刀具材料的種類、性能、特點(diǎn)、應(yīng)用

1．金剛石刀具材料

金剛石是碳的同素異構(gòu)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(dǎo)熱性能，在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應(yīng)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?shí)現(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(xì)研磨，刃口能磨得極其鋒利，刃口半徑可達(dá)0.002μm，能實(shí)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(rèn)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(yīng)用于切削加工的還是聚晶金剛石(PCD)，自20世紀(jì)70年代初，采用高溫高壓合成技術(shù)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(zhì)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(dá)到超精密鏡面切削。

③ CVD金剛石刀具：自從20世紀(jì)70年代末至80年代初，CVD金剛石技術(shù)在日本出現(xiàn)。CVD金剛石是指用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在異質(zhì)基體(如硬質(zhì)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(jié)構(gòu)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(diǎn)，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(diǎn)

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(zhì)。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(zhì)合金刀具的lO～100倍，甚至高達(dá)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(dá)0.002～0.008μm，能進(jìn)行超薄切削和超精密加工。

④ 具有很高的導(dǎo)熱性能：金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)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(zhì)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(yīng)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(jìn)行精細(xì)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(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(xué)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(zhì)，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(gòu)體之一，結(jié)構(gòu)與金剛石相似。

PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN材料通過結(jié)合相(TiC、TiN、Al、Ti等)燒結(jié)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(zhì)合金復(fù)合燒結(jié)的PCBN復(fù)合刀片。

PCBN復(fù)合刀片是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金上燒結(jié)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(qiáng)度低和焊接困難等問題。

⑵ 立方氮化硼的主要性能、特點(diǎn)

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

① 高的硬度和耐磨性：CBN晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似，具有與金剛石相近的硬度和強(qiáng)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(zhì)量。

② 具有很高的熱穩(wěn)定性：CBN的耐熱性可達(dá)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(zhì)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(xué)穩(wěn)定性：與鐵系材料到1200—1300℃時也不起化學(xué)作用，不會像金剛石那樣急劇磨損，這時它仍能保持硬質(zhì)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(yīng)用于鑄鐵的高速切削。

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

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

⑶ 立方氮化硼刀具應(yīng)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(zhì)合金、表面噴涂材料等難切削材料。加工精度可達(dá)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(qiáng)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(yán)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(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等特點(diǎn)，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(yīng)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(shí)現(xiàn)“以車代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬質(zhì)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(yīng)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(jìn)切削技術(shù)的進(jìn)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(fù)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(yīng)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(diǎn)

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(zhì)合金和高速鋼刀具，達(dá)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(jìn)行切削。陶瓷刀具具有很好的高溫力學(xué)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(shí)現(xiàn)干切削，從而可省去切削液。

③ 化學(xué)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(xué)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(yīng)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(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)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(fù)合材料。

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

4．涂層刀具材料

對刀具進(jìn)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(zhì)涂層相結(jié)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(jī)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(lǐng)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(xué)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(zhì)合金刀具一般采用化學(xué)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(zhì)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(zhì)，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?biāo)是高的硬度和耐磨性，其主要優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC和TiN涂層。“軟”涂層刀具追求的目標(biāo)是低摩擦系數(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(shè)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(diǎn)

① 力學(xué)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(jié)合起來，既保持了基體良好的韌性和較高的強(qiáng)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(jìn)給量。涂層刀具的壽命也得到提高。

② 通用性強(qiáng)：涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)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(dāng)涂層厚度達(dá)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(shè)備復(fù)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。