第1章　緒論

1.1　刀具材料

1.1.1　刀具材料概述

1.1.1.1　工具鋼

工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼。

碳素工具鋼是指碳含量為0.65％～1.35％的優質高碳鋼，最常用的牌號是T12A。這類鋼只適宜做一些手動工具。

合金工具鋼是指含鉻、鎢、硅、鋁等合金元素的低合金鋼種，最常用的牌號是9SiCr、CWMn等。合金工具鋼可以允許有較高的切削速度、淬透性較好、熱處理變形較小、耐磨性較好。

高速鋼是一種加入了較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼，常用的牌號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，高速鋼具有優良的綜合性能，是使用得較多的一種刀具材料。

1.1.1.2　鑄造鈷基合金

鑄造鈷基合金（斯太立特合金）是一種含有1％～3％的碳和數量不等的鈷、鎢、鉻、釩等成分的高鈷基合金。這種合金適用于其切削速度對高速鋼來說太高，但對硬質合金來說又太低的場合。

1.1.1.3　硬質合金類

（1）WC硬質合金　WC硬質合金刀具材料是以WC、TiC粉體為主要成分，以Co、Ni為黏結劑在真空爐或氫氣還原爐中燒結而成的粉體冶金制品。WC硬質合金的硬度可達89～91HRA；抗彎強度為1～1.75GPa，約為普通高速鋼W18Cr4V抗彎強度的一半。由于WC硬質合金耐熱性高、耐磨性好，目前許多刀具，如車刀、端面銑刀、絞刀等都以硬質合金作為主要刀具材料。

最常用的WC硬質合金有兩大類。

①鎢鈷類（YG類）　由WC及Co組成，主要用于加工鑄鐵和有色金屬。常用牌號有YG3、YG6、YG8等。

②鎢鈦鈷類（YT類）　由WC、TiC及Co組成，主要用于加工鋼料。常用牌號有YT30、YT15、YT5等。

（2）Ti（C，N）基金屬陶瓷　Ti（C，N）基金屬陶瓷是本章介紹重點之一，接下來會專門敘述。

（3）涂層硬質合金　涂層硬質合金就是通過化學氣相沉積（chemical vapour deposition，CVD）或物理氣相沉積（physical vapour deposition，PVD）方法，在硬質合金刀片表面涂覆一層硬度和耐磨性很高的材料，如TiC、TiN、Ti（C，N）、Al₂O₃、HfC、NbC等，這些涂層材料的晶粒很細，對刀具刀刃有補缺作用。用得最多的是TiC，其次是TiN和Al₂O₃。這些涂覆層一般只有5～12μm，這樣使硬質合金既具有強韌的基體，也具有高硬度和高耐磨性的表面。

（4）硬質合金類刀具材料比較　表1-1所示為三種硬質合金類刀具材料WC-Co硬質合金、Ti（C，N）-Ni金屬陶瓷、Ti（C，N）涂層硬質合金之間的相互比較。

從表中可以看出，WC-Co硬質合金具有優良的韌性，但是耐磨性較差。與之相反，Ti（C，N）基金屬陶瓷有很好的耐磨性，但是韌性較差。與前兩者相比，通過在WC-Co硬質合金表面用物理氣相沉積或化學氣相沉積的方法沉積硬質相Ti（C，N）得到的Ti（C，N）涂層硬質合金既具備優良的韌性，也有良好的耐磨性。不過，涂層硬質合金的成本較高，一般比普通硬質合金貴10％～50％。此外，對于高溫CVD，由于涂層和硬質合金的熱膨脹系數不同，所以在隨后的冷卻過程中在涂層表面容易形成裂紋，這些裂紋在刀具切削過程中容易傳播，從而導致材料的失效。

1.1.1.4　陶瓷材料

（1）Al₂O₃陶瓷　Al₂O₃基陶瓷刀具材料主要用高純度Al₂O₃加微量添加劑，經冷壓或熱壓燒結而成。根據添加劑的種類，Al₂O₃基陶瓷分為純Al₂O₃陶瓷、Al₂O₃-金屬系陶瓷、Al₂O₃-碳化物系陶瓷、Al₂O₃-碳化物-金屬系陶瓷四類。Al₂O₃基陶瓷刀具材料對高速切削特別適用，其主要缺點是抗彎強度低。

（2）Si₃N₄陶瓷　Si₃N₄陶瓷是以高純度粉體Si₃N₄為原料，添加MgO、Al₂O₃等為助燒劑，經熱壓成型燒結而成的一種刀具材料。Si₃N₄陶瓷具有硬度高、抗彎強度較高（0.6～0.8GPa）等特點。Si₃N₄陶瓷不僅能用于淬火鋼、冷硬鑄鐵等高硬度材料的精加工和半精加工，而且還能用于鋼結硬質合金、鎳基合金、玻璃鋼、熱解石墨、純鉬、無氧銅等材料的精加工和部分粗加工。

1.1.1.5　超硬刀具材料

超硬刀具材料指的是金剛石和立方氮化硼（CBN）。金剛石刀具在耐磨材料及非金屬材料的切削方面，應用較廣。立方氮化硼的熱穩定性高，與鐵族元素的化學惰性大，故多用于切削淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基高溫合金。

超硬刀具材料的主要缺點是價格高，其次是刃磨困難，再次是強度較低，因此只能用于精加工，并且要求機床-夾具-刀具-工件系統的剛性比較高，無振動。

1.1.2　刀具材料發展趨勢

在現代工業中，刀具材料占有重要的地位。在我國，由于近年制造業的高速發展，為切削刀具的發展提供了巨大的市場潛力。據報道，在2008年，我國刀具消費總量已超過德國、美國、日本等發達國家，達到40億美元。統計顯示，我國國產刀具的生產總量2012年達到了350億元，出口刀具85億元，同比增長21.4％。按此增速計算，2015年國內刀具市場有望增長到850億元。

目前，刀具材料雖然種類繁多，但據統計資料，主要刀具材料仍然是高速鋼和硬質合金，二者共占總產值的97％～98％；陶瓷刀具材料占0.3％左右，金剛石和立方氮化硼占0.2％～0.3％，碳素工具鋼和合金工具鋼占1％～2％。但從發展趨勢來看，硬質合金類、陶瓷材料以及超硬刀具所占比例將逐年增加，而碳素工具鋼及合金工具鋼所占比例會逐年下降。

刀具材料性能的優劣是影響加工表面質量、切削效率、刀具壽命的基本因素。刀具新材料的出現，往往能夠成倍地提高生產率，并且解決某些難加工材料的加工問題。同時，隨著切削技術的不斷發展，人們對刀具材料的性能也提出了越來越高的要求。因此，研制高性能刀具材料一直是刀具研究的熱點。

據有關專家預計，在21世紀刀具材料的發展中，刀具的硬度、耐磨性與其強度、韌性間難以兼顧仍是主要矛盾。有可能在21世紀中研制出既具有高速鋼、硬質合金的強度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。在未來，刀具材料將接受工件方面（如新的難加工材料的出現）及制造系統方面（如高速切削等新型加工方式的采用）更新、更嚴峻的挑戰。新品種的出現、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補充的局面，將成為未來刀具材料發展的特點。