高速切削刀具材料及其应用
2014-6-16 来源：数控机床市场网 作者：哈尔滨第一工具制造有限公司郭春华
摘 要：本文介绍了硬质合金、陶瓷、金刚石等几种常见的刀具材料及各自的适用情况，为高速切削技术的实际应用提供理论参考。
关键词：高速切削；刀具材料；切削性能
高速切削技术是一种新型的加工制造技术，其通过快速的加工过程缩短机具或零件加工的时间，从而降低加工成本，同时高速切削技术具有精度高的特点，因此很适合对精度要求高的零部件加工，企业通过引进高速切削技术大大提高了生产效率，从而提高企业的市场竞争力。对于高速切削技术来说，刀具是其核心组成部分，是在高速切削过程中与被加工材料直接接触的部分，因此其性能好坏直接影响切削的效果。适用于高速切削的刀具材料有很多，如金刚石、氮化硼、硬质合金、陶瓷材料等，但每种材料都有各自适合的应用领域，并且随着新材料的不断出现，能够用于高速切削刀具的材料也越来越多，这为提高切削速度和精度提供了材料基础。
1 硬质合金
硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘接金属通过粉末冶金工艺制程的合金材料，具有硬度高、耐热等特点，在实际中可用于切削铸铁、玻璃、普通石材、不锈钢、有色金属等材料，但这种材料随着人们对切削工艺要求的不断提高已经不适合单独作为刀具材料。
2 硬质合金改性材料
2. 1 硬质合金掺杂材料
随着切削技术的发展，单一的硬质合金刀具无论是在硬度、耐磨性还是热硬性上都显得力不从心，因此人们通过向硬质合金中添加镍、钴、碳化钨等材料对其进行掺杂改性，研究发现改性后的硬质合金硬度、抗氧化性、耐磨性、热硬性等方面的性能都得到了不同程度的改善，而对于常用的碳化钛基硬质合金来说，向其中添加氮化物后材料的性能更是得到了大幅度的提升，但这种材料不适合加工超高温金属以及高温合金、有色金属等。
2. 2 涂层硬质合金材料
鉴于普通硬质合金性能不足以满足现代高速切削的要求，而在硬质合金刀具表面涂覆一层或若干层其他硬度高、耐磨性好、润滑性好、难熔的物质可使其性能得到很好的改善，从目前的研究来看，可用于硬质合金刀具涂层的材料有碳化钛、氧化铝、金刚石、纳米材料等。
其中碳化钛单涂层可在一定程度上增加刀具硬度，增加刀具切削速度，且导热系数高， 二氧化铝涂层的耐氧化性更强，更耐磨，单导热系数较小，因此在实际应用中常常将这两种材料或者再与第三种材料组成多涂层，取各自材料的优点，从而大大提高刀具的切削性能。
金刚石涂层是利用化学气相沉积法在硬质合金刀具表面形成一薄层的金刚石薄膜，从而使普通硬质合金刀具具备金刚石材料的性质，无论是硬度还是稳定性上都大幅度提升，而且成本上来说要远远低于金刚石材料的刀具，因此应用前景较为广阔，可用于有色金属及纤维材料的切割等。纳米材料涂层是采用多种不同的纳米级高性能材料制成涂层涂覆于硬质合金刀具的表面，通过不同纳米材料的组合来达到不同的性能指标，较为灵活，是近年才流行起来的涂层技术，可用于高速切割领域，但整体上来处于实验室研究阶段，距离实际应用尚有一定距离。
3 陶瓷材料
陶瓷材料被认为是一种较为先进的高速切削刀具材料，其具有硬度高、耐磨性好、与金属亲和力小、化学稳定性好、使用寿命长等优点，并且在高温下高速切削时切屑依然能够与刀具实现较好的分离，再加上陶瓷良好的热稳定性，导致不易发生切削事故，且在切削过程中被加工零件的加工面粗糙度较小，可实现以车代磨，只通过车床一道工序就完成了车、磨两道工序的工作，因此对简化工艺路线、缩短加工时间具有十分重大的意义。在实际工作中，陶瓷刀具材料常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅陶瓷等。
3. 1 氧化铝基陶瓷材料
氧化铝基陶瓷包括氧化铝陶瓷、氧化铝 - 碳化物陶瓷、氧化铝 - 金属陶瓷、氧化铝 - 金属 - 碳化物陶瓷等。氧化铝陶瓷是以氧化铝陶瓷为主，为增强其抗弯强度向其中添加氧化镍等物质的陶瓷，高温性能较好，一般用于冷硬铸铁、淬火钢等硬脆材料的高速切削，加工精度较高。而为了提高其抗弯性能、硬度以及韧性等一般采用向氧化铝陶瓷内单独添加金属、碳化物、氮化物或几种物质的混合物而形成陶瓷材料，其中氧化铝 - 金属 - 碳化物陶瓷的热稳定性最好，硬度最高，可广泛用于合金钢、淬硬钢、铸钢、镍铬合金等金属材料以及纤维玻璃等非金属材料的加工。
3. 2 氮化硅陶瓷材料
与氧化铝基陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有较高的强度、断裂韧度和抗热震性能，较低的热胀系数、杨氏模量和化学稳定性。与铸铁不易发生粘结，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用来高速加工铸铁。
4 金刚石材料
金刚石具有硬度极高、热稳定性好、化学稳定性好等优点，常被任务是用于钻探用钻头的最佳材料， 由于其优异的性能，使之在高速切削刀具材料中也具有十分广阔的应用前景。现实生活中可用作刀具的金刚石有天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和化学气相沉积金刚石涂层刀具等，其中金刚石涂层刀具已经在前文中谈到。
天然金刚石刀具无论是耐磨性还是硬度都具备成为最佳刀具的潜质，且加工精度超高，可用于精密仪器、零部件的加工，如光学镜面、芯片等，但天然金刚石也是当前最为昂贵的一种刀具材料。
单晶金刚石是由人工在一定温度、压力等条件下合成的金刚石，因此比天然金刚石的加工低廉很多， 其化学稳定性好，尺寸和形状容易控制，在机械加工、电子电路板、光学玻璃以及耐磨地板等的加工等领域均得到广泛的应用。
聚晶金刚石是在几千度高温、几百兆帕的条件下通过金属钴作为粘结剂压制而成的材料，其耐磨性能极佳，因此被用作有色金属、硬质合金或硬质非金属材料的加工等。
5 结语
高速切削技术是加工企业在激烈的市场竞争中得以生存的法宝，通过高速切削技术可以显著提高加工速度和精度，而随着高速切削技术的不断发展，用于切削的刀具材料也会不断更新变化，因此要结合当下的工艺特点和加工要求选择适合的刀具，并且要紧跟科技发展的步伐，不断将新材料、新技术用于高速切削刀具的制备中，不断使刀具具有更高的强度、化学稳定性、硬度等性能，促进机械加工行业的快速发展。
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