不同刀具材料分类的性能、特点、应用

1．金刚石刀具材料

金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现的最硬的一种材料。金刚石刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性能，在有色金属和非金属材料加工中得到广泛的应用。尤其在铝和硅铝合金高速切削加工中，金刚石刀具是难以替代的主要切削刀具品种。可实现高效率、高稳定性、长寿命加工的金刚石刀具是现代数控加工中不可缺少的重要工具。

⑴ 金刚石刀具的种类

① 天然金刚石刀具：天然金刚石作为切削刀具已有上百年的历史了，天然单晶金刚石刀具经过精细研磨，刃口能磨得极其锋利，刃口半径可达0.002μm，能实现超薄切削，可以加工出极高的工件精度和极低的表面粗糙度，是公认的、理想的和不能代替的超精密加工刀具。

② PCD金刚石刀具：天然金刚石价格昂贵，金刚石广泛应用于切削加工的还是聚晶金刚石(PCD)，自20世纪70年代初，采用高温高压合成技术制备的聚晶金刚石(Polycrystauine diamond，简称PCD刀片研制成功以后，在很多场合下天然金刚石刀具已经被人造聚晶金刚石所代替。PCD原料来源丰富，其价格只有天然金刚石的几十分之一至十几分之一。PCD刀具无法磨出极其锋利的刃口，加工的工件表面质量也不如天然金刚石，现在工业中还不能方便地制造带有断屑槽的PCD刀片。因此，PCD只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。

③ CVD金刚石刀具：自从20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石技术在日本出现。CVD金刚石是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金、陶瓷等)上合成金刚石膜，CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。CVD金刚石的性能与天然金刚石相比十分接近，兼有天然单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)的优点，在一定程度上又克服了它们的不足。

⑵ 金刚石刀具的性能特点

① 极高的硬度和耐磨性：天然金刚石是自然界已经发现的最硬的物质。金刚石具有极高的耐磨性，加工高硬度材料时，金刚石刀具的寿命为硬质合金刀具的lO～100倍，甚至高达几百倍。

② 具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，摩擦系数低，加工时变形小，可减小切削力。

③ 切削刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具可高达0.002～0.008μm，能进行超薄切削和超精密加工。

④ 具有很高的导热性能：金刚石的导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，刀具切削部分温度低。

⑤ 具有较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，由切削热引起的刀具尺寸的变化很小，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。

⑶ 金刚石刀具的应用

金刚石刀具多用于在高速下对有色金属及非金属材料进行精细切削及镗孔。适合加工各种耐磨非金属，如玻璃钢粉末冶金毛坯，陶瓷材料等；各种耐磨有色金属，如各种硅铝合金；各种有色金属光整加工。

金刚石刀具的不足之处是热稳定性较差，切削温度超过700℃～800℃时，就会完全失去其硬度；此外，它不适于切削黑色金属，因为金刚石(碳)在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，刀具极易损坏。

2．立方氮化硼刀具材料

用与金刚石制造方法相似的方法合成的第二种超硬材料—立方氮化硼(CBN)，在硬度和热导率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至10000C也不发生氧化。CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可以广泛用于钢铁制品的加工。

⑴ 立方氮化硼刀具的种类

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质，有单晶体和多晶体之分，即CBN单晶和聚晶立方氮化硼(Polycrystalline cubic bornnitride，简称PCBN)。CBN是氮化硼(BN)的同素异构体之一，结构与金刚石相似。

PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相(TiC、TiN、Al、Ti等)烧结在一起的多晶材料，是目前利用人工合成的硬度仅次于金刚石的刀具材料，它与金刚石统称为超硬刀具材料。PCBN主要用于制作刀具或其他工具。

PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和与硬质合金复合烧结的PCBN复合刀片。

PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金上烧结一层O.5～1.0mm厚的PCBN而成的，其性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，它解决了CBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题。

⑵ 立方氮化硼的主要性能、特点

立方氮化硼的硬度虽略次于金刚石，但却远远高于其他高硬度材料。CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多，可达1200℃以上(金刚石为700～800℃)，另一个突出优点是化学惰性大，与铁元素在1200～1300℃下也不起化学反应。立方氮化硼的主要性能特点如下。

① 高的硬度和耐磨性：CBN晶体结构与金刚石相似，具有与金刚石相近的硬度和强度。PCBN特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，能获得较好的工件表面质量。

② 具有很高的热稳定性：CBN的耐热性可达1400～1500℃，比金刚石的耐热性(700～800℃)几乎高l倍。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：与铁系材料到1200—1300℃时也不起化学作用，不会像金刚石那样急剧磨损，这时它仍能保持硬质合金的硬度；PCBN刀具适合于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 具有较好的热导性：CBN的热导性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中PCBN的热导性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。

⑤ 具有较低的摩擦系数：低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高。

⑶ 立方氮化硼刀具应用

立方氮化硼适于用来精加工各种淬火钢、硬铸铁、高温合金、硬质合金、表面喷涂材料等难切削材料。加工精度可达IT5(孔为IT6)，表面粗糙度值可小至Ra1.25～0.20μm。

立方氮化硼刀具材料韧性和抗弯强度较差。因此，立方氮化硼车刀不宜用于低速、冲击载荷大的粗加工；同时不适合切削塑性大的材料(如铝合金、铜合金、镍基合金、塑性大的钢等)，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，而使加工表面恶化。

3．陶瓷刀具材料

陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能好、耐热性和化学稳定性优良等特点，且不易与金属产生粘接。陶瓷刀具在数控加工中占有十分重要的地位，陶瓷刀具已成为高速切削及难加工材料加工的主要刀具之一。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本不能加工的高硬材料，实现“以车代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2～lO倍，从而大大提高了切削加工生产效率；陶瓷刀具材料使用的主要原料是地壳中最丰富的元素，因此，陶瓷刀具的推广应用对提高生产率、降低加工成本、节省战略性贵重金属具有十分重要的意义，也将极大促进切削技术的进步。

⑴ 陶瓷刀具材料的种类

陶瓷刀具材料种类一般可分为氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、复合氮化硅一氧化铝基陶瓷三大类。其中以氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料应用最为广泛。氮化硅基陶瓷的性能更优越于氧化铝基陶瓷。

⑵ 陶瓷刀具的性能、特点

① 硬度高、耐磨性能好：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCD和PCBN高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到93-95HRA。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适合于高速切削和硬切削。

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， A12O3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，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接，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘接磨损。

④ 摩擦系数低：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度。

⑶ 陶瓷刀具有应用

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的刀具材料之一。陶瓷刀具适用于切削加工各种铸铁(灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、冷硬铸铁、高合金耐磨铸铁)和钢材(碳素结构钢、合金结构钢、高强度钢、高锰钢、淬火钢等)，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料。

陶瓷刀具材料性能上存在着抗弯强度低、冲击韧性差问题，不适于在低速、冲击负荷下切削。

4．涂层刀具材料

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。涂层刀具可以提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。

新型数控机床所用切削刀具中有80％左右使用涂层刀具。涂层刀具将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。

⑴ 涂层刀具的种类

根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。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。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500℃左右；

根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。

根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和 ‘软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC和TiN涂层。“软”涂层刀具追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.1左右，可减小粘接，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。

最近开发了纳米涂层 (Nanoeoating)刀具。这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合 (如金属／金属、金属／陶瓷、陶瓷／陶瓷等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能，适合于高速干切削。

⑵ 涂层刀具的特点

① 力学和切削性能好：涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2倍以上，并允许有较高的进给量。涂层刀具的寿命也得到提高。

② 通用性强：涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用。

③ 涂层厚度：随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。涂层太厚时，易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差。

④ 重磨性：涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长。

⑤ 涂层材料：不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。如：低速切削时，TiC涂层占有优势；高速切削时，TiN 较合适。