用于扒荒粗车及铣、刨等大冲击间断切削；
3）耐用度提高几倍至几十倍；
4）切削效率提高3～10倍，可实现以车、铣代磨。
2、立方氮化硼
它是70年代才发展起来的一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高温、高压下加入催化剂转变而成的。其硬度很高，可达8000～9000HV,仅次于金刚石，并具有很好的热稳定性，可承受1000℃以上的切削温度，它的最大的优点是在高温1200℃～1300℃时也不会与铁族金属起反应。因此既能胜任淬火钢、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。
3、金刚石
分为人造和天然两种，是目前已知最硬的，硬度约为HV10000,故其耐磨性好，不足之处是抗弯强度和韧性差，对铁的亲和作用大，故金刚石刀具不能加工黑色金属，在800℃时，金刚石中的碳与铁族金属发生扩散反应，刀具急剧磨损。
金刚石价格昂贵，刃磨困难，应用较少。
主要用作磨具及磨料，有时用于修整砂轮。
课后作业：课后习题——第一章 （1）、（2）、（3）、（4）、(5)、(6)
