第1章 绪论
1.1 刀具材料
1.1.1 刀具材料概述
1.1.1.1 工具钢
工具钢包括碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。
碳素工具钢是指碳含量为0.65％～1.35％的优质高碳钢，最常用的牌号是T12A。这类钢只适宜做一些手动工具。
合金工具钢是指含铬、钨、硅、铝等合金元素的低合金钢种，最常用的牌号是9SiCr、CWMn等。合金工具钢可以允许有较高的切削速度、淬透性较好、热处理变形较小、耐磨性较好。
高速钢是一种加入了较多钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，常用的牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，高速钢具有优良的综合性能，是使用得较多的一种刀具材料。
1.1.1.2 铸造钴基合金
铸造钴基合金（斯太立特合金）是一种含有1％～3％的碳和数量不等的钴、钨、铬、钒等成分的高钴基合金。这种合金适用于其切削速度对高速钢来说太高，但对硬质合金来说又太低的场合。
1.1.1.3 硬质合金类
（1）WC硬质合金 WC硬质合金刀具材料是以WC、TiC粉体为主要成分，以Co、Ni为黏结剂在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉体冶金制品。WC硬质合金的硬度可达89～91HRA；抗弯强度为1～1.75GPa，约为普通高速钢W18Cr4V抗弯强度的一半。由于WC硬质合金耐热性高、耐磨性好，目前许多刀具，如车刀、端面铣刀、绞刀等都以硬质合金作为主要刀具材料。
最常用的WC硬质合金有两大类。
①钨钴类（YG类） 由WC及Co组成，主要用于加工铸铁和有色金属。常用牌号有YG3、YG6、YG8等。
②钨钛钴类（YT类） 由WC、TiC及Co组成，主要用于加工钢料。常用牌号有YT30、YT15、YT5等。
（2）Ti（C，N）基金属陶瓷 Ti（C，N）基金属陶瓷是本章介绍重点之一，接下来会专门叙述。
（3）涂层硬质合金 涂层硬质合金就是通过化学气相沉积（chemical vapour deposition，CVD）或物理气相沉积（physical vapour deposition，PVD）方法，在硬质合金刀片表面涂覆一层硬度和耐磨性很高的材料，如TiC、TiN、Ti（C，N）、Al2O3、HfC、NbC等，这些涂层材料的晶粒很细，对刀具刀刃有补缺作用。用得最多的是TiC，其次是TiN和Al2O3。这些涂覆层一般只有5～12μm，这样使硬质合金既具有强韧的基体，也具有高硬度和高耐磨性的表面。
（4）硬质合金类刀具材料比较 表1-1所示为三种硬质合金类刀具材料WC-Co硬质合金、Ti（C，N）-Ni金属陶瓷、Ti（C，N）涂层硬质合金之间的相互比较。
表1-1 硬质合金类刀具材料的比较
从表中可以看出，WC-Co硬质合金具有优良的韧性，但是耐磨性较差。与之相反，Ti（C，N）基金属陶瓷有很好的耐磨性，但是韧性较差。与前两者相比，通过在WC-Co硬质合金表面用物理气相沉积或化学气相沉积的方法沉积硬质相Ti（C，N）得到的Ti（C，N）涂层硬质合金既具备优良的韧性，也有良好的耐磨性。不过，涂层硬质合金的成本较高，一般比普通硬质合金贵10％～50％。此外，对于高温CVD，由于涂层和硬质合金的热膨胀系数不同，所以在随后的冷却过程中在涂层表面容易形成裂纹，这些裂纹在刀具切削过程中容易传播，从而导致材料的失效。
1.1.1.4 陶瓷材料
（1）Al2O3陶瓷 Al2O3基陶瓷刀具材料主要用高纯度Al2O3加微量添加剂，经冷压或热压烧结而成。根据添加剂的种类，Al2O3基陶瓷分为纯Al2O3陶瓷、Al2O3-金属系陶瓷、Al2O3-碳化物系陶瓷、Al2O3-碳化物-金属系陶瓷四类。Al2O3基陶瓷刀具材料对高速切削特别适用，其主要缺点是抗弯强度低。
（2）Si3N4陶瓷 Si3N4陶瓷是以高纯度粉体Si3N4为原料，添加MgO、Al2O3等为助烧剂，经热压成型烧结而成的一种刀具材料。Si3N4陶瓷具有硬度高、抗弯强度较高（0.6～0.8GPa）等特点。Si3N4陶瓷不仅能用于淬火钢、冷硬铸铁等高硬度材料的精加工和半精加工，而且还能用于钢结硬质合金、镍基合金、玻璃钢、热解石墨、纯钼、无氧铜等材料的精加工和部分粗加工。
1.1.1.5 超硬刀具材料
超硬刀具材料指的是金刚石和立方氮化硼（CBN）。金刚石刀具在耐磨材料及非金属材料的切削方面，应用较广。立方氮化硼的热稳定性高，与铁族元素的化学惰性大，故多用于切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基高温合金。
超硬刀具材料的主要缺点是价格高，其次是刃磨困难，再次是强度较低，因此只能用于精加工，并且要求机床-夹具-刀具-工件系统的刚性比较高，无振动。
1.1.2 刀具材料发展趋势
在现代工业中，刀具材料占有重要的地位。在我国，由于近年制造业的高速发展，为切削刀具的发展提供了巨大的市场潜力。据报道，在2008年，我国刀具消费总量已超过德国、美国、日本等发达国家，达到40亿美元。统计显示，我国国产刀具的生产总量2012年达到了350亿元，出口刀具85亿元，同比增长21.4％。按此增速计算，2015年国内刀具市场有望增长到850亿元。
目前，刀具材料虽然种类繁多，但据统计资料，主要刀具材料仍然是高速钢和硬质合金，二者共占总产值的97％～98％；陶瓷刀具材料占0.3％左右，金刚石和立方氮化硼占0.2％～0.3％，碳素工具钢和合金工具钢占1％～2％。但从发展趋势来看，硬质合金类、陶瓷材料以及超硬刀具所占比例将逐年增加，而碳素工具钢及合金工具钢所占比例会逐年下降。
刀具材料性能的优劣是影响加工表面质量、切削效率、刀具寿命的基本因素。刀具新材料的出现，往往能够成倍地提高生产率，并且解决某些难加工材料的加工问题。同时，随着切削技术的不断发展，人们对刀具材料的性能也提出了越来越高的要求。因此，研制高性能刀具材料一直是刀具研究的热点。
据有关专家预计，在21世纪刀具材料的发展中，刀具的硬度、耐磨性与其强度、韧性间难以兼顾仍是主要矛盾。有可能在21世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。在未来，刀具材料将接受工件方面（如新的难加工材料的出现）及制造系统方面（如高速切削等新型加工方式的采用）更新、更严峻的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面，将成为未来刀具材料发展的特点。