本文可以被看作刀具塗層“前傳”，很多時候為了一定程度上改變材料特性，會採取刀具塗層這種方法。實際上，不同的材料本身有不同的性能，今天，小編給金粉們介紹的內容包括三部分：刀具材料應具備的性能、常用的刀具材料種類、不同刀具材料的基本性能分析。一起學習吧。
刀具材料應具備的性能
刀具在工作時，要承受很大的壓力和衝擊力。同時，由於切削時產生的金屬塑性變形以及在刀具、切屑、工件相互接觸表面間產生的強烈摩擦，使刀具切削刃上產生很高的溫度和受到很大的應力。因此，作為刀具材料應具備以下特性：
1. 高的硬度 刀具材料必須具備高於被加工材料的硬度，一般刀具材料的常溫硬度都在62HRC以上。
2. 高的耐磨性 耐磨性是刀具抵抗磨損的能力。它是刀具材料力學性能、組織結構和化學性能的綜合反映。
3. 足夠的強度和韌度 為能承受很大的壓力，以及衝擊和振動，刀具材料應具有足夠的強度和韌度。一般強度用抗彎強度表示，韌度用衝擊值表示。
4. 高的耐熱性 耐熱性是指刀具材料在高溫下保持硬度、耐磨性、強度和韌度的性能。
5. 良好的熱物理性能和耐熱衝擊性 刀具材料抵抗熱衝擊的能力可用耐熱衝擊係數表示
6. 良好的工藝性 這裡指的是鍛造性能、熱處理性能、高溫塑性變形性能以及磨削加工性能等。
7. 經濟性 經濟性是刀具材料的重要指標之一。
常用刀具材料的種類
1. 非合工具鋼（原碳素工具鋼）
按照GB/T13104.1—2008(鋼分類 第1部分：按化學成分分類)及GB/T1299—2014(模具鋼)，非合金工具鋼屬於非合金鋼。按照GB/T11304.2—2008《鋼分類第2部分：按主要質量等級和主要性能或使用特性的分類)，非合金工具鋼屬於特殊質量非合金鋼。
非合金工具鋼是高碳過共析、共析或亞共析鋼。碳是非合金工具鋼的主要強化元素。非合金工具鋼通常按用途可分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼、耐磨的；按鋼質可分為優質鋼和高級優質鋼。這類鋼耐熱性較差(200-250℃)，經熱處理後具有較高的硬度和耐磨性，但熱硬性差、淬透性低。這類鋼主要用於製造加工硬度和強度不太高的尺寸較小、小進給、低速的切削工具和手動工具，以及形狀簡單、精度要求較低的量具、模具等。
2. 合金工具鋼
按照GB/T13304.1-2008《鋼分類第1部分：按化學成分分類》，合金工具鋼屬於合金鋼。按照GB/T13304.2-2008《鋼分類第2部分：按主要質量等級和主要性能或使用特性的分類》，合金工具鋼屬於特殊質量合金鋼。
合金工具鋼為中、高碳合金鋼，這類鋼碳含量較高，並含有多種強化合金元素，如鉻、鎢、硅、錳、釩等。合金工具鋼按用途可分為刃具鋼、模具鋼（冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼）、量具鋼，一種鋼通常兼有多種用途(熱作模具鋼除外)。這類鋼具有較高的耐熱性(300~400℃)，較高的硬度，一定的韌性,良好的耐磨性、熱硬性,一定的耐衝擊性,以及良好的淬透性、組織穩定性，較小的熱處理變形等性能。這類鋼主要用於製造截面較大，要求熱處理變形小，對耐磨性及韌度有一定要求的低速切削刀具，以及形狀特殊且較複雜的量具、刃具、耐衝擊工具和冷熱作模具與一些特殊用途的工具。
以上兩種鋼材作為刀具材料的使用量都很少。
3. 高速工具鋼
按照GB/T13304.1-2008《鋼分類第1部分：按化學成分分類》。高速工具鋼屬於合金鋼。按照GB/T13304.2-2008《鋼分類第2部分：按主要質量等級和主要性能或使用特性分類》，高速工具鋼屬於特殊質量合金鋼。
高速工具鋼是高碳合金鋼，主要合金元素有鎢、鉻、鉬、釩等，含有大量的碳化物。這些碳化物使高速工具鋼具有高的熱硬性和耐磨性，高速工具鋼在較高溫度(不大於600℃)下能保持良好的切削性能，用於製造高效率切削刀具，如銑刀、鉸刀、拉刀、插齒刀及鑽頭等，也用於鐵冷模具、高溫彈簧及高溫軸承等，是應用較多的一種刀具材料。
4. 鑄造鈷基合金（斯太立特合金）
鑄造鑽基合金是一種w(C)=1%~3%和數量不等的鈷、鎢、鉻、釩等成分組成的高鈷基合金。這類材料具有高的耐熱性（與高速工具鋼相比）和抗彎強度(與硬質合金相比)，同時具有良好的抗氧化性以及高溫尺寸穩定性、高的熱硬性和韌性，在各種介質中具有良好的抗腐蝕性，其常溫性能雖不及高速工具鋼，但是高溫性能較高，故有較好的切削性能。此類合金在美國應用較多。
5. 硬質合金
硬質合金是一種主要由硬化相（難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等）和粘結劑相（鈷、鎳等）組成的粉末冶金產品。硬質合金具有硬度高、耐磨，強度和韌性較好，耐熱、耐腐蝕等系列優良性能，特別是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度。硬質合金廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、創刀、鑽頭、鏜刀等，用於切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不鏽鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料。硬質合金可分為碳化鎢基與碳（氮）化鈦基兩大類，現在新型硬質合金刀具的切削速度等於非合金工具鋼的數百倍，是目前應用較多的一種刀具材料。
6. 超硬刀具材料
超硬刀具材料有陶瓷、金剛石和立方氮化硼（CBN）等，其硬度、熱硬性和耐磨性都很高。金剛石是目前已知的最硬的材料，立方氮化硼是硬度僅次於金剛石的材料，可用來加工高硬度的工件。
（1）陶瓷 陶瓷刀具具有高的硬度、熱硬性和耐磨性，在高速切削和幹切削時，表現出優異的切削性能，是一類極具發展前途的刀具材料。刀具用陶瓷一般採用熱壓法，即將粉末狀原料在高溫高壓下壓制成餅狀，然後切割成刀片。按化學成分，陶瓷刀具材料約可以分為氧化鋁系、氮化硅系陶瓷兩大類，目前發展的有複合氮化硅一氧化鋁系，以及納米增韌陶瓷刀具材料、陶瓷塗層刀具材料。納米改性、納米複合及超細晶粒陶瓷刀具材料的研究與開發將是今後陶瓷刀具材料發展的主要方向。
（2）金剛石 金剛石的化學穩定性較低，切削溫度超過700-800℃時，其硬度就會急劇下降。另外，金剛石刀具不適合於加工鋼鐵材料，因為金剛石和鐵有很強的化學親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子作用而使其轉化為石墨結構，刀具極易損壞。
（3）立方氮化硼 立方氮化硼是由軟的六方氮化硼在高溫高壓下加入催化劑轉變而成的。它是20世紀70年代才發展起來的一種新型刀具。
立方氮化硼有很高的硬度及耐磨性，熱穩定性很好，在1400℃的高溫下仍能保持很高的硬度和耐磨性。另外，立方氮化硼的化學惰性很大，它與鐵族金屬直至1200~1300℃時也不易起化學作用，因此立方氮化硼刀具可用於加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵等。
不同刀具材料的基本性能分析
1. 硬度與耐磨性
硬度是刀具材料應具備的基本特性。切削金屬所用刀具切削刃的硬度，一般都在60HRC以上。
淬火工具鋼的硬度主要取決於含碳量。因此，工具鋼的含碳量都比較高。工具鋼熱處理後的硬度可達60~65HRC（81.2~84HRA）。
硬質合金的主要成分是難熔金屬碳化物，這些碳化物的硬度很高，因此，硬質合金的硬度可達89~94HRA。
陶瓷材料的主要成分是氧化鋁，氧化鋁的硬度很高，而且燒結時不需加粘結劑，因此陶瓷的硬度金剛石是人類已經發現的最硬的材料，其硬度可高達91~95HRA。
金剛石是人類已經發現的最硬的材料，其硬度可達10000HV、立方氮化硼硬度僅次於金剛石，硬度可達8000~9000HV。
耐磨性是刀具應具備的主要條件之一，它是決定刀具壽命的主要因素。材料的耐磨性是材料的硬度、強度、化學成分及組織結構的綜合反應。
一般來說，刀具材料的硬度越高，耐磨性也越好。但情況也並不完全如此。例如各種工具鋼的硬度基本相同，但耐磨性卻相差很大，合金工具鋼中的合金碳化物分佈在馬氏體基體上，比單一的馬氏體組織具有更高的耐磨性。高速工具鋼中含有質量分數為10%~20%的合金碳化物，其耐磨性比一般合金工具鋼要高。常用硬質合金中含有更大量的（質量分數為85%~95%）合金碳化物,其耐磨性比高速工具鋼還要高15~20倍。
2. 強度及韌度
現有刀具材料中，高速工具鋼具有較高的強度和韌度，因此能用於重負荷條件下的加工。常用硬質合金的抗彎強度只有高速工具鋼的1/3~1/2左右，衝擊值則更低。陶瓷刀具的抗彎強度僅及高速工具鋼的1/5左右，衝擊值則低得多。
3. 耐熱性
耐熱性也是衡量刀具材料切削性能的主要標誌。非合金工具鋼的耐熱性最低，能維持切削性能的最高溫度僅為200~250℃。合金工具鋼的耐熱性較好，在300~400℃的溫度下仍能保持較好的切削性能。高速工具鋼是一種高合金工具鋼，在500~600℃的高溫下，切削性能仍比較好。鑄造鈷基合金在700-850℃時硬度仍無顯著變化。
硬質合金的耐熱性更高，一般在800~1000℃的高溫下尚能進行切削。而陶瓷刀具在1200℃的高溫下仍能保持很高的硬度。至於超硬刀具材料（如立方氮化硼），在1400℃時仍能保持很好的切削性能。
4. 導熱性
刀具在切削時，有相當一部分熱量需要由刀具傳出。因此，刀具的導熱性越好，從刀具傳出的熱量也就越多，有利於降低切削區的溫度。
5. 工藝性能
刀具材料的工藝性能包括刀具材料的被切削性能、磨削性能、高溫塑性變形性能、熱處理性能和焊接性能等。
工具鋼的工藝性能較好，不僅能進行切削加工和熱處理，而且磨削加工和焊接性能均較好。
硬質合金的硬度高，很難進行切削加工。又由於其脆性較大，線膨脹係數與鋼相差較大，焊接和磨削時容易產生裂紋。
本文部分摘自機械工業出版社圖書《金屬切削刀具設計手冊 》，由金屬加工整理，如需轉載請聯繫金屬加工微信公眾號（ID：mw1950pub）。
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