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高速切削刀具材料及其應用

2014-6-16 來源（yuán）：數控機床市場網作者：哈爾濱第一工具製造有限公司郭春華

摘要：本文介紹了硬質合金、陶（táo）瓷、金剛石（shí）等幾種常見的刀具（jù）材料及各自的適用情況，為高速切削技術的實際應用提供理論參考。

關鍵詞：高速切（qiē）削；刀具材料；切削性能

高速（sù）切削技（jì）術是一種新型（xíng）的加工製造技術，其通過快速的加工過程縮短機具（jù）或零件加工的時間，從而降低加工成本，同時高速切削技術具有精度（dù）高的特點，因此很適合對精度要求（qiú）高的零部件加工，企業通過引進高速切削技（jì）術大大提高了生（shēng）產效率，從（cóng）而提高企（qǐ）業的市場（chǎng）競爭力。對於高速切削技術來說，刀具是其核心組成部分，是在高速切削過程中與被加工材（cái）料直接接觸（chù）的部分，因此其性能好壞直接影響切削的效果。適用於（yú）高速切（qiē）削的刀具材料有很多，如金剛石、氮化硼（péng）、硬質（zhì）合金、陶瓷材料等，但每種材（cái）料都有各自（zì）適合的應用領域，並且隨著新材料的不斷出現，能夠用於高速切削刀具的材料也越來越多（duō），這為提高切削速（sù）度和精（jīng）度（dù）提供了材料基礎。

1 硬質合金

硬質合金是由難熔金屬的硬質化合（hé）物和粘接金屬通過粉末冶（yě）金工藝（yì）製（zhì）程的合金材（cái）料，具有硬度高、耐熱等特點，在實際中可用於切削鑄鐵、玻璃、普通石材、不鏽鋼（gāng）、有色金屬等材料，但這種材料隨著人（rén）們對切削工（gōng）藝要求的不（bú）斷提高已經不（bú）適合單獨作為刀（dāo）具材料。

2 硬質合金（jīn）改性材料

2. 1 硬質合金摻雜材料

隨著切（qiē）削技（jì）術的發展，單一的硬質合金（jīn）刀（dāo）具無論是在硬度、耐（nài）磨性還是熱硬性上都顯得力不從心，因此人們通過向硬質合金中添加鎳、鈷、碳化鎢（wū）等材料對其進行摻雜改性，研究發（fā）現（xiàn）改性後的硬質（zhì）合金硬度、抗氧化（huà）性、耐磨性、熱硬（yìng）性等方（fāng）麵（miàn）的性能都得到了不同程度的改善，而（ér）對於常用（yòng）的碳化鈦基硬質合金來說，向其中添加氮化物後材料的性能更是得到了大幅（fú）度的提（tí）升（shēng），但這種材料不適合加工超高溫金屬以及高溫合（hé）金、有（yǒu）色金屬等。

2. 2 塗層硬質合金材（cái）料

鑒於普通硬質合（hé）金性能不（bú）足以滿（mǎn）足現代高速切削的要求，而在硬（yìng）質（zhì）合金刀具表麵塗覆一層或若幹層其他硬度高（gāo）、耐磨性好、潤滑（huá）性（xìng）好、難熔的物質可使其性能得到很好的改善，從目前的研究來看，可（kě）用於硬（yìng）質合金刀具塗層的材料有碳化鈦、氧化鋁、金（jīn）剛石（shí）、納米材料等。

其（qí）中碳化鈦單塗層可在一定程度上增加刀具（jù）硬度，增加（jiā）刀具切（qiē）削速度，且導熱係數高，二氧化（huà）鋁塗層的耐氧化性更強，更（gèng）耐磨，單導熱係數（shù）較小，因此在實際應用（yòng）中常常將這兩種材料或者再與（yǔ）第三種材料組成多塗層，取各自材（cái）料的優點，從而大大提高刀具的切削性能。

金剛石（shí）塗層是利用化學氣相沉積法在硬質合金刀具表麵形成一（yī）薄層的金剛石薄膜（mó），從而使普通硬質合金刀（dāo）具具備金剛石（shí）材料的性（xìng）質，無論是硬度還是穩定（dìng）性上都大幅度提（tí）升，而且成本上來說要遠遠低於金剛石材料（liào）的刀具，因此應用前景較（jiào）為廣（guǎng）闊，可用於有色金屬及纖維材料的切割等。納米材（cái）料塗層是采（cǎi）用多種不同的納米級高性能（néng）材料製（zhì）成（chéng）塗層塗覆於（yú）硬質合（hé）金刀具的表麵，通過不同納米材（cái）料的組合來達到不同（tóng）的性能指標（biāo），較為靈（líng）活（huó），是近年才（cái）流行起（qǐ）來的塗層技術，可用於高速切割領域，但整體上來處（chù）於實驗（yàn）室研究階段，距離實際應用尚有一定距（jù）離。

3 陶（táo）瓷材料

陶瓷材料被認為（wéi）是一種較為先進的高速切削刀具材料，其具有硬度高、耐磨性好、與（yǔ）金屬親和力小、化（huà）學穩定性好、使用壽命（mìng）長等優點，並且在高溫下高速（sù）切削時切屑依然能夠與刀具實現較好的分離，再加上陶瓷良好的熱穩（wěn）定性，導致不易發生切削事故，且在切削過（guò）程（chéng）中（zhōng）被加工零（líng）件的加工麵粗糙度較小，可實現以車代（dài）磨，隻通過車床一道（dào）工序就完成了車、磨兩道工序的工（gōng）作，因此對簡化（huà）工藝（yì）路線、縮短加工（gōng）時間具有十分重大的意義。在實際工作中，陶瓷刀具材料常用的（de）有氧化鋁基陶瓷、氮化矽陶瓷等（děng）。

3. 1 氧（yǎng）化鋁（lǚ）基陶瓷材料

氧化鋁基陶瓷包括氧化鋁陶（táo）瓷、氧化鋁 - 碳化物陶瓷、氧化鋁 - 金（jīn）屬陶瓷、氧化鋁 - 金屬 - 碳化物陶瓷等。氧化鋁陶瓷是以氧化鋁陶瓷（cí）為主，為增強其抗彎強度向其中（zhōng）添（tiān）加氧化鎳等（děng）物質的（de）陶瓷，高溫性能較好（hǎo），一般用於冷硬鑄鐵、淬火鋼（gāng）等硬脆材料的高速切削，加工精度較高。而為（wéi）了提高其抗彎性能、硬（yìng）度以及韌性等一般采用向氧化鋁陶瓷內單（dān）獨添加金屬、碳化物、氮（dàn）化物或幾種物質的混合物而形成陶瓷材料，其中（zhōng）氧化鋁 - 金屬 - 碳化物陶瓷的熱穩定（dìng）性最好（hǎo），硬度最高，可廣泛用於合金鋼、淬（cuì）硬鋼、鑄（zhù）鋼、鎳鉻合金等金屬材（cái）料以及纖維玻璃等非金屬材料的加（jiā）工。

3. 2 氮化矽陶瓷材料

與氧（yǎng）化（huà）鋁基陶瓷相比，氮化矽基陶（táo）瓷（cí）具有較高的強（qiáng）度、斷裂韌度（dù）和抗熱（rè）震性能，較低的熱脹係（xì）數、楊氏模量和化學穩定性。與鑄鐵不易發生粘結，因此，氮化矽基陶瓷（cí）刀具主要用來高速（sù）加工鑄鐵。

4 金（jīn）剛（gāng）石材料

金剛石具有硬度極高、熱穩定性好、化學（xué）穩定性好等優點，常被任務是用於（yú）鑽探用鑽頭的最佳材料，由於其優異的（de）性能，使（shǐ）之在高速切（qiē）削刀具材料中也具（jù）有十分廣闊的應用前景。現實生活中可用作刀具的金剛石有天（tiān）然金剛石、人工合（hé）成單晶金剛石、聚晶金剛（gāng）石和化學（xué）氣相沉積金剛石塗（tú）層刀具等，其中（zhōng）金剛石（shí）塗層（céng）刀具已經在前文中（zhōng）談到。

天然金剛石刀具無論是（shì）耐磨性還是硬度都具（jù）備成為最佳刀具的潛質（zhì），且加（jiā）工精度（dù）超高，可用於精密儀器、零部件的加工，如（rú）光（guāng）學鏡麵、芯片等，但天然金剛石也是當前最為昂貴的一（yī）種刀具（jù）材料。

單晶金剛石是由人工在一定溫度、壓力等條件下合成的金剛石，因此（cǐ）比天然金剛石的（de）加（jiā）工低廉很多，其化學穩定性好，尺寸和形狀容（róng）易控（kòng）製，在機（jī）械加（jiā）工、電子電（diàn）路板、光學（xué）玻璃以及耐磨地板等的加工等領域均得到廣泛的應用。

聚晶金剛石（shí）是在（zài）幾千度高溫、幾（jǐ）百兆帕的條件（jiàn）下通過金屬鈷（gǔ）作為粘結劑壓製而成的材料，其（qí）耐磨性（xìng）能極佳，因此被（bèi）用作有（yǒu）色金屬、硬質合金或硬質非金屬材料（liào）的加（jiā）工等。

5 結語

高速切削技術是加工企業在激烈（liè）的市場競爭中（zhōng）得以生存的法寶，通過（guò）高（gāo）速切削技術可以顯著提高加工速度和精度，而隨著高速切削技術的不（bú）斷發展，用於（yú）切削的刀具材料也會不斷更新變化，因此要結合當下的工藝（yì）特點和加工要求選擇適合的刀具，並且要緊跟科技發（fā）展的步伐，不斷將新材料、新技術用於高速切削刀具的製備中，不斷使（shǐ）刀具具有更（gèng）高（gāo）的強度（dù）、化學穩定性、硬度等性能，促進機械加工（gōng）行業的快速發（fā）展。

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