刀具材料的发展同时也受到工件材料发展的促进和影响

在金属切削加工中，刀具的切削部分直接承受切削功，因此刀具材料通常是指刀具切削部分的材料。 刀具材料的合理选择是切削加工的重要组成部分。 它在很大程度上决定了切削生产率、刀具消耗和加工成本、加工精度和表面质量的水平。 刀具材料的发展也受到工件材料发展的推动和影响。 今天我们分享一下刀具材料的选择。

刀具材料应具备的性能

切削刀具在工作过程中受到很大的切削压力、摩擦力和冲击力，从而产生较高的切削温度。 工具在这种高温、高压和剧烈摩擦的环境中工作。 使用不合适的材料会导致工具快速磨损或损坏。 因此，刀具材料应满足一些基本要求。

硬度高、耐磨性好

硬度是刀具材料应具备的基本性能。 为了从工件上切屑，刀具的硬度必须大于工件材料的硬度。 用于切削金属材料的刀具刃口硬度一般在60HRC以上。

对于碳素工具钢材料，室温硬度应在62HRC以上； 高速钢硬度为63~70HRC； 硬质合金刀具的硬度为89~93HRC。

耐磨性是刀具材料抵抗磨损的能力。 一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性越好。 硬度越高，数量越多，颗粒越小，刀具材料金相组织中硬点（如碳化物、氮化物等）分布越均匀，耐磨性越好。 同时还与刀具材料的化学成分、强度、显微组织以及摩擦区的温度有关。

如果只考虑材料的质量因素，而不考虑摩擦区温度和化学磨损等因素，那么可以用以下方法来表示材料的耐磨性WR，即

在公式：

H——材料硬度，单位为GPa。 可见，硬度越高，耐磨性越好；

KIC——材料的断裂韧性，单位为MPa·m1/2。 KIC越大，材料内应力引起的断裂越小，因而耐磨性越好；

E——材料的弹性模量，单位为GPa。 当E值较小时，磨粒引起的微观应变有利于产生较低的应力，从而提高耐磨性。

足够的强度和韧性

为了使刀具在巨大的压力以及切削过程中通常出现的冲击和振动的条件下工作而不崩刃和断裂，刀具材料必须具有足够的强度和韧性。 一般来说，韧性越高，能承受的切削力就越大。

高耐热性

耐热性是刀具材料切削性能的主要指标。 通常用其在高温下保持高硬度、耐磨性、强度和韧性的能力来衡量，又称热硬性。

刀具材料的高温硬度越高，耐热性越好，高温抗塑性变形和耐磨性越强，允许的切削速度越高。

刀具材料除具有高温硬度外，还应具有高温下抗氧化的能力，并具有良好的抗粘附和抗扩散能力。 这种性质称为化学稳定性。

良好的热物理性能和抗热震性能

刀具材料的导热性越好，切削热量越容易从切削区域传导走，从而降低刀具材料切削部分的温度，减少刀具磨损。

刀具在断续切削或使用切削液时，往往会受到较大的热冲击，从而使刀具内部产生裂纹而导致破损。刀具材料抵抗热冲击的能力可用抗热冲击系数R来表示，即是

在公式：

λ——导热系数；

σb——拉伸强度；

μ——泊松比；

E——弹性模量；

α——热膨胀系数。

导热系数越大，热量越容易传导出去，从而减小工具表面的温度梯度； 热膨胀系数小，可减少热变形； 弹性模量小，可以减小热膨胀引起的交变应力的幅度。

抗热震性能好的刀具材料在切削时可以使用切削液。

做工好

刀具不仅应具有良好的切削性能，还应易于制造。 这就要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削性能、高温塑性变形等。

经济

经济性是刀具材料的重要指标之一。 刀具材料的发展要与国家的实际资源相结合，具有重大的经济和战略意义。

虽然有些工具每件的价格非常昂贵，但由于其使用寿命较长，分摊到每个零件上的成本不一定很高。 因此，选择工具时应考虑经济效果。 此外，在先进加工系统（如切削加工自动化系统、柔性制造系统）中，还要求刀具的切削性能稳定可靠，具有一定的可预测性和高度的可靠性。

不同刀具材料的物理机械性能列于表1。材料的物理机械性能不同，用途也不同。

表1 各种刀具材料的物理机械性能

常用的刀具材料可分为四类：工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢）、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料（如金刚石、立方氮化硼）等。由于耐热性差，碳素工具钢和合金工具钢仅用于一些手动工具和切削速度较低的工具； 陶瓷、金刚石和立方氮化硼仅在有限的场合使用； 目前，在刀具材料中应用最广泛的仍然是高速钢和硬质合金基普通刀具材料。

高速钢

高速钢（HSS）是含有较多钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。 它是由美国机械工程师泰勒和冶金工程师怀特于1898年发明的。当时的成分为C 0.67%、W 18.91%、Cr 5.47%、V 0.29%、Mn 0.11%，其余为铁。 可承受550~600℃的切削温度，能以25~30m/min的切削速度切削一般钢材，从而比合金工具钢提高加工效率215倍以上。

高速钢是一种综合性能良好、应用范围最广的刀具材料。 它具有良好的热稳定性。 在500~600℃高温下仍能切割。 与碳素工具钢、合金工具钢相比，切削速度提高1-3倍，刀具耐用度提高10-40倍，甚至更多。 因此，它可以加工从有色金属到高温合金的广泛材料； 高速钢具有较高的强度和韧性，并具有一定的硬度和耐磨性。 弯曲强度是一般硬质合金的2~3倍，陶瓷的5~6倍，63~70HRC。 因此，适用于各种切削刀具，也可用于刚性较差的机床上加工； 另外，高速钢切削刀具的制造工艺比较简单，易于刃磨锋利的切削刃，并且可以锻造。 这对于制造形状复杂的工具非常重要。 因此，高速钢在复杂刀具（如钻头、丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等）的制造中占有重要地位； 高速钢的材料性能优于硬质合金和陶瓷。 在自动化机床上使用稳定可靠。

综合以上因素，尽管各种新型刀具材料不断涌现，但目前使用的刀具材料中高速钢仍占很大比例。 但由于高速钢刀具中W、Co等主要元素资源短缺，全球范围内已日渐枯竭。 它们的内容仅够使用40至60年。 高速钢刀具在刀具材料中的比例逐渐下降，并逐年增加。 速度降低1%~2%。 预计未来高速钢的使用比例将逐渐下降。 高速钢刀具的发展方向包括以下几个方面：开发各种低W含量的通用高速钢，扩大使用各种无Co和低Co高性能高速钢，推广使用粉末冶金高速钢（PM HSS）和涂层高速钢。

根据用途不同，高速钢可分为通用高速钢和高性能高速钢。 根据工艺方法不同，高速钢可分为冶炼高速钢和粉末冶金高速钢。

几种常用高速钢的力学性能如表2所示。

表2 常用高速钢牌号物理机械性能

普通高速钢

通用高速钢应用最为广泛，约占高速钢总量的75%。 通用高速钢的含碳量为0.7%~0.9%。 根据钢中钨含量的不同，可分为含钨12%或18%的钨钢，含钨6%或8%的钨钼钢，含钨2%或不含钨的钼钢。 通用高速钢刀具的切削速度一般不太高，切削普通钢材时一般不高于40~60m/min。

(1) 钨钢

钨钢的典型钢种是W18钢。 W18钢的优点是淬火时过热倾向较小； 由于含钒量少，所以具有良好的可磨性； 由于其碳化物含量较高，因此具有较大的抗塑性变形能力。 这种钢的缺点是碳化物分布往往不均匀； 强度和韧性不够强； 热塑性较差，不宜制作大断面工具。

由于上述缺点等原因，W18钢在国内的使用量逐渐减少，国外也很少使用。

(2)钨钼钢

钨钼钢是以钼代替部分钨制成的钢。 如果钨钼钢中钼不大于5%，钨不小于6%，且满足[wW+(1.4~1.5)wMo]=12%~13%，则可以保证钼有利于钢材的强度和韧性。 影响而不影响钢的热稳定性。

钨钼钢的典型钢号是W6Mo5Cr4V2（简称M2）。 这种钢的优点是减少了碳化物数量和分布的不均匀性。 M2与W18钢相比，抗弯强度提高10%～15%，韧性提高40%。 大截面刀具还具有相同的强度和韧性，可以制造尺寸更大、冲击力更大的刀具。 钨钼钢具有特别好的热塑性和良好的磨削性。 是目前许多国家使用的通用高速钢。

钨钼钢的热稳定性略低于W18钢。 在较高速度切削时，切削性能比W18钢稍差。 但低速切削时两者并无显着差异。

钨钼钢的缺点是热处理时脱碳倾向大，易氧化，淬火温度范围窄，高温切削性能比W18稍差。

我国生产的另一种钨钼钢是W9Mo3Cr4V1（简称W9）。 其弯曲强度、冲击韧性和热稳定性均高于M2，其热塑性、刀具耐用性、磨削加工性以及热处理时的脱碳倾向均高于M2。

高性能高速钢

高性能高速钢是在普通高速钢的基础上提高碳、钒含量，并添加钴、铝等合金元素而形成的新钢种，如高碳高速钢、高钒高速钢等。 -高速钢、含钴高速钢、超硬高速钢等。

高性能高速钢按其耐热性能可称为高热稳定性高速钢。 在630-650℃高温下，仍能保持60HRC的高硬度，因而具有更好的切削性能，刀具耐用度是普通高速钢的1.5～3倍。 适用于奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料的加工。

这类钢的缺点是强度和韧性比普通高速钢低，高钒高速钢的磨削加工性较差。

不同牌号的此类钢只有在各自规定的切削条件下使用才能获得良好的切削性能。 各种高性能高速钢的特性限制了它们在一定范围内的使用适宜性。

典型钢种有高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2、高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、含钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5和超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等。牌号发展迅速，特别是为了提高切削效率而开发的高性能高速钢。 国外高性能高速钢的使用比例已超过20%~30%。 传统W18Cr4V钢对应的高速钢已基本被淘汰，取而代之的是含钴高速钢和高钒钢。 我国高性能高速钢的使用量仅占高速钢总使用量的3%~5%。

（1）W2Mo9Cr4VCo8（简称M42）

这是应用最广泛的含钴超硬高速钢，具有良好的综合性能。 硬度可达67~70HRC。 600℃高温硬度为55HRC，因此允许更高的切削速度。 此类钢具有一定的韧性，且钒含量不高，因此具有良好的磨削加工性； 钴含量有利于提高钢的回火硬度，提高钢的导热性，降低摩擦系数。 在加工耐热合金和不锈钢时，该钢制成的刀具的耐用度比W18和M2钢有显着提高。 被加工的材料越硬，效果越显着。

这种钢更昂贵，因为它含有更多的钴。

（2）W6Mo5Cr4V2Al（简称501）

这是一种含铝的超硬高速钢。 是我国根据国情独创的高性能高速钢。 铝可以增加钢中钨、钼等元素的溶解度，防止晶粒长大。 因此，铝高速钢具有较高的高温硬度、热塑性和韧性。 铝在切削温度的影响下可以在刀具表面形成氧化铝膜，减少摩擦和与切屑的粘附。 铝高速钢具有优良的切削性能。

此类钢的热处理工艺要求严格。

粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是利用高压氩气或纯氮气将高速钢液雾化，直接获得细小的高速钢粉末。 然后将该粉末在高温高压下制成致密的钢坯，最后对钢坯进行锻造和轧制。 一种用于钢材或切削工具的高速钢。 粉末冶金高速钢最早由瑞典于20世纪60年代研制成功，1970年代开始试行国产粉末冶金高速钢。

采用粉末冶金制造的高速钢具有以下优点：无碳化物偏析，提高了钢的强度、韧性和硬度，硬度值为69~70HRC； 保证材料的各向同性，减少热处理时的内应力和变形； 磨削加工 具有良好的耐磨性，磨削效率比熔炼高速钢高2～3倍； 耐磨性好，可提高20%~30%。

这类钢适用于制造切削难加工材料的刀具、大型刀具（如滚刀和插齿刀）、精密刀具和需要重磨削加工的复杂刀具。

碳化物

随着工业生产发展的需要，高速钢切削刀具已不能满足人们对高效率加工、高质量加工以及加工各种难加工材料的要求。 因此，在20世纪20年代和1930年代，人们发明了钨钴钛硬质合金。 其常温硬度高达89~93HRA，可承受800~900℃以上的切削温度，切削速度可达100m/min，切削效率是高速钢的5~10倍。 因此，全球硬质合金产量快速增长。 很快，它现已成为主要的工具材料之一。 硬质合金刀具是数控加工刀具的主导产品。 在一些国家，90%以上的车刀和55%以上的铣刀均采用硬质合金制成，而且这一趋势还在不断增加。

硬质合金的性能特点

硬质合金是由难熔金属碳化物（如TiC、WC、TaC、NbC等）和金属结合剂（如Co、Ni等）通过粉末冶金工艺制成。 硬质合金切削刀具的性能特点如下。

(1)硬度高

硬质合金的熔点高，硬度碳化物含量高，因此硬质合金在室温下的硬度很高。 常用的硬质合金的硬度为89~93HRA，远高于高速钢。 在540℃时硬度仍可达到82~87HRA，相当于高速钢在室温下的硬度（83~86HRA）。 硬质合金的硬度值由碳化物的种类和数量、粉末颗粒的厚度以及结合剂的含量决定。 硬质合金的硬度和熔点越高，硬质合金的热硬度越好； 结合剂含量越高，硬度越低； 碳化物粉末越细，在结合剂含量一定的情况下，硬度就越高。

(2)弯曲强度和韧性

常用硬质合金的弯曲强度为0.9~1.5GPa，远低于高速钢，仅为高速钢的1/3~1/2。 冲击韧性也较差，仅为高速钢的1/30~。 1/8。 因此，硬质合金刀具不如高速钢那样能承受较大的切削振动和冲击载荷。 当粘结剂含量较高时，弯曲强度较高，但硬度较低。

(3)导热系数

由于TiC的热导率低于WC，因此WC-TiC-Co合金的热导率低于WC-Co合金，并且随着TiC含量的增加而降低。

(4)热膨胀系数

硬质合金的热膨胀系数比高速钢小得多。 WC-TiC-Co合金的线膨胀系数比WC-Co合金大，并且随着TiC含量的增加而增大。

(5)耐冷焊性

硬质合金与钢冷焊的温度高于高速钢，WC-TiC-Co合金与钢冷焊的温度高于WC-Co合金。

切削工具用硬质合金分类及牌号表示规则

(一)分类

切削刀具用硬质合金牌号根据不同的使用领域分为P、M、K、N、S、H六类，如表3所列。为了满足不同的使用要求，根据耐磨性和耐磨性，切削工具用硬质合金材料的韧性，每一类又分为若干组，用01、10、20等两位数字代表组号。 如有必要，可在两个组号之间插入补充组号，用05、15、25等表示。

表3 切削刀具用硬质合金的分类

类别

使用领域

长切屑材料的加工，如钢、铸钢、长切屑可锻铸铁等。

用于加工不锈钢、铸钢、锰钢、可锻铸铁、合金钢、合金铸铁等的通用合金。

短切屑材料的加工，如铸铁、冷硬铸铁、短切屑可锻铸铁、灰口铸铁等。

有色金属和非金属材料的加工，如铝、镁、塑料、木材等。

耐热钢等耐热优质合金材料加工，含镍、钴、钛等各种合金材料加工

难切削材料的加工，如淬火钢、冷硬铸铁等材料

(2) 品牌代表规则

①按硬质合金的成分表示

②根据硬质合金的特性来表示

各牌号硬质合金的基本成分及力学性能要求

表4列出了切削工具用硬质合金各组的基本成分和力学性能要求（摘自GB/T 18376.1-2008）。

表4 硬质合金基本力学性能要求

常用硬质合金及其性能

ISO将切削硬质合金分为三类。

K级：主要成分为WC-Co，相当于我国的YG级。 用于加工短屑黑色金属、有色金属和非金属材料。

P型：主要成分为WC-TiC-Co，相当于我国的YT型。 用于加工长切屑黑色金属。

M级：主要成分为WC-TiC-TaC(NbC)-Co，相当于我国的YW级。 用于加工黑色金属和有色金属的长切屑或短切屑。

(1)钨钴(WC+Co)

合金代号为YG，对应国标K类。 此类合金由WC和Co组成，我国生产的常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等，数字表示Co的百分比含量，X表示细晶粒。 YG型硬质合金分为粗晶粒、中晶粒、细晶粒。 一般硬质合金（如YG6、YG8）为中晶粒。 细晶粒硬质合金（如YG3X、YG6X）比相同钴含量的中晶粒硬质合金具有更高的硬度和耐磨性，但其弯曲强度和韧性较低。 细晶粒硬质合金适合加工一些特硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬质青铜、硬质耐磨绝缘材料等。超细晶粒硬​​质合金的WC晶粒为0.2 ~1μm，大部分在0.5μm以下。 由于硬质相和结合相高度分散，因此结合面积增加。 适当增加钴含量，可以获得高弯曲强度和高硬度。

这种合金的钴含量越高，韧性越好，适合粗加工。 该合金的钴含量较低，适合精加工。 此类合金具有良好的韧性、可磨性和导热性。 它更适合加工产生崩角切屑并在切削刃附近作用有冲击切削力的脆性材料。 主要用于加工铸铁、青铜等脆性材料，不宜加工。 加工钢材时，在640℃时会发生严重的粘附，导致刀具磨损并降低耐用性。

(2)钨钛钴(WC+TiC+Co)

合金代号为YT，对应国标P类。 该类合金中的硬质相除WC外，还含有5%～30%的TiC。 常用牌号有YT5、YT14、YT15和YT30。 TiC含量分别为5%、14%、15%和30%，相应的钴含量为10%、8%、6%和4%。

这类合金具有高硬度和耐热性。 其硬度为89.5~92.5HRA，弯曲强度为0.9~1.4GPa。 主要用于加工带状切屑的钢件等塑料材料。 合金中TiC含量高，耐磨性和耐热性会提高，但强度会降低。 因此，粗加工时一般选用TiC含量低的牌号，精加工时选用TiC含量高的牌号。 主要用于加工钢铁和有色金属。 一般不用于加工含Ti的材料，因为合金中的钛成分与加工材料中的钛元素之间的亲和力会引起严重的粘刀，使刀具磨损加快。

(3)钨钛钽(铌)钴[WC+TiC+TaC(Nb)+Co]

合金代号为YW，对应国标M类。 这是在上述硬质合金成分中添加一定量的TaC（Nb）。 常用的牌号有YW1和YW2。 在YT型硬质合金成分中添加一定量的TaC(Nb)，可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧性，提高合金的高温硬度和高温强度，提高抗氧化性和耐磨性反抗。

该类硬质合金不仅适用于冷硬铸铁、有色金属及合金的半精加工，也可用于高锰钢、淬火钢、合金钢及热处理的半精加工和精加工。耐磨合金钢。 它被称为通用硬质合金。 如果适当提高这类合金的钴含量，强度可以很高，能承受机械振动和温度周期性变化引起的热冲击，可用于断续切削。

以上三类硬质合金的主要成分都是WC，因此可以统称为WC基硬质合金。

(4) TiC(N)基类(WC+TiC+Ni+Mo)

合金代号YN，TiC(N)基硬质合金是以TiC为主要成分（有的添加其他碳化物和氮化物）的TiC-Ni-Mo合金。 该类合金的硬度非常高，为90~94HRA，达到陶瓷的水平。 具有高耐磨性和抗月牙洼磨损性，高耐热性和抗氧化性，化学稳定性好，与工作材料的亲和力小，摩擦系数小，抗粘附能力强，因此刀具耐用可比WC基硬质合金高数倍。

TiC(N)基硬质合金一般用于精加工和半精加工。 特别适用于大而长的零件或加工精度较高的零件，但不适用于带有冲击载荷的粗加工和低速切削。

新型硬质合金

(1)细晶粒和超细晶粒硬​​质合金

普通硬质合金中的WC粒径为数微米，细晶粒合金的平均粒径为1.5μm左右。 超细晶合金的粒度为0.2~1μm，大部分在0.5μm以下。

由于细晶合金中硬质相和结合相高度分散，因此结合面积增大，结合强度提高。 因此，其硬度和强度均高于相同成分的合金。 硬度提高1.5~2HRA，弯曲强度提高0.6~0.8GPa，高温硬度也可提高，可减少中、低速切削时的崩角。

超细晶合金的生产过程中，除了使用细WC粉末外，还应添加微量抑制剂来控制晶粒长大，并采用先进的烧结工艺，成本较高。 超细晶粒硬​​质合金多采用YG合金。 它的硬度和耐磨性得到了极大的改善，其弯曲强度和影响韧性也得到了改善，接近高速钢。 它适用于小型铣刀，钻头等，可用于处理高硬度和难以机械材料。

（2）涂层碳化物

涂层碳化物切割工具是碳化物切割工具材料的另一个主要发展。 它通过涂层有机地结合了坚硬的材料和耐磨损的材料，从而改变了碳化物刀片的全面机械性能，并将其使用寿命提高了2至5倍。 它的发展非常迅速。 在某些发达国家，其用法占胶结碳化物工具材料总使用量的1/2以上。 我们国家目前正在积极开发这种切割工具，CN15、1N25，CN35，CN16，CN26和其他涂层碳化物插件已用于生产中。

（3）高速钢基碳化物

它使用TIC或WC作为硬阶段（30％〜40％）和高速钢作为键合阶段（70％〜60％）。 它是通过粉末冶金法制成的。 它的性能在高速钢和水泥碳化物之间。 可以在短时间内锻造，切割，热处理和焊接。 它的正常温度硬度为70〜75hrc，其耐磨性比高速钢高6至7倍。 它可用于制造复杂的切割工具，例如钻头，铣刀，小腿，霍布斯等，以及过程不锈钢，耐热钢和非有产金属。 高速钢胶结碳化物的导热率较差，容易过热。 它的高温性能比水泥碳化物的性能还差。 它需要在切割过程中足够冷却，不适合高速切割。

选择工具材料的原则

1.处理普通材料工件时，通常会使用普通的高速钢和碳化物； 在处理难以机理材料时，可以使用高性能和新的工具材料等级。 只有在处理高硬化材料或常规工具材料无法满足精确加工的处理精度要求时，才应考虑CBN和PCD插入物。

2.很难完全平衡任何工具材料的强度，组成，硬度和耐磨性。 选择工具材料等级时，通常可以根据工件材料的切割加工性和加工条件首先考虑耐磨性和切碎。 该问题应使用工具的合理几何参数尽可能地解决。 只有当工具材料太脆并导致边缘碎屑时，我们才能考虑降低耐磨性要求，并以更好的强度和韧性选择坡度。 在正常情况下，在低速切割时，切割过程是不稳定的，容易发生边缘碎屑。 建议以良好的力量和韧性选择工具材料成绩； 高速切割时，切割温度对工具材料的磨损产生最大的影响，因此应选择具有磨损特性的耐用消费产品。 好的工具材料等级。