金属切削刀具材料

关于金属切削刀具材料

随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种新型金属材料和非金属材料的应用日益广泛，面对如此品种繁多的工件材料，如何正确选择刀具材料来进行切削加工，以提高生产效率、降低成本和减少资源消耗，这是一个十分重要的问题。不同的刀具材料或同种刀具加工不同的工件材料时刀具寿命往往会存在很大差别，所谓“万能刀具”是不存在的。“工欲善其事，必先利其器”这一句中国名言已成为国内外的共识。因此，学习金属切削原理，掌握各种刀具材料的不同特性，按具体情况解决好刀具材料与加工对象之间的“合理匹配”问题，优选切削用量，从而提高应用水平。第2页,共39页，2024年2月25日，星期天3目前，中国的机械工业呈现出快速增长的势头，但生产效率低下导致投入与产出相比效益不高，或者说得到回報的比例远远低于国外，在国际上的竞争力并不强。要想从“制造大国”走向“制造强国”，制造效率和生产管理水平必需加快提升；要做到这一点首要任务是提升企业和职工的管理、技术素质。从提高机械加工效率方面考量，普遍提高一线技术工人的刀具应用技术水平是至关重要的，也是企业增收节支、降本增效的有效办法。为了配合企业的技术培训工作，我们以简明的图、表及少量文字叙述编写有关机械加工专项技术培训资料，力求达到易学、实用、速成的效果。第3页,共39页，2024年2月25日，星期天《金属切削原理与刀具》

刀具材料集团职业技能提升讲座明仁高级技师主讲第4页,共39页，2024年2月25日，星期天5第5页,共39页，2024年2月25日，星期天6一、概述

刀具材料是指刀具上参与切削部分的材料。刀具的切削部分不但要求具有一定的几何形状，还要求有相应的刀具材料。目前广泛应用的刀具材料有高速钢和普通硬质合金、涂层硬质合金。第6页,共39页，2024年2月25日，星期天

（一）高的硬度和良好的耐磨性（二）高的强度和韧性（三）高的耐热性（四）较好的抗粘结性

(五）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。

二、刀具材料应具备的性能第7页,共39页，2024年2月25日，星期天8

三、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、涂层刀具等。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、常用牌号有T7A、T8A……T13A等

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。

第8页,共39页，2024年2月25日，星期天9第9页,共39页，2024年2月25日，星期天10二）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、主要牌号有9SiCrCrWMn2、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、常用刀具材料第10页,共39页，2024年2月25日，星期天11

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。

(一)高速钢的性能

三、常用刀具材料第11页,共39页，2024年2月25日，星期天12

（二）高速钢的分类三、常用刀具材料第12页,共39页，2024年2月25日，星期天2005-4-2213

四）硬质合金

硬质合金=硬质相（TiC或WC）+

粘结相（Co、Ni、Mo等，其中Co比较常用）（一）主要性能三、常用刀具材料第13页,共39页，2024年2月25日，星期天14

（二）分类1、钨钴类硬质合金YG：

WC+Co①常用牌号：YG3、YG6、YG8（3、6、8、代表Co含量占3%、6%、8%）②应用：

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。三、常用刀具材料第14页,共39页，2024年2月25日，星期天15

2、钨钴钛类硬质合金（YT）：硬质相（WC+TiC）+粘结相（Co）①常用牌号：YT5、YT14、YT15、YT30（数字表示TiC的百分含量）②应用：

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。三、常用刀具材料第15页,共39页，2024年2月25日，星期天163、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、常用刀具材料第16页,共39页，2024年2月25日，星期天17

（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。三、常用刀具材料第17页,共39页，2024年2月25日，星期天18第18页,共39页，2024年2月25日，星期天19

（一）陶瓷材料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。陶瓷刀具和传统硬质合金刀具相比，具有以下优点：四、其他刀具材料1.硬度高，可加工硬度高达HRC45以上的难加工材料。2.与被加工工件材料的亲和力低，不易产生积屑瘤。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。陶瓷材料的优点第19页,共39页，2024年2月25日，星期天20（二）立方氮化硼

它是一种人工合成的新型刀具材料。它是立方氮化硼在高温、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。第20页,共39页，2024年2月25日，星期天21（三）金刚石

分为人造和天然两种，是目前已知最硬的材料，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。主要用作有色金属加工、磨具、磨料，有时用于修整砂轮。第21页,共39页，2024年2月25日，星期天22五难加工材料的切削加工高强度、超高强度、高锰钢、淬硬钢冷硬铸铁、喷涂材料、不锈钢，高温合金、钛合金、高熔点材料、非金属复合材料（工程陶瓷、石英与宝石碳纤维材料）归类①高硬度；②高强度；③高塑性和高韧性；④低塑性和高脆性；⑤低导热性；⑥有微观的硬质或硬夹杂物；⑦化学性能过于活泼。加工特性

工件材料的这些特性常使切削工程中的切削力加大，切削温度升高，刀具耐用度降低，有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制，最终将导致加工效率和加工质量下降。第22页,共39页，2024年2月25日，星期天23一、难加工材料的切削加工性，应采用以下有效措施：①合理选用刀具材料;②合理选择刀具结构和切削参数；③选择最佳的切削用量；④改进加工方法及加工条件；⑤选择恰当的切削液等，对改善加工的难易程度起着重要作用。第23页,共39页，2024年2月25日，星期天24二、难加工材料的切削加工的应用：高强度、超高强度钢的切削加工

1.1特性：

与普通碳素结构钢相比，它们的硬度、强度较高（约比45#钢高出了一倍或一倍以上），冲击值较大，导热系数偏低，故切削力较大，切削温度较高。1.2刀具材料的选用：

①与加工普通碳素钢相同的刀具材料（即YT类硬质合金）：YT15

②最好是选用在WC-TiC-CO合金基础上添加TaC碳化钛或NbC碳化铌牌号合金（即YW、YM类）：YW1、YW3在连续切削粗加工或半精加工30CrMnSiA和35CrMnSiA时，选用TW3合金其效果比YT15合金可提高效率15~20%，刀具耐用度提高2-3倍。在工艺系统刚性允许的情况下，前角和主偏角应较小，刀尖圆弧半径较大，必须采用低于加工中碳正火钢的切削用量，尤其是切削速度。第24页,共39页，2024年2月25日，星期天25

③可选用TIC或TICN类金属陶瓷硬质合金；

北京理工大学做30CRMNSIA和35CRMNSIA（HRC47）高强度钢切削试验，曾收集多种牌号合金刀片试切均不理想，只有YN05合金刀片在切削速度V=150M/MIN，F=,0.2MM/R,AP=0.5MM的条件下切削137分钟，后刀面磨损仅0.17MM，被认为是目前切削高强度钢最理想的刀具材料。

④选用涂层硬质合金刀片牌号。YBC152、YB6315第25页,共39页，2024年2月25日，星期天262、不锈钢的切削加工

2.1特性：不锈钢加入Cr、Mo、Ti等元素，使其耐磨蚀性能在较高温度下有较高强度不锈钢难切削的原因：1）加工硬化倾向大，高温强度高。与一般钢材相比，不锈钢的强度、硬度并不高，甚至还低些。但由于含有大量Cr、Ni、Mo等元素，塑料与韧性好，高温强度高，加工硬化倾向大，因此切削负荷重。此外，奥氏体不锈钢在切削过程中，内部还会析出一些碳化物，加强了对刀具的擦伤作用。2）导热系数低。一般约为中碳钢的导热系数的1/2~1/4，切削温度高，刀具磨损快。3）切屑与刀具粘结现象严重。切削过程中容易生成积屑瘤，既影响加工表面光洁度，又容易造成刀具表面剥落。4）切屑不易卷曲、折断。对封闭及半封闭容屑的刀具，容易造成切屑堵塞现象，使加工表面光洁度下降及刀具崩刃。

5）线膨胀系数大。约为碳素钢线胀系数的一倍半，在切削温度的作用下，工件容易热变形而影响加工尺寸精度。第26页,共39页，2024年2月25日，星期天27

2.2刀具材料的选择：①选择高性能非涂层硬质合金。根据被加工材料难度特性，宜选择ISO标准K40—K10和M40—M10合金刀片，其K类合金成分是WC-Co加入TaC（NbC），M类合金成分是WC-TiC-Co-TaC。这两类合金的特点是，K40和M40具有很高抗弯强度，韧性抗冲击性好，适于不利条件下的粗加工作业，不易打刀和崩刀。而K10和M10合金又具有较高的常温硬度及高温硬度，抗粘结、抗氧化性强，耐磨损，适于半精加工及精加工，不易与同族金属材料相互扩散，亲和力小，不仅能延长刀具寿命，且能保证被加工工件表面质量。推荐牌号见表。生产厂家K类合金牌号P/M类合金株洲钻石YG8、

YG8N、

YG6AYD05、

YS8、

YD15YS2T、YW1、

YW2、

YW3自贡厂YG813、YG610YT726选用非涂层硬质合金牌号第27页,共39页，2024年2月25日，星期天28②选择涂层合金刀片。涂层合金刀片使用范围广，即有加工各种材料的通用性，同时又具有专用性强的特点。为此，国内外主要硬质合金厂（家）都推出一些切削不锈钢专用牌号，如用于粗加工瑞典山特维克推出GC235，GC2145；美国肯纳推出KC9245；日本三菱推出US735；中国株钻推出YBM351，YB235等。在半精加工及精加工作业应用，有山特维克推出GC2025，GC2015；中国株钻推出YBM251，YBM151是优先适用于切削不锈钢的刀片材料。所以涂层合金刀片材料从粗加工到半精加工及精加工得到匹配使用。

涂层硬质合金刀具，如整体硬质合金立铣刀主要凃覆TiAlN，AlTiN和TiCN化学成分。用于切削不锈钢在刀具结构上最好是采用奇数齿，不等齿距，不等螺旋角参数，其效果更佳。

③立方氮化硼的应用。PCBN刀具是一种高效、高耐用度、低粗糙度的先进刀具，但价格比较高，应合理使用。2.3切削用量的选择：

①切削速度不宜过高，一般在40~80米/分；

②给进量不宜过大，以免切削负荷过重，但也不要太小，以免切削刃在上次走刀所形成的冷硬层内工作，一般车奥氏体不锈钢，f不应小于（0.12~0.18）毫米/转，车削马氏体或铁素体不锈钢，f不应小于（0.07~0.18）毫米/转；③切削深度尽可能大些，以避开毛坯的外皮或前道工序留下的加工硬化层。第28页,共39页，2024年2月25日，星期天292.4切削加工不锈钢的应用第29页,共39页，2024年2月25日，星期天303.高锰钢的切削加工高锰钢的典型牌号有Mn13、40Mn18G3、50Mn18G等3.1特性：

塑性大，韧性高，加工硬化的倾向特别大，在加工前硬度一般约为HB220，加工后表面硬度可达HB500~550；其次，高锰钢的导热系数低，约为0.031卡/厘米·秒·℃，比1Cr18Ni9Ti不锈钢更低；切削力大，线膨胀系数也较大，切削温度高，工件热变形大，断屑困难，刀具极易崩刃、磨损。因此，必须从刀具材料、刀具几何参数及切削用量三要素方面合理选择才能实现较顺利地切削加工。

3.2刀具材料的选择：

①高锰钢的粗加工工序，一般牌号的硬质合金和陶瓷刀具，由于抗弯强度，冲击韧性差是不适合的。必须选择最高抗弯强度、抗氧化、导热性能好兼顾较好耐磨性硬质合金。

应选择ISO标准P30～P50的YC35、YC40、YT5R、YC45和YT535硬质合金；半精加工时选用超细晶粒的YS8和加入TaC的YW3牌号合金有较好的抗磨损性。若用Al2O3陶瓷刀片进行高速精加工效果会很好。

②铣削时选用在WC-TiC-CO基础上加入TaC的合金,其牌号有YS30、YS25、YC30S/YC798和YM20，相当于ISO的P25～P30和M20类的合金。

③刨削时，由于切削速度低，冲击力较大，宜选用K类抗弯强度高的亚微细晶粒并加入TaC的YD15合金较合适。第30页,共39页，2024年2月25日，星期天31第31页,共39页，2024年2月25日，星期天324.淬硬钢和冷硬铸铁的切削加工4.1特性：

淬硬钢的组织为回火马氏体，硬度可达HRC60以上。塑性和导热系数均极低。冷硬铸铁的特点是铸铁表面经激冷而发生“白口”（组织为渗碳体加珠光体），特别高镍铬合金铸铁，其硬度最高可达到HRC68，工件表面夹砂气孔现象较多，更增加了切削加工的难度。4.2刀具材料的选择：切削淬硬钢，其硬度在HRC55以下的，可选用YT05、YC12和YT726，硬度在HRC58以上，宜选用YS8、YD05、YG600合金，以及氮化硅陶瓷，PCBN刀具。切削冷硬铸铁，可采用YS10、YS8、YD15、YG643合金，以及氮化硅陶瓷，PCBN刀具。从技术经济效果分析，立方氮化硼切削效果最佳，刀具寿命和切削效率比硬质合金可提高5~10倍，但价格较贵，应有针对性选择。第32页,共39页，2024年2月25日，星期天334.3切削淬硬钢、冷硬铸铁刀具几何参数

切削硬材料应选用较小的主偏角及前角，增大刀尖圆弧半径，并辅以适当的负刃倾角。并根据被加工件硬度及表面状况来决定参数，硬度高，表面状况不佳（除主偏角），其它几何角度宜取大的参数值，反之，宜取小的参数值。

被加工材料前角（γ0）主偏角（Kr）副主偏角（K'r）后角（αo）刃倾角（λs）刀尖角（rε）淬硬钢-10°～-5°10°～45°10°～

15°6°～12°0°～-5°（断续）-10°～20°≥1.0冷硬铸铁-10°～-5°10°～

45°10°～

15°4°～

6°0°～

-5°（断续）

-10°～20°≥1.0第33页,共39页，2024年2月25日，星期天344.4切削用量选择

用硬质合金刀具切削淬硬钢和冷硬铸铁较佳的切削用量推荐见表，其中切削冷硬铸铁宜采用低速，大进给量，效果显著。切削用量冷硬铸铁淬

硬

钢半精车精车切削深度αp（毫米）3~60.5~1.00.2~0.3给进量f（毫米/转）1.5~3.00.2~0.30.05~0.1切削速度V（米/分）5~7（HRC55以下）30~40≥30切削用量推荐参值第34页,共39页，2024年2月25日，星期天354.5切削淬硬钢实例

我国从1979年开始就常用硬质合金刀具切削淬硬钢HRC40～50左右，后来合金材料不断发展，淬火硬度HRC60以上也能切削，1979年甘肃省刀具队应邀参加技术交流会，在兰石厂表演车削淬火轴套HRC46（118.03.30.03），原来在外圆磨床上磨削一件需40～45分钟，改车削时仅2分多钟就加工一件，提高效率20多倍。当时原全国总工会付主席王崇仑观看表演时说“这刀不错”，询问哪个厂生产的，并要求送几粒刀片，有机会做推广试验。1983年中国刀协组织赴新疆技术攻关交流，巧遇新疆联合收割机厂制造六套模具淬火硬度HRC63°，其外径Φ800×110mm大了5mm，无法安装，，找到了攻关小组要求协助解决，在全国劳模张国良指导下，选用新型刀具材料YS8和加工方法，二个小时就车削一件，顺利解决该厂燃眉之急，又传播了加工技术。如北京市刀具队成员关其柱师付用一块高速钢方刀条（HRC66°）选择最新合金YS8做切削试验，不仅把方条的车成圆型，而且又车成M12×1的螺纹一举成功，在场观众赞不绝口地说“这刀倍棒”。工作室在装备公司成功推荐选用YG610牌号车削板牙（HRC64~68）；伊斯卡IC807车削淬硬钢（HRC55）取得了很好的效果。第35页,共39页，2024年2月25日，星期天365.热喷涂材料的切削加工5.1特性：

热喷涂材料是将合金粉末（Ni基、Fe基、Co基等）通过加热至融化状态，并在较大压力和喷涂速度喷到工件表面上，从而形成一层牢固的耐高温、耐磨损的保护层。热喷材料的成分，性能和加工性，Ni基喷涂件是Ni基粉末并匹配含有Cr、B、Si元素，一般硬度HRC50-60，较高硬度为HRC60-65，是高硬度材料中最难切削的典型材料。装备公司新型Ni基合金缸套（HRC65）是该技术的一项典型应用。

公司试制初期该缸套在车序加工时没有刀具，对生产形成瓶颈。工作室对材料特性进行分析后，选用YT726、YG600及YG610进行车削