切削刀具材料

简介

在规划成功的金属切削工序时，切削刀具材料的选择是一项重要考虑因素。

掌握每种切削刀具材料及其性能的基础知识对于做出正确的选择而言非常重要。考虑因素包括每道工序加工的工件材料、零件类型和形状、加工条件和要求的表面质量水平。

本部分将介绍每种切削刀具材料及其优势和最佳使用建议的相关信息。

切削刀具材料具有不同硬度、韧性与耐磨性的许多组合，分为具有特定性能的许多材质。通常，在其适用范围内有成功表现的切削刀具材料应具有以下特性：

• 足够硬，具有抗后刀面磨损和抗变形性能
• 韧性足够高，具有抗整体破裂性能
• 不与工件材料发生反应
• 化学稳定性，具有抗氧化和抗扩散磨损性能
• 抗热疲劳性能

涂层硬质合金切削刀具材料

• 涂层 - CVD
• 涂层 - PVD
• 硬质合金

什么是涂层硬质合金切削刀具材料？

目前，涂层硬质合金占所有切削刀片的80-90%。作为一种切削刀具材料，其成功可归因于它实现了耐磨性与韧性的独特结合，并且能够被做成复杂的形状。

涂层硬质合金是将硬质合金与涂层结合在一起。它们共同形成了针对具体应用而度身定制的材质。

涂层硬质合金材质是范围广泛的应用的首选。

涂层 - CVD

定义和特性

CVD代表化学气相沉积。CVD涂层由700-1050 ℃高温下发生的化学反应生成。

CVD涂层具有较高的耐磨性，对硬质合金有出色的附着性。

最先面市的CVD涂层硬质合金是单层碳化钛 (TiC) 涂层。随后推出了氧化铝 (Al2O3) 涂层和氮化钛 (TiN) 涂层。现在使用的的碳氮化钛涂层 (MT-Ti(C,N) 或MT-TiCN，也叫做MT-CVD)与硬质合金及其他涂层都具有良好的结合性能，从而大大改善了材质的性能。

现代的CVD涂层通常是将MT-Ti(C,N)、Al2O3与TiN结合在一起。通过显微结构优化和先进的后处理技术对这些涂层在附着性、韧性和耐磨性方面进行了不断改进，极大地改善了涂层性能。

应用

CVD涂层材质是耐磨性非常重要的各种不同应用的首选。这类应用常见于钢件普通车削和镗削 (通过厚CVD涂层确保抗月牙洼磨损性能)、不锈钢普通车削以及用于ISO P、ISO M、ISO K材料的铣削材质。对于钻削，CVD材质通常应用于周边刀片。

涂层 - PVD

定义和特性

物理气相沉积 (PVD) 涂层在相对较低的温度 (400-600 ℃) 下形成。该过程涉及到金属原子或分子与氮等发生反应以在切削刀具表面形成硬质氮化物涂层。

PVD涂层的高硬度使其能够增加材质的耐磨性。其残留压应力还能增加切削刃强度以及抗梳状裂纹能力。

PVD涂层的主要成分如下所述。现代涂层是由这些涂层成分按一定顺序排列而成，其中包括多层复合涂层。多层复合涂层由许多纳米级薄层组成，赋予这种涂层更高的硬度。

应用

PVD涂层材质推荐用于既需要切削刃强度又需要刃口锋利的应用场合以及切削粘性材料的应用场合。这类应用非常广泛，包括所有整体立铣刀和整体钻头，以及用于切槽、螺纹加工和铣削的大多数材质都是PVD材质。PVD涂层材质还广泛地用于精加工应用以及用作钻削的中心刀片材质。

硬质合金

定义和特性

硬质合金是一种粉末冶金材料；这种复合材料由碳化钨 (WC) 颗粒和富含金属钴 (Co) 的粘结剂组成。用于金属切削应用的硬质合金含有超过80%的硬质相碳化钨。硬质合金通常还会添加的重要成分是其他立方碳氮化物，特别是在梯度烧结材质中。硬质合金通过粉末压制或注射成型技术形成最初的毛胚，然后进行烧结至最后的密度。

应用

中等晶粒到粗晶粒碳化钨

中等晶粒到粗晶粒碳化钨使硬质合金实现了高红硬性与高强度的最优组合。这些材料与CVD或PVD涂层结合用于适合所有应用范围的材质。

细晶粒或超细晶粒晶粒碳化钨

细晶粒或超细晶粒碳化钨通常与PVD涂层组合使用，用于确保具有较高强度的锋利的切削刃。它们还对热及机械循环载荷具有出色的抵抗力。典型应用包括整体硬质合金钻头、整体硬质合金立铣刀、切断切槽刀片、铣削和精加工材质。

梯度烧结硬质合金

梯度烧结硬质合金的优异特性与CVD涂层有机结合，一起被成功地应用于钢和不锈钢车削以及切断切槽的许多首选材质。

无涂层硬质合金

什么是无涂层硬质合金？

无涂层硬质合金材质在总切削刀具产品类别中所占的比例非常小。这些材质或为纯碳化钨/钴的组合或含有大量的立方碳氮化物。

应用

这种切削刀具材料的典型应用是加工HRSA (高温合金) 或钛合金加工以及淬硬材料低速车削。

无涂层硬质合金材质的磨损速率较快但却受控，并具有自锐作用。

金属陶瓷切削

什么是金属陶瓷？

金属陶瓷是一种以钛基硬质颗粒为主要成分的硬质合金。名称“cermet”(金属陶瓷) 是“ceramic”(陶瓷) 与“metal”(金属) 的组合。传统的金属陶瓷是一种由碳化钛 (TiC) 和镍组成的复合材料。现代的金属陶瓷不含镍，结构中包含碳氮化钛Ti(C,N)为主要组成颗粒和 (Ti,Nb,W)(C,N) 等其他硬质相以及钴基粘结剂。

Ti(C,N) 可增加材质的耐磨性，其他硬质相可提高抗塑性变形能力，钴含量则用于控制材质的强度。

与硬质合金相比，金属陶瓷具有更高的耐磨性和更低的粘结趋势。另一方面，它具有较低的抗压强度和较差的抗热冲击性能。金属陶瓷也可涂覆PVD涂层以改善耐磨性。

应用

金属陶瓷材质经常用于易出现积屑瘤问题的粘性材料加工。其良好的自锐性使其在长时间切削后也能保持较低的切削力。在精加工工序中，这能够帮助实现长刀具寿命和小公差，并加工出光亮的表面。

典型应用包括不锈钢、球墨铸铁、低碳钢等材料的精加工。金属陶瓷也可用于其他所有黑色金属材料的加工。

提示：

• 使用低进给和小切深
• 在后刀面磨损达到0.3 mm时必须更换刀片切削刃
• 在加工时如果出现热裂纹及由其导致的崩刃，停止使用冷却液。

陶瓷

什么是陶瓷？

所有陶瓷切削刀具在高切削速度下都具有出色的耐磨性。

有一系列不同陶瓷材质可用于各种不同的应用。

氧化物陶瓷是氧化铝 (Al2O3) 基陶瓷，添加的氧化锆 (ZrO2) 用于抑制裂纹。因此，这种材料的化学稳定性非常好，但是，抗热冲击性能不足。

(1) 混合陶瓷通过添加碳化物或碳氮化物 (TiC、Ti(C,N))颗粒来增强。这提高了混合陶瓷的强度和导热性。

(2) 晶须增强陶瓷利用碳化硅晶须 (SiCw) 显著提高陶瓷强度并且使之能够适应使用冷却液。晶须增强陶瓷是加工镍基高温合金的理想选择。

(3) 氮化硅陶瓷 (Si3N4) 则是另外一种陶瓷材料。其柱状晶体形成具有高强度的自增强材料。氮化硅材质加工灰口铸铁非常地成功，但缺乏化学稳定性限制了其在其他工件材料中的使用。

赛阿龙陶瓷 (SiAlON) 材质将自增强氮化硅的强度与氧化铝基陶瓷的化学稳定性结合在一起。赛阿龙陶瓷材质是加工高温合金 (HRSA) 的理想选择。

应用

陶瓷材质可用于范围广泛的应用和材料，最常用于高速车削工序，也用于切槽和铣削工序。正确应用每种陶瓷材质的特定性能能够实现高生产率。掌握何时以及如何使用陶瓷材质的知识是成功的重要因素。

陶瓷的局限性包括较低的抗热冲击性能和断裂韧性。

立方氮化硼

什么是立方氮化硼？

立方氮化硼 (CBN) 是一种具有出色红硬性的切削刀具材料，可在切削速度非常高时使用。它也表现出良好的强度和抗热冲击性能。

现代常见CBN材质是CBN含量为40-65%，以陶瓷为粘结剂的复合材料。耐化学磨损的陶瓷粘结剂可提高CBN的抗月牙洼磨损性能。另外一种CBN是高含量CBN材质，CBN含量为85%至近100%。这些材质通常以金属为粘结剂以提高强度。

CBN被钎焊到硬质合金载体上就形成了刀片。Safe-Lok™技术大大增强了CBN刀尖与负前角刀片的结合强度。

应用

CBN材质主要用于对硬度高于45 HRc的淬硬钢进行精车。对于硬度高于55 HRc的钢，CBN是能够取代传统上使用的磨削方法的唯一切削刀具。硬度低于45 HRc的较软钢中铁素体含量较高，这会对CBN的耐磨性产生负面影响。

CBN也可用于在车削和铣削工序中对灰口铸铁进行高速粗加工。

聚晶金刚石

什么是聚晶金刚石？

PCD是一种由金刚石颗粒与金属粘结剂一起烧结而成的复合材料。金刚石是所有材料中最硬的一种，因此最耐磨。作为切削刀具材料，它具有良好的耐磨性，但在高温下缺乏化学稳定性，并且易溶于铁。

应用

PCD刀具限于切削有色金属材料，例如高硅铝合金、金属基复合材料 (MMC) 和碳纤维增强塑料 (CFRP)等。采用大流量冷却液时PCD刀具也可用于钛合金超精加工应用。