常见刀具材料有哪些?该如何选择?

国际金属加工网 2020年05月19日

在金属切削加工过程中刀具切削部分直接负担切削工作,所以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工艺一项重要内容,它在很大程度上决定了切削加工生产率的高低、刀具消耗和加工成本的大小、加工精度和表面质量的优劣等。刀具材料的发展同时也受到工材料发展的促进和影响。今天我们分享一下刀具材料的选用。

刀具材料应具备的性能

刀具在工作过程中,要受到很大的切削压力、摩擦力和冲击力,产生很高的切削温度。刀具在这种高温、高压和剧烈的摩擦环境下工作,采用不适当的材料会使刀具迅速磨损或破损。因此,刀具材料应能满足一些基本要求。

1、高的硬度和良好的耐磨性

硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑,其硬度必然要大于工件材料的硬度。用于切削金属材料所用的刀具的切削刃的硬度,一般都在60HRC以上。

对于碳素工具钢材料,在室温条件下硬度应在62HRC以上;高速钢硬度为63~70HRC;硬质合金刀具硬度为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。刀具材料金相组织中的硬质点(如碳化物、氮化物等)的硬度越高、数量越多、颗粒越小、分布越均匀,则耐磨性越好。同时,也和刀具材料的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。 

如果考虑到材料的品质因素而不考虑摩擦区温度及化学磨损等因素,那么可以采用如下的方法表示材料的耐磨性WR,即

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式中:

H——材料硬度,单位为GPa。可见,硬度越高,耐磨性越好;

KIC——材料的断裂韧度,单位为MPa·m1/2。KIC越大,则材料受应力引起的断裂越小,故耐磨性越好;

E——材料的弹性模量,单位为GPa,E值小时,由于磨粒引起的显微应变,有助于产生较低的应力,故耐磨性提高。 

2、足够的强度和韧性

要使刀具在受到很大压力,以及在切削过程中通常要出现的冲击和振动的条件下工作,不产生崩刃和折断,刀具材料必须具有足够的强度和韧性。一般来说,韧性越高,可以承受的切削力越大。

3、高的耐热性

耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志,通常用高温下保持高硬度、耐磨性、强度和韧性的性能来衡量,也称为热硬性。

刀具材料高温硬度越高,则耐热性越好,高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强,允许的切削速度越高。

除了高温硬度,刀具材料还应当具有在高温下抗氧化的能力及良好的抗黏结和抗扩散的能力。这种特性称为化学稳定性。 

4、良好的热物理性能和耐热冲击性能

刀具材料的导热性能越好,切削热越容易从切削区域传导出去,从而降低刀具材料切削部分温度,减少刀具磨损。

刀具在断续切削或使用切削液时,常受到很大的热冲击,因此刀具内部会产生裂纹导致断裂。刀具材料抵抗热冲击的能力可以用耐热冲击系数R表示,即

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式中:

λ——导热系数;

σb——抗拉强度;

μ——泊松比;

E——弹性模量;

α——热膨胀系数。

导热系数越大,热量越容易被传导出去,从而降低刀具表面的温度梯度;热膨胀系数小,可以减少热变形;弹性模量小,可以降低因热膨胀而产生的交变应力的幅度。 

耐热冲击性能好的刀具材料,在切削加工的过程中可以使用切削液。

5、良好的工艺性

刀具不但要有良好的切削性能,本身还应该易于制造。这要求刀具材料有较好的工艺性能,如锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能、高温塑性变形等。

6、经济性

经济性是刀具材料的重要指标之一。刀具材料的发展应结合本国的资源实际情况,这具有重大的经济和战略意义。

有的刀具虽然单件价格很贵,但是因为使用寿命很长,分摊到每个零件上的成本就不一定高。因此,在选用刀具时要考虑经济效果。此外,在先进加工系统(如切削加工自动化系统和柔性制造系统)中,也要求刀具的切削性能稳定可靠,有一定的可预测性和高度的可靠性。

不同刀具材料的物理力学性能如表1所列,材料的物理力学性能不同,其用途也各异。

表1 各种刀具材料的物理力学性能

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 常用的刀具材料可以分为四大类: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。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性较差,仅用于一些手工工具及切削速度较低的工具;陶瓷、金刚石和立方氮化硼仅用于有限的场合;目前,刀具材料中应用最为广泛的仍是高速钢和硬质合金类普通刀具材料。

高速钢

 高速钢(High Speed Steel, HSS)是一种含有较多钨(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。它能承受550~600℃的切削温度,切削一般钢材可用25~30m/min的切削速度,从而使其加工效率比合金工具钢提高215倍以上。 

高速钢是综合性能较好、应用范围最广的一种刀具材料,具有良好的热稳定性。在500~600℃的高温仍能切削,和碳素工具钢、合金工具钢相比较,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范围广泛的材料;高速钢具有较高的强度和韧性,且具有一定的硬度和耐磨性。抗弯强度为一般硬质合金的2~3倍,陶瓷的5~6倍,63~70HRC。因此,它适用于各类切削刀具,也可以用于在刚度较差的机床上进行加工;另外,高速钢刀具的制造工艺相对简单,容易刃磨出锋利的切削刃,能进行锻造加工。这对制造形状复杂的刀具非常重要,故在复杂刀具(如钻头丝锥、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等)的制造中,高速钢占有重要地位;高速钢材料性能较硬质合金和陶瓷稳定,在自动机床上使用较为可靠。

基于以上因素,在各种新型刀具材料不断出现的形势下,高速钢仍占现用刀具材料的很大比例。但是,由于HSS刀具中W,Co等主要元素的资源紧缺,在世界范围内已日益枯竭,其含量只够使用40~60年,HSS刀具在所占刀具材料中的比例逐渐下降,正以每年1%~2%的速度缩减。预计今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。HSS刀具的发展方向包括以下几方面:发展各种含W量少的通用型高速钢,扩大使用各种无Co、含Co量少的高性能高速钢,推广使用粉末冶金高速钢(PM HSS)和涂层高速钢。 

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。按照工艺方法不同,高速钢又可以分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

 常用的几种高速钢的力学性能如表2所示。

 表2 常用高速钢牌号物理力学性能

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1、通用型高速钢

通用型高速钢应用最广,约占高速钢总量的75%。通用型高速钢含碳量为0.7%~0.9%。按照钢中含钨量的不同,可以分为含钨12%或18%的钨钢,含钨6%或8%的钨钼系钢,含钨2%或不含钨的钼钢。通用型高速钢刀具的切削速度一般不太高,切削普通钢料时一般不高于40~60m/min。

(1)钨钢

钨钢的典型钢种为W18钢,W18钢的优点是淬火时过热倾向小;因为含钒量少,因此磨加工性好;由于碳化物含量较高,因此塑性变形抗力较大。此钢的缺点是碳化物分布常不均匀;强度与韧性不够强;热塑性差,不宜制造成大截面刀具。

W18钢由于上述的缺点等原因,现在国内使用逐渐减少,国外已很少采用。

(2)钨钼钢

钨钼钢是将一部分钨用钼代替所制成的钢。如果钨钼钢中的钼不多于5%,钨不少于6%,并且满足[wW+(1.4~1.5)wMo]=12%~13%,则可以保证钼对钢的强度和韧性具有有利影响,而同时不损害钢的热稳定性。

钨钼钢的典型钢种为W6Mo5Cr4V2(简称M2)。此种钢的优点是减小了碳化物数量及分布的不均匀性,和W18钢相比,M2抗弯强度提高10%~15%,韧性提高40%以上,而且大截面刀具也具有同样的强度与韧性,可以制造尺寸较大、承受冲击力较大的刀具。钨钼钢的热塑性特别好,磨加工性也很好,是目前各国使用较多的一种通用型高速钢。

 钨钼钢的热稳定性略低于W18钢,在较高速度切削时,切削性能稍逊于W18钢,而在低速切削时两者没有显著区别。

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

 我国生产的另一种钨钼系钢为W9Mo3Cr4V1(简称W9),它的抗弯强度和冲击韧性以及热稳定性都高于M2,而且热塑性、刀具耐用度、磨削加工性和热处理时脱碳倾向性都比M2有所提高。

 2、高性能高速钢
  高性能高速钢是在普通高速钢中增加碳、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、钴高速钢、超硬高速钢等。
  高性能高速钢按其耐热性可称为高热稳定性高速钢。在630-650℃高温下,仍可保持60HRC的高硬度,因此具有更好的切削性能,而且刀具耐用度是普通高速钢的1.5~3倍。它适合加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。
  这类钢的缺点是强度与韧性较普通高速钢低,高钒高速钢磨削加工性差。
  这类钢的不同牌号只有在各自规定的切削条件下使用才可以得到良好的切削性能。各种高性能高速钢的特点限制了它们只适合在一定范围内使用。
  典型的钢种有高碳高速钢9W6Mo5Cr4V2、高钒高速钢W6Mo5Cr4V3、钴高速钢W6Mo5Cr4V2Co5及超硬高速钢W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al等。近年来,高速钢钢种发展很快,尤其以提高切削效率为目的而发展起来的高性能高速钢,国外高性能高速钢的使用比例已超过20%~30%,与传统的W18Cr4V对应的高速钢已基本被淘汰,取而代之的是以含钴高速钢和高钒钢。国内高性能高速钢的使用仅占高速钢使用总量的3%~5%。

(1)W2Mo9Cr4VCo8(简称M42)

这是一种应用最为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℃时的高温硬度为55HRC,因此允许较高的切削速度。这种钢有一定的韧性,同时含钒量不高,故磨加工性好;含钴有利于提高钢的回火硬度,有利于提高钢的导热率,并降低摩擦系数。使用该钢制作的刀具在加工耐热合金、不锈钢时,耐用度比W18和M2钢有显著提高。被加工材料的硬度越大,效果越显著。

此种钢由于含钴较多,因此价格较贵。

(2)W6Mo5Cr4V2Al(简称501)

这是一种含铝的超硬高速钢,是我国立足国情独创的高性能高速钢。铝能提高钨、钼等元素在钢中的溶解度,并可阻止晶粒长大。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薄膜,减少与切屑的摩擦和黏结。铝高速钢具有优良的切削性能。

此种钢的热处理工艺要求较严格。

3、粉末冶金高速钢

粉末冶金高速钢是用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水,直接得到细小的高速钢粉末,然后将这种粉末在高温高压下制成致密的钢坯,最后将钢坯锻轧制成钢材或刀具的一种高速钢。粉末冶金高速钢在20世纪60年代由瑞典首先研制成功,20世纪70年代国产的粉末冶金高速钢就开始试用。

采用粉末冶金法制造的高速钢有以下优点:无碳化物偏析,提高钢的强度、韧性和硬度,硬度值达69~70HRC;保证材料各向同性,减小热处理内应力和变形;磨削加工性好,磨削效率比熔炼高速钢提高2~3倍;耐磨性好,可提高20%~30%。

此类钢适于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具(如滚刀和插齿刀),精密刀具和磨加工量大的复杂刀具。

硬质合金

随着工业生产发展的需要,高速钢刀具已不能满足人们对高效率加工、高质量加工和各种难加工材料的加工要求。因而,在20世纪20年代到30年代,人们发明了钨钴钛类硬质合金。其常温硬质高达89~93HRA,能承受800~900℃以上的切削温度,切削速度可达100m/min,切削效率为高速钢的5~10倍,故在全世界硬质合金的产量增长极快,现在已成为主要的刀具材料之一。硬质合金刀具更是数控加工刀具的主导产品,有的国家90%以上的车刀、55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造,而且这种趋势还在增加。 

1、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)和金属黏结剂(如Co、Ni等)经粉末冶金方法制成。硬质合金刀具的性能特点如下。

(1)高硬度

硬质合金中高熔点、高硬度碳化物含量高,因此硬质合金常温硬度很高。常用硬质合金的硬度为89~93HRA,远高于高速钢,在540℃时硬度仍可达到82~87HRA,相当于高速钢常温时的硬度(83~86HRA)。硬质合金的硬度值随碳化物的种类、数量、粉末颗粒的粗细和黏结剂的含量决定。碳化物的硬度和熔点越高,硬质合金的热硬性也越好;黏结剂含量较高时,则硬度较低;碳化物粉末越细,而黏结剂含量一定,则硬度高。

(2)抗弯强度和韧性

常用硬质合金的抗弯强度为0.9~1.5GPa,比高速钢的强度低得多,只有高速钢的1/3~1/2,冲击韧度也较差,只有高速钢的1/30~1/8。因此,硬质合金刀具不像高速钢那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。黏结剂含量较高时,则抗弯强度较高,但硬度却较低。

(3)导热系数

由于TiC的导热系数低于WC,所以WC-TiC-Co合金导热系数比WC-Co合金低,并随着TiC含量的增加而下降。

(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合金的线膨胀系数大于WC-Co合金,并随着TiC含量的增加而增大。

(5)抗冷焊性

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

2、切削工具用硬质合金的分类及牌号表示规则

(1)分类

切削工具用硬质合金牌号按使用领域的不同分成P、M、K、N、S、H六类,如表3所列。各个类别为满足不同的使用要求,以及根据切削工具用硬质合金材料的耐磨性和韧性的不同,分成若干个组,用01、10、20等两位数字表示组号。必要时,可在两个组号之间插入一个补充组号,用05、15、25等表示。

 

表3 切削工具用硬质合金分类

类别使用领域
P长切屑材料的加工,如钢、铸钢、长切屑可锻铸铁等的加工
M通用合金,用于不锈钢、铸钢、锰钢、可锻铸铁、合金钢、合金铸铁等的加工
K短切屑材料的加工,如铸铁、冷硬铸铁、短切屑可锻铸铁、灰口铸铁等的加工
N有色金属、非金属材料的加工,如铝、镁、塑料、木材等的加工
S耐热和优质合金材料的加工,如耐热钢,含镍、钴、钛的各类合金材料的加工
H硬切削材料的加工,如淬硬钢、冷硬铸铁等材料的加工

(2)牌号表示规则

①按硬质合金的成分来表示

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②按硬质合金的特性来表示

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3、硬质合金各级别的基本成分及力学性能要求

表4所列为切削工具用硬质合金各组别的基本成分及力学性能要求(摘自GB/T 18376.1-2008)。

表4 硬质合金基本力学性能要求

 

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4、常用硬质合金及其性能

ISO将切削用硬质合金分为三类。

K类:主要成分为WC-Co,相当于我国的YG类,用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料。

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

M类:主要成分为WC-TiC-TaC(NbC)-Co,相当于我国的YW类,用于加工长或短切屑的黑色金属和有色金属。

(1)钨钴类(WC+Co)

合金代号为YG,对应于国标K类。这类合金由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的百分含量,X表示细晶粒。YG类硬质合金有粗晶粒、中晶粒、细晶粒之分。一般硬质合金(如YG6、YG8)均为中晶粒。细晶粒硬质合金(如YG3X、YG6X)在含钴量相同时比中晶粒的硬度和耐磨性要高一些,但抗弯强度和韧性则要低一些。细晶粒硬质合金适用于加工一些特殊的硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、钛合金、硬青铜、硬的耐磨的绝缘材料等。超细晶粒硬质合金的WC晶粒在0.2~1μm,大部分在0.5μm以下,由于硬质相和黏结相高度分散,增加了黏结面积,在适当增加钴含量的情况下,能在较高硬度时获得很高的抗弯强度。

此合金钴含量越高,韧性越好,适用于粗加工,钴含量低,适用于精加工。此类合金韧性、磨削性、导热性较好,较适用于加工产生崩碎切屑、有冲击性切削力作用在刃口附近的脆性材料,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℃时发生严重黏结,使刀具磨损,耐用度下降。

(2)钨钛钴类(WC+TiC+Co)

合金代号为YT,对应于国标P类。这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及YT30,TiC的含量分别为5%、14%、15%、30%,相应的钴含量为10%、8%、6%、4%。

此类合金有较高的硬度和耐热性,它的硬度为89.5~92.5HRA,抗弯强度为0.9~1.4GPa。主要用于加工切屑呈带状的钢件等塑性材料。合金中TiC含量高,则耐磨性和耐热性提高,但强度降低。因此,粗加工一般选择TiC含量少的牌号,精加工选择TiC含量多的牌号。主要用于加工钢材及有色金属,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产生严重的黏刀现象,使刀具磨损较快。

(3)钨钛钽(铌)钴类[WC+TiC+TaC(Nb)+Co]

合金代号为YW,对应于国标M类。这是在上述硬质合金成分中加入一定数量的TaC(Nb),常用的牌号有YW1和YW2。在YT类硬质合金成分中加入一定数量的TaC(Nb)可提高其抗弯强度、疲劳强度和冲击韧度,提高合金的高温硬度和高温强度,提高抗氧化能力和耐磨性。

此类硬质合金不但适用于加工冷硬铸铁、有色金属及合金半精加工,也能用于高锰钢、淬火钢、合金钢及耐热合金钢的半精加工和精加工,被称为通用硬质合金。这类合金如适当增加含钴量,强度可很高,能承受机械振动和由于温度周期性变化而引起的热冲击,可用于断续切削。

以上三类硬质合金的主要成分都是WC,故可统称为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(有些加入了其他碳化物和氮化物)的TiC-Ni-Mo合金。此类合金硬度很高,为90~94HRA,达到了陶瓷的水平,有很高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力,有较高的耐热性和抗氧化能力,化学稳定性好,与工作材料的亲和力小,摩擦系数较小,抗黏结能力强,因此刀具耐用度可比WC基硬质合金提高几倍。

TiC(N)基类硬质合金一般用于精加工和半精加工,对于又大又长或加工精度较高的零件尤其适合,但不适于有冲击载荷的粗加工和低速切削。

5、新型硬质合金
(1)细晶粒、超细晶粒硬质合金

  普通硬质合金中WC粒度为几个微米,细晶粒合金平均粒度在1.5μm左右。超细晶粒合金粒度在0.2~1μm,其中绝大多数在0.5μm以下。
  细晶粒合金中由于硬质相和黏结相高度分散,增加了黏结面积,提高了黏结强度。因此,其硬度与强度都比同样成分的合金高,硬度提高1.5~2HRA,抗弯强度提高0.6~0.8GPa,而且高温硬度也能提高一些,可减少中低速切削时产生的崩刃现象。
  在超细晶粒合金生产过程中,除必须使用细的WC粉末外,还应添加微量抑制剂,以控制晶粒长大,并采用先进烧结工艺,成本较高。超细晶粒硬质合金多用于YG类合金,它的硬度和耐磨性得到较大提高,抗弯强度和冲击韧度也得到提高,已接近高速钢。适合做小尺寸铣刀、钻头等,并可用于加工高硬度难加工材料。

(2)涂层硬质合金

涂层硬质合金刀具是硬质合金刀具材料应用的又一大发展。它将韧性材料和耐磨材料通过涂层有机结合在一起,从而改变了硬质合金刀片的综合力学性能,使其使用寿命提高了2~5倍。它的发展相当迅速,在一些发达国家,其使用量已占硬质合金刀具材料使用总量1/2以上。我国目前正在积极发展此类刀具,已有CN15、1N25、CN35、CN16、CN26等涂层硬质合金刀片在生产中应用。

 (3)高速钢基硬质合金

以TiC或WC为硬质相(占30%~40%),以高速钢为黏结相(占70%~60%),用粉末冶金方法制成,其性能介于高速钢和硬质合金之间,能够锻造、切削加工、热处理和焊接,常温硬度为70~75HRC,耐磨性比高速钢提高6~7倍。可用来制造钻头、铣刀、拉刀、滚刀等复杂刀具,加工不锈钢、耐热钢和有色金属。高速钢基硬质合金导热性差,容易过热,高温性能比硬质合金差,切削时要求充分冷却,不适于高速切削。

刀具材料的选用原则

1、普通材料工件加工时,一般选用普通高速钢和硬质合金;加工难加工材料时可选用高性能和新型刀具材料牌号。只有在加工高硬材料或精密加工中常规刀具材料不能满足加工精度要求时,才考虑用CBN和PCD刀片。

2、任何刀具材料在强度、成分和硬度、耐磨性之间是难以完全兼顾的,在选择刀具材料牌号时,可根据工件材料切削加工性和加工条件,通常先考虑耐磨性,崩刃问题尽可能用刀具合理几何参数解决。只有因刀具材料脆性太大造成崩刃,才考虑降低耐磨性要求,选用强度和韧性较好的牌号。一般情况下,低速切削时,切削过程不平稳,容易产生崩刃现象,宜选用强度和韧性好的刀具材料牌号;高速切削时,切削温度对刀具材料的磨损影响最大,应选择耐用消费品磨性好的刀具材料牌号。

(金属加工 Jacy)

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