材料的發(fā)展對(duì)切削技術(shù)的進(jìn)步起著決定性的作用它浅。本文介紹了切削中所使用的金剛石磷妻、聚晶立方氮化硼助碰、陶瓷誉倦、硬質(zhì)合金魔踱、高速鋼等刀具材料的性能及適用范圍。刀具損壞機(jī)理是刀具材料合理選用的理論基礎(chǔ)肿夜，刀具材料與工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料選擇的關(guān)鍵依據(jù)桶求，要根據(jù)刀具材料與工件材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能選擇刀具材料色查，才能獲得良好的切削效果薯演。就活塞在切削加工時(shí)的刀具材料選用作了闡述。

　　高速鋼：活塞加工中銑澆冒口秧了、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀涣仿，鉆油孔用鉆頭等都為高速鋼材料。

　　硬質(zhì)合金：YG示惊、YD系列硬質(zhì)合金刀具被廣泛應(yīng)用于鋁活塞加工的各個(gè)工序中，特別是活塞粗加工和半精加工工序愉镰。

　　立方氮化硼：立方氮化硼刀具被用于鑲鑄鐵環(huán)活塞的車削鑄鐵環(huán)槽工序中米罚。同時(shí)也應(yīng)用于活塞立體靠模的加工中。

　　金剛石：金剛石刀具可利用金剛石材料的高硬度丈探、高耐磨性录择、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度、高效率碗降、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工隘竭。在切削鋁合金時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具劲吐，已經(jīng)應(yīng)用于精車活塞環(huán)槽钩厕、精鏜活塞銷孔、精車活塞外圓拣九、精車活塞頂面及精車活塞燃燒室等精加工工序中舌恒。

　　刀具材料性能的優(yōu)劣是影響加工表面質(zhì)量、切削加工效率含薄、刀具壽命的基本因素瞒籍。切削加工時(shí)，直接擔(dān)負(fù)切削工作的是刀具的切削部分谓牢。刀具切削性能的好壞大多取決于構(gòu)成刀具切削部分的材料奇忆、切削部分的幾何參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)是否合理。切削加工生產(chǎn)率和刀具耐用度的高低巩烤、刀具消耗和加工成本的多少享处、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上都取決于刀具材料的合理選擇媳阴。正確選擇刀具材料是設(shè)計(jì)和選用刀具的重要內(nèi)容之一奋屠。

　　每一品種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適用于一定的工件材料和切削速度范圍窃爷。不同的刀具材料和同種刀具加工不同的工件材料時(shí)刀具壽命往往存在很大的差別邑蒋，例如：加工鋁活塞時(shí)，金剛石刀具的壽命是YG類硬質(zhì)合金刀具壽命的幾倍到幾十倍按厘；YG類硬質(zhì)合金刀具加工含硅量高医吊、中、低的鋁合金時(shí)其壽命也有很大的差別逮京。所以卿堂，合理選用刀具是成功進(jìn)行切削加工的關(guān)鍵。每一種刀具材料都有其最佳的加工對(duì)象懒棉，即存在切削刀具與加工對(duì)象的合理匹配問題草描。

　　1．刀具材料應(yīng)具備的性能

　　1.1高的硬度和耐磨性

　　硬度是刀具材料應(yīng)具備的基本特性。刀具要從工件上切下切屑策严，其硬度必須比工件材料的硬度大穗慕。切削金屬所用刀具的切削刃硬度，一般都在60HRC以上妻导。耐磨性是材料抵抗磨損的能力逛绵。一般來(lái)說，刀具材料的硬度越高央垢，其耐磨性就越好简揍。組織中的硬質(zhì)點(diǎn)(碳化物、氮化物等)的硬度越高，數(shù)量越多碑裤，顆粒越小您脂，分布越均勻，則耐磨性越好攀叼。耐磨性還與材料的化學(xué)成分硫搏、強(qiáng)度、顯微組織及摩擦區(qū)的溫度有關(guān)要嘿±缘鳎可用公式表示材料的耐磨性WR：WR=KIC0.5E-0.8H1.43式中：H——材料硬度(GPa)。硬度愈高或腔，耐磨性愈好臭器。

　　KIC——材料的斷裂韌性(MPa·m?)。KIC愈大蔚便，則材料受應(yīng)力引起的斷裂愈小毙玻，耐磨性愈好。

　　E——材料的彈性模量(GPa)廊散。E很小時(shí)桑滩，由于磨粒引起的顯微應(yīng)變，有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力允睹，耐磨性提高运准。

　　1.2足夠的強(qiáng)度和韌性

　　要使刀具在承受很大壓力，以及在切削過程經(jīng)常出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)條件下工作缭受，而不產(chǎn)生崩刃和折斷胁澳，刀具材料就必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性。

　　1.3高的耐熱性(熱穩(wěn)定性)

　　耐熱性是衡量刀具材料切削性能的主要標(biāo)志米者。它是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度韭畸、耐磨性、強(qiáng)度和韌性的性能蔓搞。

　　刀具材料還應(yīng)具有在高溫下抗氧化的能力以及良好的抗粘結(jié)和抗擴(kuò)散的能力胰丁，即刀具材料應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

　　1.4良好的熱物理性能和耐熱沖擊性能

　　刀具材料的導(dǎo)熱性愈好喂分，切削熱愈容易從切削區(qū)散走丰搞，有利于降低切削溫度。

　　刀具在斷續(xù)切削或使用切削液時(shí)讼狗，常常受到很大的熱沖擊(溫度變化劇烈)，因而刀具內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致斷裂革辖。刀具材料抵抗熱沖擊的能力可用耐熱沖擊系數(shù)R表示硝闸，R的定義是為：

　　R=λσb(1-μ)/Eα

　　式中：λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

　　σb——抗拉強(qiáng)度；

　　μ——泊松比硼挡；

　　E——彈性模量恤朝；

　　α——熱膨脹系數(shù)。

　　導(dǎo)熱系數(shù)大版绢，使熱量容易散走棕虫，降低刀具表面的溫度梯度；熱膨脹系數(shù)小玄冬，可減少熱變形第哲；彈性模量小，可以降低因熱變形而產(chǎn)生的交變應(yīng)力的幅度颜懊；有利于材料耐熱沖擊性能的提高财岔。

　　耐熱沖擊性能好的刀具材料，在切削加工時(shí)可以使用切削液河爹。

　　1.5良好的工藝性能

　　為了便于刀具的制造匠璧，要求刀具材料具有良好的工藝性能，如鍛造性能咸这、熱處理性能夷恍、高溫塑性變形性能、磨削加工性能等媳维。

　　1.6經(jīng)濟(jì)性

　　經(jīng)濟(jì)性是刀具材料的重要指標(biāo)之一酿雪，優(yōu)質(zhì)刀具材料雖然單件刀具成本很高，但因其使用壽命長(zhǎng)侨艾，分?jǐn)偟矫總€(gè)零件的成本則不一定很高执虹。因此在選用刀具材料時(shí)要綜合考慮其經(jīng)濟(jì)效果。

　　2．刀具材料

　　2.1高速鋼

　　高速鋼是一種加入了較多的鎢唠梨、鉬袋励、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼当叭。高速鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性接碘，并且具有一定的硬度和耐磨性。適合各類刀具的要求室午。高速鋼刀具制造工藝簡(jiǎn)單班域，容易磨成鋒利切削刃，因此盡管各種新型刀具材料不斷出現(xiàn)孔菱，高速鋼刀具在金屬切削中仍占較大的比例巨啤。可以加工有色金屬和高溫合金撕星。由于高速鋼具有以上性能抖躺，活塞加工中的銑澆冒口涉床、銑橫槽及銑膨脹槽用銑刀、鉆油孔用鉆頭等刀具都為高速鋼材料勇斜。

　　2.2硬質(zhì)合金

　　硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物(如WC迅忆、TiC、TaC树家、NbC等)和金屬粘結(jié)劑(如Co苇裤、Ni等)粉末經(jīng)粉末冶金的方法制成。

　　由于硬質(zhì)合金中都含有大量的金屬碳化物摩泪，這些碳化物都有熔點(diǎn)高笆焰、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定好加勤、熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)仙辟，因此，硬質(zhì)合金材料的硬度鳄梅、耐磨性叠国、耐熱性都很高。常用硬質(zhì)合金的硬度為89～93HRA戴尸，比高速鋼的硬度(83～86.6HRA)高粟焊，在800～1000℃時(shí)尚能進(jìn)行切削。在540℃時(shí)孙蒙，硬質(zhì)合金的硬度為82～87HRA项棠，在760℃時(shí)，硬度仍能保持77～85HRA挎峦。因此香追，硬質(zhì)合金的切削性能比高速鋼高得多，刀具耐用度可提高幾倍到幾十倍危葵，在耐用度相同時(shí)带漆，切削速度可提高4～10倍。

　　2.3金剛石

　　金剛石是目前已知礦物材料中硬度最高蠢缚、熱傳導(dǎo)性最好的物質(zhì)狐绽，與各種金屬、非金屬材料配對(duì)摩擦的磨損量?jī)H為硬質(zhì)合金的1/50～1/800锐校，是制作切削刀具最理想的材料躺冕。然而，天然單晶金剛石僅用于制作首飾及某些有色金屬的超精密加工矮按。

　　金剛石刀具的切削刃非常鋒利(這對(duì)切下極小斷面的切屑是很重要的)畔怎，刃部粗糙度很小，摩擦系數(shù)又低膨泄，切削時(shí)不易產(chǎn)生積屑瘤者妆，加工表面質(zhì)量高季键。加工有色金屬時(shí)，表面粗糙度可達(dá)到Ra0.012μm补颗，加工精度可達(dá)到IT5級(jí)以上。

　　金剛石刀具有三種：天然單晶金剛石刀具缓待、整體人造聚晶金剛石刀具蚓耽、金剛石復(fù)合刀具。天然金剛石刀具由于成本較高等原因旋炒，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少步悠。人造金剛石是通過合金觸媒的作用，在高溫高壓下由石墨轉(zhuǎn)化而成瘫镇。金剛石復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上經(jīng)過高溫鼎兽、高壓等先進(jìn)工藝燒結(jié)一層約0.5～1μm厚的金剛石，這種材料是以硬質(zhì)合金做基體铣除，其機(jī)械性能谚咬、熱傳導(dǎo)性和膨脹系數(shù)都近似于硬質(zhì)合金，基體上的人造多晶金剛石磨料中的金剛石晶體呈不規(guī)則排列尚粘，其硬度和耐磨性在各個(gè)方向都是均勻的择卦。

　　聚晶金剛石(簡(jiǎn)稱PCD)是由經(jīng)過篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成。在燒結(jié)過程中郎嫁，由于添加劑的加入秉继，使金剛石晶體間形成以TiC、SiC源相、Fe折司、Co和Ni等為主要成分的結(jié)合橋。金剛石晶體以共價(jià)鍵的結(jié)合形成牢固地嵌于結(jié)構(gòu)橋構(gòu)成的堅(jiān)強(qiáng)骨架中下乱，使PCD的強(qiáng)度和韌性都大大提高耿把，其硬度約為9000HV，抗彎強(qiáng)度為O.21～0.48GPa圈咬，導(dǎo)熱系數(shù)為20.9J/cm·sμ℃淡窘，熱膨脹系數(shù)為3.1×10-6/℃。現(xiàn)在使用的聚晶金剛石刀具大多是PCD與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)形成的復(fù)合體鹏汁，即在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)上一層PCD讼牢。PCD的厚度一般為0.5mm和0.8mm，由于底層為硬質(zhì)合金磕艺，焊接方便盾摹；又由于PCD結(jié)合橋的導(dǎo)電性，使得PCD便于切割加工成各種形狀光叉，制成各種刀具厉斟，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石挚躯。

　　聚晶金剛石(PCD)可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁擦秽、銅码荔、鎂及其合金，硬質(zhì)合金感挥，纖維增強(qiáng)塑料缩搅，金屬基復(fù)合材料，木材復(fù)合材料等触幼。PCD刀具材料中金剛石晶粒平均尺寸不同硼瓣，對(duì)性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大置谦，其耐磨性越高堂鲤。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小媒峡，則刃口質(zhì)量越好瘟栖。選用晶粒尺寸為10～25μm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的硅鋁合金丝蹭，晶粒尺寸8～9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金疗刮。超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具蝌购。PCD的耐磨性在超過700℃時(shí)會(huì)減弱忿迷，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，會(huì)促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變铅阎。PCD有較好的斷裂韌性纫惰，可以進(jìn)行斷續(xù)切削，可以以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金歌饺。

　　可利用金剛石材料的高硬度瓢疤、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)實(shí)現(xiàn)有色金屬及耐磨非金屬材料的高精度愤凭、高效率窥窜、高穩(wěn)定性和高表面光潔度加工。在切削加工有色金屬時(shí)原俘，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十倍甚至幾百倍划烫，是目前鋁活塞精密加工的理想刀具。例如：精車活塞環(huán)槽竿刁、精鏜活塞銷孔黄锤、精車活塞外圓、精車活塞頂面等工序食拜。

　　2.4立方氮化硼

　　聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co鸵熟，Ni或TiC副编、TiN、Al203)在高溫高壓下加入催化劑燒結(jié)而成的流强。它具有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)痹届，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、比金剛石刀具高得多的熱穩(wěn)定性(達(dá)1400℃)和導(dǎo)熱性打月，低的摩擦系數(shù)短纵，但其強(qiáng)度較低。與金剛石相比僵控，PCBN的突出優(yōu)點(diǎn)是熱穩(wěn)定性高得多，可達(dá)1200℃(金剛石為700～800℃)鱼冀，可承受較高的切削速度报破；另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大，與鐵族金屬在1200～1300℃下也不起化學(xué)反應(yīng)柔睡，可用于加工鋼鐵烘梭。因此，PCBN刀具主要用于高效加工黑色難加工材料棺莱。

　　PCBN刀具除了具有以上的特點(diǎn)外螺子，還有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：①硬度高，特別適合于加工從前只能磨削的HRC50以上的淬硬鋼陕券、HRC35以上的耐熱合金和HRC30以下而其它刀具很難加工的灰口鑄鐵偏笋。②與硬質(zhì)合金刀具相比，切削速度高欧舒，可實(shí)現(xiàn)高速高效切削莱艺。③耐磨性好，刀具耐用度高(為硬質(zhì)合金刀具的10～100倍)阐拭，能獲得較好的工件表面質(zhì)量榄集，實(shí)現(xiàn)以車代磨。不足之處在于PCBN刀具的抗沖擊性能較硬質(zhì)合金差掺厦，因此苗率，使用時(shí)應(yīng)注意提高工藝系統(tǒng)的剛性，盡量避免沖擊切削聚谁。

　　PCBN可制成整體的刀片母剥，也可與硬質(zhì)合金結(jié)合制成復(fù)合刀片。PCBN復(fù)合刀片是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層0.5～1.0mm厚的PCBN垦巴，其性能兼有較好的韌性和較高的硬度及耐磨性媳搪。

　　PCBN的性能主要與CBN的粒度、CBN的含量及結(jié)合劑種類有關(guān)骤宣，按其組織大致可分為兩大類：一類是由CBN晶粒直接結(jié)合而成秦爆，CBN含量高(70%以上)序愚，硬度高，適用于耐熱合金等限、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的切削加工爸吮；另一類是以CBN晶粒為主體，通過陶瓷結(jié)合劑(主要有TiN望门、TiC形娇、TiCN、AlN筹误、Al203等)燒結(jié)而成桐早，這類PCBN中CBN含量低(70%以下)，硬度低坷顽，適用于切削加工淬硬鋼箕但。

　　2.5陶瓷

　　陶瓷刀具材料的主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　有很高的硬度與耐磨性，常溫硬度達(dá)91～95HRC喇喂；

　　有很高的耐熱性饰逝，在1200℃高溫下硬度為80HRC；而且高溫條件下抗彎強(qiáng)度雪奠、韌性降低極少文浆；

　　有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，陶瓷與金屬親和力小踪启，高溫抗氧化性能好升价，即使在熔化溫度下也不與鋼相互作用。因而刀具的粘結(jié)茧天、擴(kuò)散茶括、氧化磨損較少；

　　有較低的摩擦系數(shù)佃戈，切屑不易粘刀诅福，不易產(chǎn)生積屑瘤。

　　陶瓷刀的缺點(diǎn)是：

　　脆性大拖叙，強(qiáng)度與韌性低氓润，抗彎強(qiáng)度只有硬質(zhì)合金的1/2～1/5，因此使用時(shí)必須選擇合適的幾何參數(shù)與切削用量薯鳍；避免承受沖擊負(fù)荷咖气，以防崩刃與破損；此外挖滤，陶瓷刀導(dǎo)熱率低崩溪，僅為硬質(zhì)合金的1/2～1/5，熱膨脹系數(shù)卻比硬質(zhì)合金高10～30%，抗熱沖擊性較差伶唯。

　　目前觉既，陶瓷刀具還沒有應(yīng)用于鋁活塞加工過程中。

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