刀具耐磨性與哪些化學成分有關

① 機械加工的刀具都有哪些材料

刀具材料
目前使用的刀具材料種類繁多，主要有金剛石、立方氮化硼、陶瓷、金屬陶瓷、硬質合金和高速鋼等。不同刀具材料具有不同的性能，並有其特定的應用范圍。
金剛石
能用作刀具材料的金剛石有4類：天然金剛石、人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石和金剛石塗層。
天然金剛石是最昂貴的刀具材料，由於天然金剛石可以刃磨成最鋒利的切削刃，主要應用在超精密加工領域，如加工微機械零件、光學鏡面、導彈和火箭中的導航陀螺、計算機硬碟晶元等。人工合成單晶金剛石刀具有很好的尺寸、形狀和化學穩定性，主要用來加工木材，如加工高耐磨Al2O3塗層的木地板。聚晶金剛石是以鈷作為粘結劑，在高溫高壓下(約507MPa，幾千攝氏度)由金剛石微粉壓制而成的。聚晶金剛石刀具具有優異的耐磨性，可用來切削有色金屬和非金屬材料，精加工難加工材料，如硅鋁合金和硬質合金等。
立方氮化硼
立方氮化硼(CBN)與聚晶金剛石一樣，也是在高溫高壓下人工合成的，其多晶結構和性能也與金剛石類似，具有很高的硬度和楊氏模量，很好的導熱性，很小的熱膨脹，較小的密度，較低的斷裂韌性。此外，立方氮化硼具有卓越的化學和熱穩定性，同鐵族元素幾乎不發生反應，這一點要優於金剛石。因此，加工黑色金屬時多選用立方氮化硼而不用金剛石。聚晶立方氮化硼(PCBN)特別適合於加工鑄鐵、耐熱合金和硬度超過HRC45的黑色金屬(如發動機箱體、齒輪、軸、軸承等汽車零部件)。PCBN刀具適合於高速干切削，可以用2O00m/min以上的速度高速加工灰鑄鐵。PCBN刀具在高速硬切削方面的應用也比較廣泛，尤其是精加工汽車發動機上的合金鋼零件，如硬度65之間HRC6O～65之間的齒輪、軸、軸承，而這些零部件過去是靠磨削來保證尺寸精度和表面質量的。
CBN的力學和熱學性能受粘結相的種類及其含量的影響。粘結相有鈷、鎳或碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁等，CBN的顆粒大小和粘結相種類影響到其切削性能。低CBN含量(質量分數，下同，50%～65%)的PCBN刀具主要用來精加工鋼(HRC45～65)，而高CBN含量(80%～90%)的PCBN刀具用來高速粗加工、半精加工鎳鉻鑄鐵，斷續加工淬硬鋼、燒結金屬、硬質合金、重合金等。
不含粘結相的CBN正在研製當中，通過控制合成條件使CBN顆粒更微細，微細顆粒的CBN即使在高溫下也具有高熱導率、極高熱穩定性、高硬度和高強度。無粘結相的CBN可望成為下一代刀具材料。
陶瓷
按化學成分，陶瓷刀具材料可分為氧化鋁基陶瓷、氮化硅基陶瓷、賽阿龍(復合氮化硅—氧化鋁)陶瓷三大類。
氧化鋁基陶瓷具有良好的化學穩定性，與鐵系金屬親和力很小，因此不易發生粘結磨損。氧化鋁在鐵中的溶解度只有WC在鐵中溶解度的1/5，因此，氧化鋁基陶瓷擴散磨損小，同時它的抗氧化能力強。然而，氧化鋁基陶瓷的強度、斷裂韌度、導熱系數和抗熱震性較低。氧化鋁基陶瓷刀具在高速切削鋼時具有比氮化硅陶瓷刀具更優越的切削性能。
與氧化鋁陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有較高的強度、斷裂韌度和抗熱震性能，較低的熱脹系數、楊氏模量和化學穩定性，與鑄鐵不易發生粘結，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用於高速加工鑄鐵。
賽阿龍陶瓷刀具具有較高的強度、斷裂韌度、抗氧化性能、導熱率、抗熱震性能和抗高溫蠕變性能。但是熱膨脹系數較低，不適合加工鋼，主要用來粗加工鑄鐵和鎳基合金。
為了進一步改進陶瓷刀具加工新材料時的切削性能和抗磨損性能，研究人員開發了碳化硅晶須增韌陶瓷材料(包括氮化硅基陶瓷和氧化鋁基陶瓷材料)，增韌後的陶瓷刀具高速切削復合材料和航空耐熱合金(鎳基合金等)時的效果非常好，但不適合加工鑄鐵和鋼。
陶瓷刀具的製造方法有熱壓法和冷壓法兩大類。熱壓法是將粉末狀原料在高溫高壓下壓製成餅狀，然後切割成刀片；冷壓法是將原材料粉末在常溫下壓製成坯，再經燒結成為刀片。熱壓法陶瓷刀具質量好，是目前陶瓷刀具的主要製造方法，冷壓法可製造表面形狀較復雜或帶孔的陶瓷刀具。
TiC(N)基硬質合金
TiC(N)基硬質合金(即金屬陶瓷)密度小，硬度高，化學穩定性好，對鋼的摩擦系數較小，切削時抗茹結磨損與抗擴散磨損的能力較強，具有較好的耐磨性。金屬陶瓷刀具適於高速精加工碳鋼、不銹鋼、可鍛鑄鐵，可以獲得較好的表面粗糙度。常用的金屬陶瓷有：(1)碳化鈦基高耐磨性的TiC+Ni或Mo，高斷裂韌度的TiC+WC+TaC+Co;(2)增韌氮化鈦基金屬陶瓷；(3)碳氮化鈦基高耐磨和抗熱震性的TiCN+NbC。
硬質合金
硬質合金是高硬度、難熔的金屬化合物粉末(WC、TiC等)，用鈷或鎳等金屬做黏結劑壓坯、燒結而成的粉末冶金製品。硬質合金刀具材料的問世，使切削加工水平出現了一個飛躍。硬質合金刀具能實現高速切削和硬切削。為滿足各種難加工材料的切削要求，開發了許多硬質合金加工技術，研製出多種新型硬質合金，方法是：採用高純度的原材料，如採用雜質含量低的鎢精礦及高純度的三氧化鎢等．採用先進工藝，如以真空燒結代替氫氣燒結，以石蠟工藝代替橡膠工藝，以噴霧或真空乾燥工藝代替蒸汽乾燥工藝；改變合金的化學組分。調整合金的結構；採用表面塗層技術。研製出的新型硬質合金有添加鉭、鈮的硬質合金、細晶粒與超細晶粒硬質合金，添加稀土元素的硬質合金等。
在晶粒尺寸為0.2～1µm的碳化鎢硬質合金晶粒中加人更高硬度(HRA90～93)和強度(2000～3500MPa，最高5000MPa)的TaC,NbC等顆粒，可以製成整體超細晶粒硬質合金刀具或可轉位刀片。晶粒細化後，硬質相尺寸變小，粘結相更均勻地分布在硬質相周圍，可以提高硬質合金的硬度與耐磨性，能顯著提高刀具壽命。如適當增加鈷含量，還可以提高抗彎強度。這種刀具可以高速切削鐵族元素材料、鎳基和鈷基高溫合金、鈦基合金、耐熱不銹鋼、焊接材料和超硬材料等。
高速鋼
普通高速鋼是用熔融法製造的，在加工效率和加工質量要求日益提高的先進切削加工中，普通高速鋼的性能已嫌不足。
20世紀後期，逐步出現了許多高性能高速鋼，新型高速鋼在普通高速鋼的基礎上，通過調整基本化學成分，並添加其他合金元素，使其常溫和高溫機械性能得到顯著提高。用作刀具材料的高性能高速鋼有高碳高速鋼、高鈷高速鋼、高釩高速鋼和含鋁高速鋼等。
粉末冶金高速鋼是將高頻感應爐熔煉出的鋼液，用高壓氖氣或純氮噴射霧化，再急冷得到細小均勻結晶粉末，或用高壓水噴霧化形成粉末，所得到的粉末在高溫高壓下熱等靜壓製成粉末冶金高速鋼刀具。與傳統高速鋼相比，粉末冶金高速鋼沒有碳化物偏析的缺陷，且晶粒尺寸小，因此抗彎強度和韌性高，硬度高，適用的切削速度較高，刀具壽命較長，並可加工較硬的工件材料。

② 車床刀具都有哪些選擇原則及要求

車床刀具是切削加工中應用最廣的刀具之一，主要用於車削加工的、具有一個切削部分的刀具，車刀的工作部分就是產生和處理切屑的部分，包括刀刃、使切屑斷碎或卷攏的結構、排屑或容儲切屑的空間、切削油的通道等結構要素。下面簡單介紹下從刀具材質、刀具結構、刀具用途和加工工藝四個方面如何選擇：
一、根據車床刀具的材質進行選擇
金屬在切削過程中，刀具切削部分是在較大的切削壓力、較高的切削溫度級劇烈摩擦條件下工作的。在切削餘量不均勻級斷續加工時，刀具受到很大的沖擊和振動，因此，刀具切削部分材料應具備如下性能：
（1）高硬度。硬度是刀具材料最基本的性能，其硬度必須高於工件材料的硬度，方能將工件上多餘的金屬切削掉。
（2）高耐磨性。高耐磨性是刀具抵抗磨損的能力，在劇烈的摩擦下刀具磨損要小高耐磨性一方面取決於它的硬度；另一方面與它的化學成分、纖維組織有關。材料硬度越高耐磨性越好；含有耐磨的合金化合物越多，晶粒越細，分布均勻則耐磨性越好。
（3）足夠的強度和韌度。切削時刀具要能承受各種壓力與沖擊。一般用抗彎強度和沖擊來衡量材料強度與韌度的高低。
（4）高耐熱性與化學穩定性。高耐熱性，是指刀具在高溫下仍能保持原有的硬度，強度，韌度還耐磨性能。化學穩定性，是指高溫下不易與加工材料或周圍介質發生化學反應的能力，包括抗氧化能力和粘結能力。化學穩定性越高，刀具磨損越慢，加工表面質量越好。
二、根據車床刀具的結構進行選擇
數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要聯接刀具並裝在機床動力頭上，因此已逐漸標准化和系列化。
（1）根據刀具結構可分為：
整體式；鑲嵌式，採用焊接或機夾式聯接，機夾式又可分為不轉位和可轉位兩種；特殊型式，如復合式刀具、減震式刀具等。
（2）根據製造刀具所用的材料可分為：
高速鋼刀具；硬質合金刀具；金剛石刀具；其他材料刀具，如立方氮化硼刀具、陶瓷刀具等。
（3）從切削工藝上可分為：
車削刀具，分外圓、內孔、螺紋、切割刀具等多種；鑽削刀具，包括鑽頭、鉸刀、絲錐等；鏜削刀具；銑削刀具等。
三、根據刀具的用途進行選擇
（1）刀具的選擇是在數控編程的人機交互狀態下進行的，選擇分銑刀直徑選擇和銑刀齒數選擇。銑刀直徑的選擇：一般盡可能選用小直徑規格的銑刀，因為銑刀直徑大，切削力矩增大，易造成切削振動，而且銑刀的切入長度增加，使銑削效率下降。當銑刀的剛性較差，則應按加工情況盡可能選用較大直徑的銑刀，以增加銑刀的剛性。
（2）選取刀具時，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面尺寸相適應。生產平面零件周邊輪廓的加工，常採用立銑刀；銑削平面時應選硬質合金刀片銑刀；加工凸台、凹槽時選高速鋼立銑刀；加工毛坯表面或粗加工孔時可選取鑲硬質合金刀片的玉米銑刀；對一些立體型面和變斜角輪廓外形的加工，常採用球頭銑刀、環形銑刀、錐形銑刀和盤形銑刀。
四、根據加工工藝進行選擇
（1）平面銑削應選用不重磨硬質合金端銑刀或立銑刀。一般採用二次走刀，第一次走刀最好用端銑刀粗銑，沿工件表面連續走刀。
注意選好每次走刀寬度和銑刀直徑，使接刀刀痕不影響精切走刀精度。因此加工餘量大又不均勻時，銑刀直徑要選小些。精加工時銑刀直徑要選大些，最好能包容加工面的整個寬度。
（2）立銑刀和鑲硬質合金刀片的端銑刀主要用於加工凸台、凹槽和箱口面。
為了提高槽寬的加工精度，減少銑刀的種類，加工時可採用直徑比槽寬小的銑刀，先銑槽的中間部分，然後用刀具半徑補償功能銑槽的兩邊。
（3）銑削平面零件的周邊輪廓一般採用立銑刀。
（4）加工型面零件和變斜角輪廓外形時常採用球頭刀、環形刀、鼓形刀和錐形刀等。
以上就是選擇車床刀具時應該注意的事項，跟據企業的實際工藝工況和性能需求選擇合適的刀具有助於提高生產效率，降低綜合成本。

③ 刀具材料應具備哪些性能,這些性能有什麼聯系

製造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等)，並不易變形。
通常當材料硬度高時，耐磨性也高；抗彎強度高時，沖擊韌性也高。但材料硬度越高，其抗彎強度和沖擊韌性就越低。高速鋼因具有很高的抗彎強度和沖擊韌性，以及良好的可加工性，現代仍是應用最廣的刀具材料，其次是硬質合金。
聚晶立方氮化硼適用於切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等；聚晶金剛石適用於切削不含鐵的金屬，及合金、塑料和玻璃鋼等；碳素工具鋼和合金工具鋼只用作銼刀、板牙和絲錐等工具。
硬質合金可轉位刀片都已用化學氣相沉積塗覆碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁硬層或復合硬層。正在發展的物理氣相沉積法不僅可用於硬質合金刀具，也可用於高速鋼刀具，如鑽頭、滾刀、絲錐和銑刀等。硬質塗層作為阻礙化學擴散和熱傳導的障壁，使刀具在切削時的磨損速度減慢，塗層刀片的壽命與不塗層的相比大約提高1～3倍以上。
由於在高溫、高壓、高速下，和在腐蝕性流體介質中工作的零件，其應用的難加工材料越來越多，切削加工的自動化水平和對加工精度的要求越來越高。為了適應這種情況，刀具的發展方向將是發展和應用新的刀具材料；進一步發展刀具的氣相沉積塗層技術，在高韌性高強度的基體上沉積更高硬度的塗層，更好地解決刀具材料硬度與強度間的矛盾；進一步發展可轉位刀具的結構；提高刀具的製造精度，減小產品質量的差別，並使刀具的使用實現最佳化。
刀具材料大致分如下幾類：高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、聚晶立方氮化硼以及聚晶金剛石。
我主要提下陶瓷，陶瓷用於切削刀具的時間比硬質合金早，但由於其脆性，發展很慢。但自上世紀70年代以後，還是得到了比較快的發展。陶瓷刀具材料主要有兩大系，即氧化鋁系和氮化硅系。陶瓷作為刀具，具有成本低、硬度高、耐高溫性能好等優點，有很好的前景。國內國外產品差別很大，刀具算是高技術的消費品！
一般加工中心常用有以下幾種材質刀具：碳素工具鋼，合金工具鋼，高速鋼，硬質合金，超硬材料。
碳素工具鋼
碳素工具鋼是指碳的質量分數為0.65%-1.35%的優質高碳鋼。用做刀具的牌號一般是T10A和T12A，常溫硬度60-64HRC。當切削刃熱至200-250度時，其硬度和耐磨性就會迅速下降，從而喪失切削性能。
合金工具鋼
為了改善碳素工具鋼的性能，常在其中加入適量合金元素如錳、鉻、鎢、硅和釩等，從而形成了合金工具鋼，常用牌號有9sicr,GCr15,CrWMn等。合金工具鋼與碳素工具鋼相比，其熱處理後的硬度相近，而耐熱性和耐磨性略高，熱處理性也較好。但與高速鋼相比，合金工具鋼的切削速度和使用壽命又遠不如高速鋼，使其應用受到很大的限制。因此，合金工具鋼一般僅用於取代碳素工具鋼。
高速鋼
高速鋼是一種含鎢、鋁、鉻、釩等合金元素較多的高合金工具鋼。高速鋼主要優點是具有高的硬度、強度和耐磨性，且耐熱性和淬火性良好，其允許的切削速度是碳素工具鋼和合金工具鋼的兩倍以上。高速鋼刃磨後切削刃鋒利，故又稱之為鋒鋼和白鋼。高速鋼是一種綜合性能好、應用范圍較廣的刀具材料，常用來製造結構復雜的刀具，如成形車刀，銑刀，鑽頭，鉸刀。拉刀，齒輪刀具等。
硬質合金
硬質合金是用粉末冶金方法製造的合金材料，它是由高硬度、高熔點的金屬碳化物WC、TiC等粉末，用鈷等金屬粘結劑在高溫下燒結而成。
硬質合金的硬度較高，常溫下可達89-93HRA，耐磨性和耐熱性均高於工具鋼，在800-1000度時仍能正常切削，其切削速度是高速鋼的幾倍，刀具壽命也提高了幾十倍，並能加工高速鋼刀具難以切削加工的材料，因此被廣泛應用。但是它也存在抗彎強度和沖擊韌度比高速鋼低，刃口不能磨得像高速鋼刀具那樣鋒利等不足之處。
超硬材料
超硬材料主要是批金石、立涼席氮化硼和陶瓷。金剛石是自然界中最硬的材料，其硬度可達10000HV。天然金剛石價格昂貴。很少使用。人造金剛石以石墨為原料經高溫燒結而成。主要用於高速精細車削、鏜削有色金屬及其合金和非金屬材料。切削銅合金或鋁合金時切削速度可達800-3800M/MIN。由於金剛石具有較高的耐磨性，加工尺寸和刀具使用壽命長。所以常應用在數控機床、組合機床和自動機床上，加工後的粗糙度可達0.1-0.025um.但金剛石刀具耐熱性較差，切削溫度不宜超過700-800度。強度低、脆性大、對振動敏感，只宜微量切削。
刀具的發展在人類進步的歷史上佔有重要的地位。刀具是機械製造中用於切削加工的工具，中國是全球最具發展潛力的刀具市場，不少跨國刀具集團在自身發展戰略中，把擴大在中國的刀具銷售作為首選，各企業的亞太總部、研發中心、培訓中心、物流中心紛紛落戶中國，從而以中國為中心輻射亞洲，更加直接便捷地服務於客戶，更好地滿足亞太地區客戶的需求。[3]
6刀具材料選擇

製造刀具的材料必須具有很高的高溫硬度和耐磨性，必要的抗彎強度、沖擊韌性和化學惰性，良好的工藝性(切削加工、鍛造和熱處理等)，並不易變形。
通常當材料硬度高時，耐磨性也高；抗彎強度高時，沖擊韌性也高。但材料硬度越高，其抗彎強度和沖擊韌性就越低。高速鋼因具有很高的抗彎強度和沖擊韌性，以及良好的可加工性，現代仍是應用最廣的刀具材料，其次是硬質合金。
聚晶立方氮化硼適用於切削高硬度淬硬鋼和硬鑄鐵等；聚晶金剛石適用於切削不含鐵的金屬，及合金、塑料和玻璃鋼等；碳素工具鋼和合金工具鋼現在只用作銼刀、板牙和絲錐等工具。
硬質合金可轉位刀片已用化學氣相沉積塗覆碳化鈦、氮化鈦、氧化鋁硬層或復合硬層。正在發展的物理氣相沉積法不僅可用於硬質合金刀具，也可用於高速鋼刀具，如鑽頭、滾刀、絲錐和銑刀等。硬質塗層作為阻礙化學擴散和熱傳導的障壁，使刀具在切削時的磨損速度減慢，塗層刀片的壽命與不塗層的相比大約提高1～3倍以上。

④ 刀具材料應具備的基本性能有哪些

一高硬度和高耐磨性刀具材料的硬度必須高於被加工材料的硬度才能切下金屬，這是刀具材料必備的基本要求，現有刀具材料硬度都在60HRC以上。刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由於切削條件較復雜，材料的耐磨性還決定於它的化學成分和金相組織的穩定性。

二足夠的強度與沖擊韌性強度是指抵抗切削力的作用而不致於刀刃崩碎與刀桿折斷所應具備的性能。一般用抗彎強度來表示。沖擊韌性是指刀具材料在間斷切削或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應克服的一個關鍵。