1.2 数控刀具材料概述

数控刀具材料是指与数控加工刀具匹配的切削部分的材料。显然，数控刀具材料除满足金属切削的基本要求外，还必须适应数控加工的特定要求。

1.2.1 金属切削加工时刀具材料应具备的基本性能

金属切削加工中，刀具切削部分承受着很大的切削力与冲击力，并伴随着强烈的金属塑性变形与剧烈的摩擦，产生大量的切削热，造成切削区域极高的切削温度与温度梯度。因此，刀具材料应具备以下基本性能。

（1）高的硬度和耐磨性 刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度，其硬度在室温条件下也应在62HRC以上。如高速钢的硬度为63～70HRC，硬质合金的硬度为89～93HRA。

（2）足够的强度和韧性 刀具材料必须要有足够的强度和韧性，以确保其加工过程中不出现破损、崩刃等。

（3）耐热性 指刀具材料高温下保持上述性能的能力，又称为热硬性，是切削刀具特有的性能要求。高温硬度越高，表示耐热性越好，因此在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。一般碳素工具钢的工作温度约为300℃、高速钢约为600℃、硬质合金约为900℃。

（4）导热性 导热性好，则热量容易传导出去，从而降低切削区域的温度，减轻刀具磨损。

（5）良好的加工工艺性 指刀具材料加工制造的难易程度，包括锻造、切削加工、磨削和热处理等性能。

（6）经济性与市场购买性 经济性是选用刀具材料、降低刀具成本的主要依据之一。考虑经济性的同时，还必须考虑其性价比。市场购买性是刀具材料市场采购方便性的评价依据，再好的材料不易购得也是无用的。

1.2.2 数控刀具材料应具备的特定要求

数控加工具有高速、高效和自动化程度高等特点，数控刀具是实现数控加工的关键环节之一。为了满足数控加工技术的需要，保证优质、高效地完成数控加工任务。对于数控加工刀具的材料，除具备金属切削刀具材料的基本要求外，还必须满足数控加工技术的特定需要，它不仅要求刀具耐磨损、寿命长、可靠性好、精度高、刚性好，而且要求刀具尺寸稳定、安装调整方便等。数控加工对刀具提出的特定要求如下：

（1）高可靠性 要求刀具的寿命长、切削性能稳定、质量一致性好、重复精度高。可靠性的提高，可减少换刀次数和时间，提高生产效率。

（2）高的耐热性、抗热冲击性和高温力学性能 适应数控加工高速度、高刚性和大功率发展方向。

（3）高的精度及精度保持 可减少换刀次数，缩短对刀调整时间，提高生产效率。显然专业化生产的机夹可转位不重磨刀具及其刀片具有优势，刀片涂层技术可减少磨损，具有更好的精度保持。

（4）系列化、标准化和通用化 可减少刀具规格，利于数控编程，便于刀具管理、维护、预调和配置等，降低加工成本，提高生产效率。

（5）适合数控刀具机夹可转位不重磨特性 刀具及其材料尽可能专业化生产，广泛采用性价比高的硬质合金刀具材料。

（6）适当采用多功能复合刀具及专用刀具 便于数控加工应用于批量生产，减少装夹次数，提高数控机床效率等，减少刀具数量和库存量，便于刀具管理。

（7）可靠地断屑与卷屑性 专业化生产的硬质合金刀片，其前面等形状可灵活制作，获得优异的断屑与卷屑性，机夹式结构可方便地增设断屑台或断屑器等。

（8）能适应难加工材料和新型材料加工的需要 刀具的专业化生产，使得刀具制造商最大限度地开发市场需求的刀具材料，实际中可见，较多的专业刀具制造商均提供适合高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料加工的新型刀具材料刀具，专业刀具生产商是研发新型刀具材料的主力军。

1.2.3 数控刀具材料的种类、性能与特点

经过多年的发展，目前的数控刀具材料已形成以硬质合金、涂层硬质合金和高速钢为主体，兼顾金属陶瓷、立方氮化硼和金刚石等先进刀具材料的较为完整的刀具材料体系。

1.数控刀具常用材料概述

数控加工中，早期普通加工的碳素工具钢和合金工具钢基本不用，应用最广泛的主要是硬质合金和高速钢。当其不能满足加工要求时，考虑采用超硬刀具材料——陶瓷、聚晶金刚石和立方氮化硼等。天然金刚石由于价格较高，应用并不多。另外，涂层刀具技术已广泛应用于数控刀具。

2.硬质合金刀具材料

硬质合金（Cemented Carbide）是一种粉末冶金工艺制成的合金材料，是由硬度和熔点很高的硬质化合物（碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC和碳化铌NbC等）为硬质相，用金属材料（Co、Mo或Ni等）作粘结相，两相材料研制成粉末，按一定比例混合，压制成形，并在高温高压下烧结而成的一种刀具材料。

硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，可用于制作各种刀具（如车刀、铣刀、钻头、镗刀等），可切削铸铁、碳素钢及合金钢、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材等，还可用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工材料。由于其优越的性能、较高的性价比、良好的市场获取性，已成为数控加工刀具的主要材料，并形成以专业刀具生产厂商研发与生产为主，终端客户直接选用，并且不重磨使用的现代刀具应用模式。

（1）硬质合金的种类

1）按主要化学成分不同，常用的硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳（氮）化钛基硬质合金。碳化钨基硬质合金包括钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和添加稀有碳化物类（YW）三种，其添加的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，其常用的金属粘结相为Co。碳（氮）化钛基硬质合金是以TiC为主要硬质相成分（有些加入了其他碳化物或氮化物），常用的金属粘结相为Mo和Ni。

2）按合金晶粒大小不同，硬质合金还可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金等。

3）按切削用途分类。GB/T 18376.1--2008《硬质合金牌号 第1部分：切削工具用硬质合金牌号》对切削用硬质合金牌号规定按“类别代号+分组号+细分号”规则表示。其中金属切削加工的类别代号主要有K、P、M等，可认为是用途大组；分组号可认为是对类别代号大组的按用途的进一步细分；细分号则是由各生产厂家按需要进一步细分的部分。

表1-1为GB/T 18376.1--2008的类别代号，其中金属切削加工主要有K、P、M三类，相当于国内牌号的YG、YT、YW类。

表1-1 硬质合金类别代号

分组号用01～50之间的数字表示其韧性与耐磨性的不同，一般按公差10递增，如K类硬质合金主要分组号包括K01、K10、K20、K30、K40五组，P类合金包括P01～P50六组，M类合金包括M01～M40五组。必要时可插入公差为5的数字，如K类合金可采用K05、K15、K25、K35分组号。

（2）硬质合金的性能特点 由于硬质合金是以金属Co或Mo、Ni等为粘结相，以金属碳化物（WC、TiC、TaC和NbC等）为硬质相的粉末冶金合金材料，与高速钢相比，总体表现为强度、硬度和耐热性均高，韧性低的特点。具体如下：

1）硬度。硬质合金由于含有大量的硬质点金属碳化物，因此其硬度，特别是热硬性比高速钢要高，硬度越高，则耐磨性越好。硬质合金的硬度可达89～93HRA，远高于高速钢，在540℃时硬度仍可达82～89HRA。硬质合金的硬度与碳化物的性质、数量、粒度和金属粘结相的含量有关，一般随着粘结相金属含量的增多，硬度降低。在粘结相金属含量一定的情况下，由于TiC的硬度高于WC的硬度，因此YT类硬质合金的硬度高于YG类硬质合金。而添加了稀有金属碳化物的YW类硬质合金不仅可提高硬度，且可提高高温硬度。一般加入TaC的硬质合金硬度可提高40～100HV，而加入NbC硬度可提高70～150HV。

2）强度。硬质合金的抗弯强度只相当于高速钢材料抗弯强度的1/3～1/2。硬质合金中Co含量越多，则合金的强度越高。含有TiC的合金比不含TiC的合金强度低，TiC的含量越多，则合金的强度越低。在钨钴钛类硬质合金中，添加TaC可提高抗弯强度。TaC的加入还可显著提高切削刃强度，增加TaC的含量可加强切削刃的抗碎裂和抗破损能力。一般合金中TaC的含量增加，疲劳强度也会增加。另外，硬质合金的抗压强度比高速钢材料高30%～50%。

3）韧性。硬质合金的韧性比高速钢低得多。含TiC合金的韧性比不含TiC的合金低，且TiC的含量增加，则韧性下降。添加适量TaC，在保证合金耐热性和耐磨性的同时，能使合金的韧性提高约10%。由于硬质合金的韧性比高速钢低，因此其不宜在强烈冲击和振动的情况下使用，特别是低速切削时，粘结和崩刃现象更为严重。

4）热物理性能。硬质合金的导热性能优于高速钢，为高速钢的2～3倍。由于TiC的热导率低于WC，因此YT类硬质合金的导热性低于YG类合金，合金中TiC的含量越高，则导热性越低。

5）耐热性。硬质合金的耐热性比高速钢高得多，在800～1000℃时尚能进行切削。同时在高温下有良好的抗塑性变形能力。在硬质合金中添加TiC可提高其高温硬度。TiC的软化温度高于WC，因此YT类合金的硬度随着温度的上升而下降的幅度较YG类合金慢。TiC含量越多，含Co越少，则其下降幅度也越小。由于TaC的软化温度比TiC高，因此，在硬质合金中添加TaC和NbC可提高合金的高温硬度。

6）抗粘结性。硬质合金的粘结温度高于高速钢，因而有较高的抗粘结磨损能力。硬质合金中钴与钢的粘结温度大大低于WC与钢的粘结温度。当合金中钴含量增加时，粘结温度下降。TiC的粘结温度高于WC的，因此YT类合金的粘结温度高于YG类合金（大约高100℃）。用含有TiC的合金刀具切削时，在高温下形成TiO2可以减轻粘结效应。TaC和NbC与钢的粘结温度比TiC高，因此添加TaC和NbC的合金有更高的抗粘结能力。硬质合金成分中，不同碳化物与工件材料的亲和能力不同，TaC与工件材料的亲和能力是WC的几分之一到几十分之一。

7）化学稳定性。硬质合金的耐磨性与其工作温度下合金的物理及化学稳定性有密切的关系。硬质合金的氧化温度高于高速钢的氧化温度。TiC的氧化温度远远高于WC的氧化温度。因此高温下，YT类硬质合金的氧化增量低于YG类硬质合金，且TiC的含量越多，抗氧化能力也越强。TaC的氧化温度也高于WC，合金中含有TaC和NbC时也会提高其抗高温氧化能力。硬质合金中Co的含量增加时，氧化会更容易。

8）合金晶粒度。晶粒度的细化，可提高硬质合金的硬度和耐磨性。

（3）常用硬质合金刀具材料的性能 过去国内厂家硬质合金的牌号主要按化学成分不同分类命名，但随着刀具国际化的需求，国内常见的硬质合金牌号也在逐渐与国外刀具制造商接轨，按用途不同，以类别代号加数字的型式命名。

按化学成分不同的分类主要有以下几类：

1）YG类硬质合金，对应K类硬质合金，主要成分是WC-Co，其中WC为硬质相，Co为粘结相，主要用于加工铸铁类的短切屑的黑色金属，也可加工有色金属和非金属材料，常用的牌号有YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等。这类硬质合金的硬度为89～91.5HRA，抗弯强度为1100～1500MPa。YG类硬质合金的抗弯强度和冲击韧度较好，因此适合加工切屑呈崩碎状（或短切屑）的脆性金属，如铸铁。同时，其磨削加工性好，切削刃可以磨得较锋利，因此也可加工有色金属和非金属等。

2）YT类硬质合金，对应P类硬质合金，主要成分是WC-TiC-Co。该合金的硬质相除WC外，还增加了w（TiC）为5%～30%，主要用于加工长切屑的黑色金属，如塑性较好的各类钢料。常用牌号有YT5、YT14、YT15、YT30等，其w（TiC）分别为5%、14%、15%、30%。这类硬质合金的硬度为89.5～92.5HRA，抗弯强度为900～1400MPa。由于TiC的硬度和熔点比WC高，故YT类硬质合金的强度、耐磨性和耐热性均高于YG类硬质合金，但抗弯强度特别是冲击韧度下降较多，随着合金中TiC含量的提高和Co含量的降低，其强度和耐磨性提高，抗弯强度下降。由于以上因素，在冲击振动较大的切削过程中，容易出现崩刃现象，此时应选择TiC含量较低的合金牌号。

3）YW类硬质合金，对应M类硬质合金，主要成分为WC-TiC-TaC（NbC）-Co，故又称为钨钛钽（铌）钴类硬质合金。添加稀有元素碳化物TaC、NbC后能够有效地提高合金的常温强度、韧性与硬度以及高温强度与硬度，细化晶粒，提高抗扩散与抗氧化磨损的能力，从而提高耐磨性。这些性能的改善，使其兼有YG与YT类硬质合金的性能，综合性能良好，因此有“通用”“万能”硬质合金的称谓。YW类硬质合金既可加工长切屑型的塑性较好的钢料，也可加工短切屑型的脆性铸铁料，并可加工有色金属材料。这类合金若适当增加Co含量，强度可很高，可用于各种难加工材料的粗加工与断续切削。

4）碳（氮）化钛[TiC（N）]基硬质合金，前述三类硬质合金属于碳化钨基硬质合金，其硬质相以WC为主，以Co作粘结相。但地球上W的资源较为紧缺，而Ti的储量相对较多（约为W的1000倍），TiC（N）基硬质合金是以TiC代替WC为硬质相，以Ni、Mo等为粘结相制作的硬质合金，其中WC含量较少，其耐磨性优于WC基硬质合金，介于硬质合金和陶瓷之间。Ni作为粘结相可提高合金的强度，Ni中添加Mo可改善液态金属对TiC的润湿性。由于TiC（N）基硬质合金表现出优越的综合性能，同时又节约碳化钨基硬质合金中的W、Co等贵重稀有金属，因此从一开始就被认为是一种大有发展前途的刀具材料。自问世以来，便被世界各地主要硬质合金厂家所重视并迅速发展。

5）超细晶粒硬质合金。硬质合金晶粒细化后，硬质相尺寸减小，增加了硬质相晶粒表面积、晶粒间的结合力，粘结相更均匀地分布在其周围，可以提高硬质合金的硬度与耐磨性；如果再适当提高Co含量，还可以提高抗弯强度。超细晶粒硬质合金是由晶粒极小的WC粒子和Co粒子构成，是一种高硬度、高强度兼备的硬质合金，使其具有硬质合金的高硬度并兼顾有高速钢的高强度。

晶粒细化的标准不完全统一，一般普通硬质合金晶粒度为3～5µm，细晶粒硬质合金的晶粒度为1.5µm左右，亚微细粒合金为0.5～1µm，而超细晶粒硬质合金WC的晶粒度在0.5µm以下。

（4）硬质合金刀具材料的合理选用 硬质合金牌号众多，且各厂家常常有自己的牌号系列，特别是数控刀具涂层后性能还有较大的改进，因此，直接按化学成分命名的牌号选择硬质合金并不是很方便。近年来，各刀具制造商常常按ISO标准的类别代号（见表1-1中的类别代号）将自己的硬质合金牌号与类别代号对应分类，帮助用户选择，这应该是选择硬质合金刀具材料实用的方法。

GB/T 18376.1--2008根据使用条件规定了类似于ISO标准的硬质合金组别与应用，这对ISO标准牌号的硬质合金选择具有指导意义，具体见表1-2。

表1-2 按使用条件分类的硬质合金组别及应用

（续）

①上述不利条件指材料或铸造、锻造的零件表面不匀，加工时的切削深度不匀，间断切削以及振动等情况。

各刀具制造商基本也是按P、M、K、N、S、H类别代号将自己的刀片材料牌号对应分类推荐给用户选择，具体参见各刀具制造商刀具样本。参考文献[1]列举了部分国内外主流刀具制造商硬质合金牌号与标准类别的对应关系，可参考。

3.高速钢刀具材料

高速钢（High Speed Steel，HSS）是一种加入了较多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，是复杂刃形数控刀具的主要刀具材料之一，国内孔加工刀具、铣刀、螺纹加工刀具等仍广泛采用高速钢刀具材料。国外高速钢刀具的发展趋势是大量采用粉末冶金高速钢以及高速钢刀具涂层技术。

（1）高速钢的种类与特点 按照用途不同，高速钢可分为通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺不同，高速钢可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。另外，按照W、Mo、V等合金元素含量的不同，高速钢又可分为低合金高速钢、普通型高速钢和高性能高速钢等，见表1-3。

表1-3 GB/T 9943—2008标准所列高速钢牌号及硬度

高速钢除具有高的综合力学性能，能满足通用切削刀具的要求外，其制造工艺较简单，易于磨出锋利的切削刃，对机床的专项要求不高，在数控刀具材料中仍然占有重要地位。

通用型高速钢中，由于我国W的含量相对丰富，钨系高速钢（如W18Cr4V）使用量相对较多，而国外则多采用钨钼系高速钢（如W6Mo5Cr4V2），高性能高速钢主要通过增加C、V含量及添加Co、Al元素等改善性能。

（2）常用高速钢的性能

1）低合金高速钢，主要有W3Mo3Cr4VSi、W2MoCr4V、W4Mo3Cr4VSi等。由于其减少了W、Mo、V等较昂贵金属元素而降低了成本，其价格较通用刚型高速钢W6Mo5Cr4V2便宜25%～30%，特别适合制作低、中速切削刀具，如中心钻、丝锥、小直径麻花钻、扩孔钻、铰刀，甚至小直径立铣刀等。

2）通用型高速钢，又称为普通高速钢，约占高速钢总产量的75%～80%。一般可分为钨系与钨钼系高速钢两类。这类高速钢w（C）为0.7%～0.9%。按钢中含W量的不同，可分为钨系高速钢[w（W）高达18%]和钨钼系高速钢[w（W）为6%或8%]。通用型高速钢具有一定的硬度（63～66HRC）和耐磨性、高的强度和韧性、良好的塑性和加工工艺性，广泛用于制造各种复杂刀具。

我国长期使用的通用型高速钢的典型牌号为W18Cr4V（简称W18），具有较好的综合性能，在600℃时的高温硬度为48.5HRC，可用于制造各种复杂刀具。其具有可磨削性好、脱碳敏感性小等优点，但由于碳化物含量较高，分布较不均匀，颗粒较大，强度和韧性不高，特别是热塑性差，不宜做大截面的刀具。目前，W18Cr4V逐渐由钨钼系高速钢取代，特别是国外W元素紧缺的国家，使用量较少甚至不用钨系高速钢。

钨钼系高速钢是指将钨钢中的一部分W用Mo代替所获得的一种高速钢。钨钼钢的典型牌号是W6Mo5Cr4V2（简称M2）。W6Mo5Cr4V2的碳化物颗粒细小均匀，强度、韧性和高温塑性都比W18Cr4V好。其主要缺点是含V量稍多，磨削加工性比W18Cr4V差，脱碳敏感性大，淬火温度范围较窄。另一种钨钼系高速钢为W9Mo3Cr4V（简称W9），其热稳定性略高于W6Mo5Cr4V2，抗弯强度和韧性都比W6Mo5Cr4V2好，具有良好的可加工性能。这种钢易轧、易锻、热处理温度范围较宽、脱碳敏感性小、磨削性能较好。

3）高性能高速钢，指在通用型高速钢成分中再增加一些含碳量、含钒量及添加Co、Al等合金元素，以提高耐热性和耐磨性的新钢种。高性能高速钢制作的刀具与通用型高速钢相比，刀具寿命和切削速度得到提高，从而可提高切削加工生产率。高性能高速钢主要有以下四大类：

①高碳高速钢，如9W18Cr4V（简称9W18）和9W6Mo5Cr4V2（简称CM2），其w（C）比通用型高速钢高0.20%～0.25%，使钢中合金元素全部形成碳化物，从而提高钢的硬度、耐磨性与耐热性，但其强度和韧性略有下降。其常温硬度提高到66～68HRC，600℃时高温硬度提高到51～52HRC。适用于耐磨性要求高的铰刀、锪钻、丝锥以及加工较硬材料（220～250HBW）的刀具，寿命一般可提高50%～80%，也可用于切削不锈钢、奥氏体材料及钛合金。这时，耐磨性比普通高速钢高2～3倍。

②高钒高速钢，如W12Cr4V5Mo和W6Mo5Cr4V3等，其w（V）为3%～5%，由于形成大量高硬度耐磨的VC弥散在钢中，提高了高速钢的耐磨性，且能细化晶粒和降低钢的过热敏感性。这种钢适于加工对刀具磨损严重的材料，如硬橡胶、塑料等。对低速薄切屑精加工刀具，如铰刀、丝锥等也有较长的寿命。其不足之处是磨削加工性差。

③钴高速钢，典型牌号为W2Mo9Cr4VCo8（简称M42），其硬度可达69～70HRC，比W18Cr4V高4～5HRC，600℃时的高温硬度达54～55HRC。这种高速钢的综合性能好，允许切削速度较高，由于含V量不高，因而磨削加工性也好，可刃磨的很锋利而制作精加工刀具。其优越性在高温切削时明显，故适合加工高温合金、钛合金、奥氏体耐热合金及其他难加工材料，刀具寿命可延长4～6倍，加工材料的硬度越高，效果越显著。但由于Co含量很高，而我国Co主要靠进口，价格很高，目前生产与使用不多。

④铝高速钢，是一种含Al不含Co的高性能高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al（简称501），600℃时的高温硬度为54～55HRC，由于不含Co，因而仍保留较高的强度和韧性。501高速钢的综合切削性能与M42相当，在加工30～40HRC的调质钢时，刀具寿命可比通用型高速钢高3～4倍。其主要缺点是加工工艺性稍差，并且过热敏感性大，淬火加热温度范围窄，氧化脱碳倾向大。这种钢立足于我国资源，与钴高速钢相比，成本较低，故已逐渐推广使用。

4）粉末冶金高速钢（Power Metallurgy High Speed Steel，PMHSS），是20世纪70年代发展起来的一种新型高速钢，它是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气或纯氮气使之雾化，经过急冷得到细小均匀的结晶组织（高速钢粉末），再将所得的粉末在高温、高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成所需刀具形状。

与熔炼法制造的高速钢相比，粉末冶金高速钢具有以下优点：

①没有碳化物偏析的缺陷，不论刀具截面尺寸多大，其碳化物晶粒均细小均匀，可达2～3µm（一般熔炼钢为8～20µm），且均匀分布，非常适合制造大尺寸的刀具。

②具有良好的力学性能，在轻度变形条件下，其强度和韧性可比一般高速钢分别提高30%～40%和80%～90%。在化学成分相同的情况下，与熔炼钢相比，其常温硬度可提高1～1.5HRC，热处理后硬度可达60～70HRC，600℃时的高温硬度可达67～70HRC，高温硬度提高尤为显著。由于粉末冶金高速钢碳化物颗粒均匀性分布的表面积较大，且不易从切削刃上剥落，故其耐磨性比熔炼高速钢刀具提高20%～30%。

③由于碳化物细小均匀，其磨削加工性能得到了显著的改善，钢中的含V量越多，改善的程度越显著，并且砂轮消耗少，磨削效率高，磨削表面的表面粗糙度值小。w（V）=5%的粉末冶金高速钢的磨削加工性能与w（V）=2%的熔炼高速钢相当，故粉末冶金高速钢可以适当提高钒的含量，这一特点使得粉末冶金高速钢适合制造形状复杂、磨削加工量较大的刀具及要求刃口精密、细小、锋利的刀具。

④粉末冶金高速钢的成材率大大高于普通熔炼钢，若用高速钢粉末直接压制刀具毛坯，其材料利用率可高达90%以上。

⑤利用粉末冶金方法制造高速钢时，可进一步提高碳化物的比例，从而生产出熔炼法无法生产的高性能高速钢。这种钢的硬度有的可高达70HRC以上，在性能上填补了高速钢与硬质合金之间的空白。

⑥由于粉末冶金方法压制刀坯，能保证材料的物理和力学性能的各向同性，减少热处理变形和应力，降低晶粒长大的趋势。粉末冶金高速钢热处理时的变形只相当于熔炼钢的1/3～1/2，适合制造钻头、拉刀、螺纹刀具、滚刀、插齿刀等复杂刀具。若再配以表面涂层技术（如涂镀TiN、TiCN、TiAlN等），切削速度可以进一步提高。

国外刀具制造商的数控刀具、粉末冶金高速钢的应用较为广泛，其不足之处是制造成本比熔炼钢高。

4.涂层刀具材料

刀具涂层技术又称为刀具表面改性技术，其把刀具材料的表面与基体作为一个统一系统进行设计和改性，赋予刀具材料表面新的复合性能，是提高刀具性能的重要途径之一，在现代制造特别是数控加工刀具中广泛采用。

（1）刀具涂层的概念 刀具涂层是指在韧性较好的刀体（如硬质合金或高速钢）上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，从而使刀具性能大大提高，这种刀具也可称为涂层刀具。刀具涂层可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具寿命、降低加工成本。

刀具涂层的方法主要有化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1000℃左右。高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料（立方氮化硼和金刚石）的刀具均可涂层而成为涂层刀具。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积，沉积温度在500℃左右。刀具表面的涂层可以是单涂层、双涂层和多涂层，也可以是几种涂层材料的复合涂层，涂层的材质可以有不同的性能，其软、硬程度不同。另外，还有纳米涂层刀具等。随着研究的不断深入，新型的涂层材料、涂层工艺、涂层的组合不断出现，新型涂层刀具也在不断出现。

（2）刀具涂层的种类 经过多年的发展，刀具涂层技术呈现多样化和系列化的特点，刀具涂层可从不同角度进行分类。

1）根据涂层材料的性质不同分，刀具涂层可分为硬涂层、超硬涂层和软涂层等类型，并可进行不同组合，如硬/硬组合、硬/软组合、软/软组合、具有润滑性能的软/软组合等。硬质膜为传统概念的单层膜、复合膜、多层膜等，如普遍采用的TiN、TiC、TiAlN等，其显微硬度通常为20～40GPa；润滑膜的显微硬度为10GPa左右，而超硬膜则定义为显微硬度大于40GPa。

2）根据涂层工艺方法不同分，可分为化学气相沉积CVD与物理气相沉积PVD涂层。

3）根据涂层刀具基体材料不同分，有硬质合金基体涂层、高速钢基体涂层、金属陶瓷基体涂层、陶瓷基体涂层等。

4）按涂层结构不同分，有单涂层、多涂层（带中间过渡层）、纳米涂层（纳米结晶、纳米沉厚、纳米结构涂层）、梯度涂层、超硬涂层、硬/软复合涂层等。

5）按涂层的硬质材料成分不同分，有TiC、TiN、TiAlCN、Al2O3、AlCrN、TiCN、AlTiN、TiSiN、CrSiN、TiBN、类金刚石碳涂层（DLC）、非金属化合物超硬涂层（金刚石薄膜涂层、CBN、C3N4、Si3N4、B4C、SiC）等及各种成分的组合多层涂层。

（3）刀具涂层的性能特点 刀具涂层有软、硬之分，硬质涂层是指以追求高的硬度和耐磨性为目标的涂层，其特点是硬度高、耐磨性好。硬质涂层能够较好地满足切削加工过程中高温、大切削力和摩擦磨损严重的需要。软质涂层是针对不适合或不需硬质涂层的加工而设计的，旨在通过刀具表面涂镀一层润滑性能较好的固态物质（主要为硫族化合物）使刀具表面具有较好的润滑功能。刀具涂层的性能如下：

1）TiC是一种高硬度的耐磨化合物，是最早出现的涂层物质，也是目前应用最多的一种涂层材料之一，有良好的抗后面磨损和抗月牙洼磨损能力。同时由于它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜。TiC的硬度比TiN高，抗磨损性能好，对于产生剧烈磨损的材料，用TiC涂层较好。

2）TiN涂层是继TiC涂层以后采用非常广泛的一种涂层，是TiC涂层的激烈竞争者。TiN的硬度稍低，但它与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化能力比TiC好，在容易产生粘结时TiN涂层较好。目前，工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%～70%，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。TiN涂层的抗氧化性较差，使用温度达500℃，涂层就出现明显氧化而被烧蚀。

3）Al2O3涂层具有良好的热稳定性和化学稳定性以及高的抗氧化性，因此，在高温场合下，以Al2O3涂层为好。Al2O3涂层在高温下能保持良好的化学稳定性和热稳定性，但由于Al2O3与基体材料的物理和化学性能相差太大，单一Al2O3涂层无法制成理想的涂层刀具。

4）TiCN和TiAlN属复合化合涂层材料，它们的出现使涂层刀具的性能上了一个台阶。TiCN是在单一的TiC中，氮原子占据原来碳原子在点阵中的位置而形成的复合化合物，具有TiC和TiN的综合性能，其硬度（特别是高温硬度）高于TiC和TiN，将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高刀具寿命。因此，TiCN是一种较为理想的刀具涂层材料。TiAlN是TiN和Al2O3的复合化合物，其既具有TiN的硬度和耐磨性，同时在切削过程中氧化生成Al2O3，形成一层硬质惰性保护膜，起到抗氧化和耐扩散磨损的作用。加工高速钢、不锈钢、钛合金、镍合金时比TiN涂层刀具寿命提高3～4倍，高速切削时，切削效果明显优于TiN和TiC涂层刀具。TiAlN涂层刀具特别适合加工耐磨材料，如灰铸铁、硅铝合金等。

5.其他先进刀具材料简介

这里介绍的先进刀具材料的性能均高于前述的硬质合金和高速钢，因此，主要用于前述材料性能不能满足要求时的选择。

（1）陶瓷刀具材料 具有硬度高、耐磨性好、耐热性和化学稳定性优良等特点。

陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点很高的Al2O3、Si3N4等氧化物、氮化物，再加入少量的碳化物、氧化物或金属等添加剂，经制粉、压制、烧结而成。

陶瓷刀具材料具有以下性能特点：

1）硬度高、耐磨性好。陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD（金刚石）和PCBN（聚晶立方氮化硼）高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到93～95HRA。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2～10倍，而且刀具寿命长，可减少换刀次数，从而大大提高了切削加工的生产效率。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现“以车代磨”。陶瓷刀具适合高速切削和硬切削。

2）耐高温、耐热性好。陶瓷刀具在1200℃以上的高温下仍能进行切削。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能，在800℃时的硬度为87HRA，在1200℃时的硬度仍达到80HRA。随着温度的升高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。Al2O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于炽热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削，从而可省去切削液。

3）化学稳定性好。陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘结磨损。

4）摩擦系数小。陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数小，可减小切削力和切削温度。这不仅减少刀具磨损，提高刀具寿命，而且可减小已加工表面的表面粗糙度值，因此在高速精车和精密铣削时，可获得以车、铣代磨的效果。

5）原料丰富。硬质合金中所含的W和Co等资源缺乏，价格高昂，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丰富的元素，对发展陶瓷刀具材料十分有利。因此，开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义。

6）强度和韧性低、热导率低。陶瓷刀具材料属典型的脆性材料，抗弯强度和冲击韧度低，热导率仅为硬质合金的1/5～1/2，而线膨胀系数却比硬质合金高10%～30%，热冲击性差。当温度发生明显变化时，容易产生裂变，导致刀片破损。

陶瓷刀具的导热性较差，通常进行干切削或使用润滑剂进行切削，以减少前面与工件的摩擦，只有在加工某些难加工材料时，加入一定的切削液，提高刀具寿命。使用切削液时，必须在刀具接触工件前对切削区域浇注切削液，直到刀具完全切削完毕为止，同时切削液必须大量连续供应，流量不得少于4～6L/min，否则切削温度的变化，会加剧陶瓷刀具的崩刃甚至破损。

（2）立方氮化硼刀具材料 立方氮化硼（Cubic Boron Nitride，CBN）是氮化硼（BN）的同素异构体之一，其晶体结构类似金刚石，硬度略低于金刚石，但远高于其他刀具材料，其与金刚石统称为超硬刀具材料，常用作磨料和刀具材料。

到目前为止，立方氮化硼主要是通过人工合成的方法获得，有单晶体（CBN）与多晶体（聚晶立方氮化硼，简称PCBN）之分。

单晶体立方氮化硼是以立方氮化硼为原料，加触媒在4～8GPa高压、1400～1800℃高温条件下转化而成。由于受CBN制造技术的限制，目前制造直接用于切削刀具的大颗粒单晶体仍存在困难，成本很高，加之单晶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单晶主要用于制作磨料和磨具。目前，工业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是在高温高压条件下，将微细的CBN材料通过粘结剂（Al、Ti、TiC、TiN等）烧结而成的一种多晶材料。PCBN克服了CBN单晶体易解理和各向异性等缺点，非常适合制作刀具等工具。

立方氮化硼的主要性能特点如下：

1）高的硬度和耐磨性。CBN微粉的显微硬度为8000～9000HV，其PCBN烧结体的硬度达到3000～5000HV。在切削耐磨材料时，其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，为涂层硬质合金刀具的30倍，为陶瓷刀具的25倍。

2）具有很高的热稳定性。CBN的耐热性可达1400～1500℃以上，比金刚石的耐热性（700～800℃）几乎高1倍。CBN在1370℃时才开始由立方晶体变为六方晶体而开始软化。PCBN在800℃时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。因此，PCBN刀具可用比硬质合金刀具高3～5倍的速度高速切削高温合金和淬硬钢。

3）优良的化学稳定性。CBN的化学惰性大，在1000℃以下不发生氧化反应。同时与铁系材料到1200～1300℃时也不易起化学作用，在还原性的气体介质中，对酸和碱都是稳定的。因此，PCBN刀具适合切削淬火钢零件和冷硬铸铁，可广泛应用于铸铁的高速切削。

4）具有较好的导热性。CBN的热导率比金刚石低（约为金刚石的1/2），但远远高于高速钢、硬质合金等材料。在各类刀具材料中，PCBN的导热性仅次于金刚石。随着温度的升高，CBN和PCBN的热导率是增加的。PCBN刀具热导率高可使刀尖处温度降低，减小刀具的磨损，有利于加工精度的提高。在同样的切削条件下，PCBN刀具的切削温度要低于硬质合金刀具。

5）具有较小的摩擦系数。CBN与不同材料间的摩擦系数约为0.1～0.3，比硬质合金的摩擦系数（0.4～0.6）小得多。随着切削速度的提高，摩擦系数减小。低的摩擦系数能使切削力减小、切削温度降低、加工表面质量提高。

（3）金刚石刀具材料 金刚石是碳的同素异构体之一，是迄今为止自然界发现的最硬的一种材料。天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，但由于资源的稀缺性，限制了其推广应用。自从出现了人工合成的金刚石，其在切削加工中才被人们广泛关注，并发展出了聚晶金刚石和涂层金刚石等刀具产品，并在金属与非金属加工中得以较为广泛的应用。近年来，随着数控机床的普遍应用和数控加工技术的迅速发展，可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具的应用日渐普及，金刚石刀具已成为现代数控加工中不可缺少的重要工具之一。金刚石刀具的种类如图1-1所示。

图1-1 金刚石刀具的种类

金刚石刀具材料的性能特点如下：

1）极高的硬度和耐磨性。天然金刚石的显微硬度达10000HV，金刚石具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80～120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60～80倍。加工高硬度材料时，金刚石刀具的寿命为硬质合金刀具的10～100倍，甚至高达几百倍。

2）各向异性的问题。单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向，对金刚石原料必须进行晶体定向。金刚石刀具的前、后面的选择是设计单晶金刚石刀具的一个重要问题。聚晶金刚石刀具材料可克服单晶金刚石的各向异性缺陷。

3）摩擦系数。金刚石刀具具有很小的摩擦系数。金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都小，约为硬质合金刀具的一半。通常在0.1～0.3之间。如金刚石与黄铜、铝和纯铜之间的摩擦系数分别为0.1、0.3和0.25。对于同一种加工材料，天然金刚石刀具的摩擦系数低于人造金刚石刀具。摩擦系数小，则切削加工变形小，可减小切削力。

4）切削刃非常锋利，加工表面粗糙度值很小。金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，切削刃钝圆半径rε一般可达0.1～0.5µm。天然单晶金刚石刀具可高达0.002～0.008µm。因此，天然金刚石刀具能进行超薄切削和超精密加工。加工表面的表面粗糙度值可达Ra0.1～0.3µm，高的可达Ra0.001µm

5）优异的导热性。金刚石具有很高的导热性。金刚石的热导率为硬质合金的1.5～9倍，为铜的2～6倍。由于热导率及热扩散率高，切削热容易散出，刀具切削区域温度低。

6）较低的热膨胀系数和较大的弹性模量。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小，约为高速钢的1/10。因此金刚石刀具不会产生很大的热变形，即由切削热引起的刀具尺寸的变化很小，同时较大的弹性模量使切削刃不易变形，这对尺寸精度要求很高的精密和超精密加工来说尤为重要。