4．涂層刀具材料

對刀具進行涂層處理是提升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升。涂層刀具可以提升加工效率、提升加工精度、延長刀具使用壽命、降低加工成本。

新型數(shù)控機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。“硬”涂層刀具追求的主要目標(biāo)是高的硬度和耐磨性，其主要優(yōu)點是硬度高、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。

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

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升2倍以上，并允許有較高的進給量。涂層刀具的壽命也得到提升。

② 通用性強：涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，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。

⑶ 涂層刀具的應(yīng)用

涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力，將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中重要的刀具品種。涂層技術(shù)已應(yīng)用于立銑刀、鉸刀、鉆頭、復(fù)合孔加工刀具、齒輪滾刀、插齒刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機夾可轉(zhuǎn)位刀片，滿足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。

5．硬質(zhì)合金刀具材料

硬質(zhì)合金刀具，特別是可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具，是數(shù)控加工刀具的主導(dǎo)產(chǎn)品,20世紀(jì)80年代以來，各種整體式和可轉(zhuǎn)位式硬質(zhì)合金刀具或刀片的品種已經(jīng)擴展到各種切削刀具領(lǐng)域，其中可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具由簡單的車刀、面銑刀擴大到各種精密、復(fù)雜、成形刀具領(lǐng)域。

⑴ 硬質(zhì)合金刀具的種類

按主要化學(xué)成分區(qū)分，硬質(zhì)合金可分為碳化鎢基硬質(zhì)合金和碳(氮)化鈦(TiC(N))基硬質(zhì)合金。

碳化鎢基硬質(zhì)合金包括鎢鈷類(YG)、鎢鈷鈦類(YT)、添加稀有碳化物類(YW)三類，它們各有優(yōu)缺點，主要成分為碳化鎢 (WC)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)等，常用的金屬粘接相是Co。

碳(氮)化鈦基硬質(zhì)合金是以TiC為主要成分(有些加入了其他碳化物或氮化物)的硬質(zhì)合金，常用的金屬粘接相是Mo和Ni。

ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)將切削用硬質(zhì)合金分為三類：

K類，包括Kl0～K40，相當(dāng)于我國的YG類(主要成分為WC．Co)。

P類，包括P01～P50，相當(dāng)于我國的YT類(主要成分為WC．TiC．Co)。

M類，包括M10～M40，相當(dāng)于我國的YW類(主要成分為WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。

各個牌號分別以01～50之間的數(shù)字表示從高硬度到較大韌性之間的一系列合金。

⑵ 硬質(zhì)合金刀具的性能特點

① 高硬度：硬質(zhì)合金刀具是由硬度和熔點很高的碳化物(稱硬質(zhì)相)和金屬粘結(jié)劑(稱粘接相)經(jīng)粉末冶金方法而制成的，其硬度達(dá)89～93HRA，遠(yuǎn)高于高速鋼，在5400C時，硬度仍可達(dá)82～87HRA，與高速鋼常溫時硬度(83～86HRA)相同。硬質(zhì)合金的硬度值隨碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、粒度和金屬粘接相的含量而變化，一般隨粘接金屬相含量的增多而降低。在粘接相含量相同時，YT類合金的硬度高于YG類合金，添加TaC(NbC)的合金具有較高的高溫硬度。

② 抗彎強度和韌性：常用硬質(zhì)合金的抗彎強度在900～1500MPa范圍內(nèi)。金屬粘接相含量越高，則抗彎強度也越高。當(dāng)粘接劑含量相同時，YG類(WC-Co)合金的強度高于YT類(WC-TiC-Co)合金，并隨著TiC含量的增加，強度降低。硬質(zhì)合金是脆性材料，常溫下其沖擊韌度僅為高速鋼的1／30～1／8。

⑶ 常用硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)用

YG類合金主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬材料。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(如YG3X、YG6X)在含鈷量相同時比中晶粒的硬度和耐磨性要高些，適用于加工一些特殊的硬鑄鐵、奧氏體不銹鋼、耐熱合金、鈦合金、硬青銅和耐磨的絕緣材料等。

YT類硬質(zhì)合金的突出優(yōu)點是硬度高、耐熱性好、高溫時的硬度和抗壓強度比YG類高、抗氧化性能好。因此，當(dāng)要求刀具有較高的耐熱性及耐磨性時，應(yīng)選用TiC含量較高的牌號。YT類合金適合于加工塑性材料如鋼材，但不宜加工鈦合金、硅鋁合金。

YW類合金兼具YG、YT類合金的性能，綜合性能好，它既可用于加工鋼料，又可用于加工鑄鐵和有色金屬。這類合金如適當(dāng)增加鈷含量，強度可很高，可用于各種難加工材料的粗加工和斷續(xù)切削。

6．高速鋼刀具

高速鋼(High Speed Steel，簡稱HSS)是一種加入了較多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。高速鋼刀具在強度、韌性及工藝性等方面具有優(yōu)良的綜合性能，在復(fù)雜刀具，尤其是制造孔加工刀具、銑刀、螺紋刀具、拉刀、切齒刀具等一些刃形復(fù)雜刀具，高速鋼仍占據(jù)主要地位。高速鋼刀具易于磨出鋒利的切削刃。

按用途不同，高速鋼可分為通用型高速鋼和高性能高速鋼。

⑴ 通用型高速鋼刀具

通用型高速鋼。一般可分鎢鋼、鎢鉬鋼兩類。這類高速鋼含加(C)為0.7％～0.9％。按鋼中含鎢量的不同，可分為含W為12％或18％的鎢鋼，含W為6％或8％的鎢鉬系鋼，含W為2％或不含W的鉬鋼。通用型高速鋼具有一定的硬度(63-66HRC)和耐磨性、高的強度和韌性、良好的塑性和加工工藝性，因此廣泛用于制造各種復(fù)雜刀具。

① 鎢鋼：通用型高速鋼鎢鋼的典型牌號為W18Cr4V，(簡稱W18)，具有較好的綜合性能，在6000C 時的高溫硬度為48.5HRC，可用于制造各種復(fù)雜刀具。它有可磨削性好、脫碳敏感性小等優(yōu)點，但由于碳化物含量較高，分布較不均勻，顆粒較大，強度和韌性不高。

② 鎢鉬鋼：是指將鎢鋼中的一部分鎢用鉬代替所獲得的一種高速鋼。鎢鉬鋼的典型牌號是W6Mo5Cr4V2，(簡稱M2)。M2的碳化物顆粒細(xì)小均勻，強度、韌性和高溫塑性都比W18Cr4V好。另一種鎢鉬鋼為W9Mo3Cr4V(簡稱W9)，其熱穩(wěn)定性略高于M2鋼，抗彎強度和韌性都比W6M05Cr4V2好，具有良好的可加工性能。

⑵ 高性能高速鋼刀具

高性能高速鋼是指在通用型高速鋼成分中再增加一些含碳量、含釩量及添加Co、Al等合金元素的新鋼種，從而可提升它的耐熱性和耐磨性。主要有以下幾大類：

① 高碳高速鋼。高碳高速鋼（如95W18Cr4V），常溫和高溫硬度較高，適于制造加工普通鋼和鑄鐵、耐磨性要求較高的鉆頭、鉸刀、絲錐和銑刀等或加工較硬材料的刀具，不宜承受大的沖擊。

② 高釩高速鋼。典型牌號，如，W12Cr4V4Mo，（簡稱EV4），含V提升到3％一5％，耐磨性好，適合切削對刀具磨損極大的材料，如纖維、硬橡膠、塑料等，也可用于加工不銹鋼、高強度鋼和高溫合金等材料。

③ 鈷高速鋼。屬含鈷超硬高速鋼，典型牌號，如，W2Mo9Cr4VCo8 ，(簡稱M42)，有很高的硬度，其硬度可達(dá)69-70HRC，適合于加工高強度耐熱鋼、高溫合金、鈦合金等難加工材料，M42可磨削性好，適于制作精密復(fù)雜刀具，但不宜在沖擊切削條件下工作。

④ 鋁高速鋼。屬含鋁超硬高速鋼，典型牌號，如，W6Mo5Cr4V2Al，(簡稱501)，6000C時的高溫硬度也達(dá)到54HRC，切削性能相當(dāng)于M42，適宜制造銑刀、鉆頭、鉸刀、齒輪刀具、拉刀等，用于加工合金鋼、不銹鋼、高強度鋼和高溫合金等材料。

⑤ 氮超硬高速鋼。典型牌號，如，W12M03Cr4V3N，簡稱(V3N)，屬含氮超硬高速鋼，硬度、強度、韌性與M42相當(dāng)，可作為含鈷高速鋼的替代品，用于低速切削難加工材料和低速高精加工。

⑶ 熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼

按制造工藝不同，高速鋼可分為熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。

① 熔煉高速鋼：普通高速鋼和高性能高速鋼都是用熔煉方法制造的。它們經(jīng)過冶煉、鑄錠和鍍軋等工藝制成刀具。熔煉高速鋼容易出現(xiàn)的嚴(yán)重問題是碳化物偏析，硬而脆的碳化物在高速鋼中分布不均勻，且晶粒粗大 (可達(dá)幾十個微米)，對高速鋼刀具的耐磨性、韌性及切削性能產(chǎn)生不利影響。

② 粉末冶金高速鋼(PM HSS)：粉末冶金高速鋼(PM HSS)是將高頻感應(yīng)爐熔煉出的鋼液，用高壓氬氣或純氮氣使之霧化，再急冷而得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織(高速鋼粉末)，再將所得的粉末在高溫、高壓下壓制成刀坯，或先制成鋼坯再經(jīng)過鍛造、軋制成刀具形狀。與熔融法制造的高速鋼相比，PM HSS具有優(yōu)點是：碳化物晶粒細(xì)小均勻,強度和韌性、耐磨性相對熔煉高速鋼都提升不少。在復(fù)雜數(shù)控刀具領(lǐng)域PM HSS刀具將會進一步發(fā)展而占重要地位。典型牌號，如F15、FR71、GFl、GF2、GF3、PT1 、PVN等，可用來制造大尺寸、承受重載、沖擊性大的刀具，也可用來制造精密刀具。