刀具材料的種類、性能、特點、應用

1．金剛石刀具材料

金剛石是碳的同素異構體，它是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性和高導熱性能，在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應用。尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中，金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具品種?？蓪崿F(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的金剛石刀具是現(xiàn)代數(shù)控加工中不可缺少的重要工具。

⑴ 金剛石刀具的種類

① 天然金剛石刀具：天然金剛石作為切削刀具已有上百年的歷史了，天然單晶金剛石刀具經(jīng)過精細研磨，刃口能磨得極其鋒利，刃口半徑可達0.002μm，能實現(xiàn)超薄切削，可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度，是公認的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

② PCD金剛石刀具：天然金剛石價格昂貴，金剛石廣泛應用于切削加工的還是聚晶金剛石(PCD)，自20世紀70年代初，采用高溫高壓合成技術制備的聚晶金剛石(Polycrystauine diamond，簡稱PCD刀片研制成功以后，在很多場合下天然金剛石刀具已經(jīng)被人造聚晶金剛石所代替。PCD原料來源豐富，其價格只有天然金剛石的幾十分之一至十幾分之一。PCD刀具無法磨出極其鋒利的刃口，加工的工件表面質量也不如天然金剛石，現(xiàn)在工業(yè)中還不能方便地制造帶有斷屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金屬和非金屬的精切，很難達到超精密鏡面切削。

③ CVD金剛石刀具：自從20世紀70年代末至80年代初，CVD金剛石技術在日本出現(xiàn)。CVD金剛石是指用化學氣相沉積法(CVD)在異質基體(如硬質合金、陶瓷等)上合成金剛石膜，CVD金剛石具有與天然金剛石完全相同的結構和特性。CVD金剛石的性能與天然金剛石相比十分接近，兼有天然單晶金剛石和聚晶金剛石(PCD)的優(yōu)點，在一定程度上又克服了它們的不足。

⑵ 金剛石刀具的性能特點

① 極高的硬度和耐磨性：天然金剛石是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的物質。金剛石具有極高的耐磨性，加工高硬度材料時，金剛石刀具的壽命為硬質合金刀具的lO～100倍，甚至高達幾百倍。

② 具有很低的摩擦系數(shù)：金剛石與一些有色金屬之間的摩擦系數(shù)比其他刀具都低，摩擦系數(shù)低，加工時變形小，可減小切削力。

③ 切削刃非常鋒利：金剛石刀具的切削刃可以磨得非常鋒利，天然單晶金剛石刀具可高達0.002～0.008μm，能進行超薄切削和超精密加工。

④ 具有很高的導熱性能：金剛石的導熱系數(shù)及熱擴散率高，切削熱容易散出，刀具切削部分溫度低。

⑤ 具有較低的熱膨脹系數(shù)：金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質合金小幾倍，由切削熱引起的刀具尺寸的變化很小，這對尺寸精度要求很高的精密和超精密加工來說尤為重要。

⑶ 金剛石刀具的應用

金剛石刀具多用于在高速下對有色金屬及非金屬材料進行精細切削及鏜孔。適合加工各種耐磨非金屬，如玻璃鋼粉末冶金毛坯，陶瓷材料等；各種耐磨有色金屬，如各種硅鋁合金；各種有色金屬光整加工。

金剛石刀具的不足之處是熱穩(wěn)定性較差，切削溫度超過700℃～800℃時，就會完全失去其硬度；此外，它不適于切削黑色金屬，因為金剛石(碳)在高溫下容易與鐵原子作用，使碳原子轉化為石墨結構，刀具極易損壞。

2．立方氮化硼刀具材料

用與金剛石制造方法相似的方法合成的第二種超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和熱導率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至10000C也不發(fā)生氧化。CBN對于黑色金屬具有極為穩(wěn)定的化學性能，可以廣泛用于鋼鐵制品的加工。

⑴ 立方氮化硼刀具的種類

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物質，有單晶體和多晶體之分，即CBN單晶和聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic bornnitride，簡稱PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素異構體之一，結構與金剛石相似。

PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高溫高壓下將微細的CBN材料通過結合相(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結在一起的多晶材料，是目前利用人工合成的硬度僅次于金剛石的刀具材料，它與金剛石統(tǒng)稱為超硬刀具材料。PCBN主要用于制作刀具或其他工具。

PCBN刀具可分為整體PCBN刀片和與硬質合金復合燒結的PCBN復合刀片。

PCBN復合刀片是在強度和韌性較好的硬質合金上燒結一層O.5～1.0mm厚的PCBN而成的，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性，它解決了CBN刀片抗彎強度低和焊接困難等問題。

⑵ 立方氮化硼的主要性能、特點

立方氮化硼的硬度雖略次于金剛石，但卻遠遠高于其他高硬度材料。CBN的突出優(yōu)點是熱穩(wěn)定性比金剛石高得多，可達1200℃以上(金剛石為700～800℃)，另一個突出優(yōu)點是化學惰性大，與鐵元素在1200～1300℃下也不起化學反應。立方氮化硼的主要性能特點如下。

① 高的硬度和耐磨性：CBN晶體結構與金剛石相似，具有與金剛石相近的硬度和強度。PCBN特別適合于加工從前只能磨削的高硬度材料，能獲得較好的工件表面質量。

② 具有很高的熱穩(wěn)定性：CBN的耐熱性可達1400～1500℃，比金剛石的耐熱性(700～800℃)幾乎高l倍。PCBN刀具可用比硬質合金刀具高3～5倍的速度高速切削高溫合金和淬硬鋼。

③ 優(yōu)良的化學穩(wěn)定性：與鐵系材料到1200—1300℃時也不起化學作用，不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質合金的硬度；PCBN刀具適合于切削淬火鋼零件和冷硬鑄鐵，可廣泛應用于鑄鐵的高速切削。

④ 具有較好的熱導性：CBN的熱導性雖然趕不上金剛石，但是在各類刀具材料中PCBN的熱導性僅次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質合金。

⑤ 具有較低的摩擦系數(shù)：低的摩擦系數(shù)可導致切削時切削力減小，切削溫度降低，加工表面質量提高。

⑶ 立方氮化硼刀具應用

立方氮化硼適于用來精加工各種淬火鋼、硬鑄鐵、高溫合金、硬質合金、表面噴涂材料等難切削材料。加工精度可達IT5(孔為IT6)，表面粗糙度值可小至Ra1.25～0.20μm。

立方氮化硼刀具材料韌性和抗彎強度較差。因此，立方氮化硼車刀不宜用于低速、沖擊載荷大的粗加工；同時不適合切削塑性大的材料(如鋁合金、銅合金、鎳基合金、塑性大的鋼等)，因為切削這些金屬時會產(chǎn)生嚴重的積屑瘤，而使加工表面惡化。

3．陶瓷刀具材料

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能好、耐熱性和化學穩(wěn)定性優(yōu)良等特點，且不易與金屬產(chǎn)生粘接。陶瓷刀具在數(shù)控加工中占有十分重要的地位，陶瓷刀具已成為高速切削及難加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具廣泛應用于高速切削、干切削、硬切削以及難加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工傳統(tǒng)刀具根本不能加工的高硬材料，實現(xiàn)“以車代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質合金刀具高2～lO倍，從而大大提高了切削加工生產(chǎn)效率；陶瓷刀具材料使用的主要原料是地殼中最豐富的元素，因此，陶瓷刀具的推廣應用對提高生產(chǎn)率、降低加工成本、節(jié)省戰(zhàn)略性貴重金屬具有十分重要的意義，也將極大促進切削技術的進步。

⑴ 陶瓷刀具材料的種類

陶瓷刀具材料種類一般可分為氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、復合氮化硅一氧化鋁基陶瓷三大類。其中以氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具材料應用最為廣泛。氮化硅基陶瓷的性能更優(yōu)越于氧化鋁基陶瓷。

⑵ 陶瓷刀具的性能、特點

① 硬度高、耐磨性能好：陶瓷刀具的硬度雖然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬質合金和高速鋼刀具，達到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難以加工的高硬材料，適合于高速切削和硬切削。

② 耐高溫、耐熱性好：陶瓷刀具在1200℃以上的高溫下仍能進行切削。陶瓷刀具具有很好的高溫力學性能， A12O3陶瓷刀具的抗氧化性能特別好，切削刃即使處于赤熱狀態(tài)，也能連續(xù)使用。因此，陶瓷刀具可以實現(xiàn)干切削，從而可省去切削液。

③ 化學穩(wěn)定性好：陶瓷刀具不易與金屬產(chǎn)生粘接，且耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好，可減小刀具的粘接磨損。

④ 摩擦系數(shù)低：陶瓷刀具與金屬的親合力小，摩擦系數(shù)低，可降低切削力和切削溫度。

⑶ 陶瓷刀具有應用

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具適用于切削加工各種鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵、冷硬鑄鐵、高合金耐磨鑄鐵)和鋼材(碳素結構鋼、合金結構鋼、高強度鋼、高錳鋼、淬火鋼等)，也可用來切削銅合金、石墨、工程塑料和復合材料。

陶瓷刀具材料性能上存在著抗彎強度低、沖擊韌性差問題，不適于在低速、沖擊負荷下切削。

4．涂層刀具材料

對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了重大突破。涂層刀具是在韌性較好刀體上，涂覆一層或多層耐磨性好的難熔化合物，它將刀具基體與硬質涂層相結合，從而使刀具性能大大提高。涂層刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。

新型數(shù)控機床所用切削刀具中有80％左右使用涂層刀具。涂層刀具將是今后數(shù)控加工領域中最重要的刀具品種。

⑴ 涂層刀具的種類

根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具。涂層硬質合金刀具一般采用化學氣相沉積法，沉積溫度在1000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度在500℃左右；

根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。

根據(jù)涂層材料的性質，涂層刀具又可分為兩大類，即“硬”涂層刀具和 ‘軟”涂層刀具?！坝病蓖繉拥毒咦非蟮闹饕繕耸歉叩挠捕群湍湍バ裕渲饕獌?yōu)點是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC和TiN涂層?！败洝蓖繉拥毒咦非蟮哪繕耸堑湍Σ料禂?shù)，也稱為自潤滑刀具，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.1左右，可減小粘接，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度。

最近開發(fā)了納米涂層 (Nanoeoating)刀具。這種涂層刀具可采用多種涂層材料的不同組合 (如金屬／金屬、金屬／陶瓷、陶瓷／陶瓷等)，以滿足不同的功能和性能要求。設計合理的納米涂層可使刀具材料具有優(yōu)異的減摩抗磨功能和自潤滑性能，適合于高速干切削。

⑵ 涂層刀具的特點

① 力學和切削性能好：涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能結合起來，既保持了基體良好的韌性和較高的強度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。因此，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具可提高2倍以上，并允許有較高的進給量。涂層刀具的壽命也得到提高。

② 通用性強：涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用。

③ 涂層厚度：隨涂層厚度的增加刀具壽命也會增加，但當涂層厚度達到飽和，刀具壽命不再明顯增加。涂層太厚時，易引起剝離；涂層太薄時，則耐磨性能差。

④ 重磨性：涂層刀片重磨性差、涂層設備復雜、工藝要求高、涂層時間長。

⑤ 涂層材料：不同涂層材料的刀具，切削性能不一樣。如：低速切削時，TiC涂層占有優(yōu)勢；高速切削時，TiN 較合適。