五金刀具行业：金属加工刀具的基本知识？

工业制造机加工领域，对于刀具的定义是：从被加工工件上去除材料的工具。广义上，刀具是指具有切削、切割、抛磨等去除、割离材料功能的所有工具；狭义上，刀具一般指切削工具。

由于刀具的主要作用是去除材料，所以刀具材料的硬度必须高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度应在HRC60以上，目前市场上主流刀具的基体材质和硬度（从低到高排序）如下：合金钢（HRC 65）；高速钢（HRC 63~70）；硬质合金（HRA 89~93）；陶瓷，如TiCN基金属陶瓷（HRA 91~94）；聚晶立方氮化硼PCBN（HV4000）；聚晶金刚石PCD（HV7500）。其中，硬质合金是目前主流刀具材料。硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮)化钛(TiC(N))基硬质合金。碳化钨基硬质合金包括钨钴(WC-Co)类(YG)、钨钴钛(WC-TiC-Co)类(YT)、添加其它稀有碳化物(WC-TaC/NbC-Co)类(YW)三类，其主要成分为碳化钨(WC)、另外可添加碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)、碳化铌(NbC)等，常用的金属粘接相是Co。碳(氮)化钛基硬质合金是以碳化钛TiC为主要成分(有些加入了其他碳化物或氮化物)的硬质合金，常用的金属粘接相是钼Mo和镍Ni。

国标对于硬质合金刀具的被加工对象，按刀具适用的工件材质分类代号主要有P、M、K、N、S、H六类，具体解释如下：

P类：泛指钢件，含碳钢、合金钢、铸钢，包含0.25-0.25%C淬火和调质碳钢，易切钢（含退火与淬火调质），低碳合金钢（合金元素少于5%的范围），高碳合金钢、铸钢及工具钢（含退火及淬火调质系列）。

M类：泛指不锈钢、铸钢，不锈钢采用铁素体/马氏体，铸钢采用马氏体、奥氏体。

K类：泛指铸铁，有铁素体，珠光体的灰口铸铁，球墨铸铁，珠光体、铁素体可锻造铸铁。

N类：泛指非铁类有色金属铝、镁、铜及其合金，未固化铝，精练铝合金，铸造铝合金，铜及铜合金，紫铜，黄铜，电解铜类。

S类：泛指耐热合金等难加工材料，含耐热不锈钢，镍基、铁基、钴基高温合金或称超级合金；钛基，钛合金类，其它含有钨、钼、铼、锆、铪、钒、镍、钴、钛等稀有难熔元素的合金或难加工材料。

H类：泛指硬材，含淬硬硬化钢，铸造冷硬铸铁，淬硬铸铁等。

那么刀具材料与被加工材料该怎样匹配?怎样根据工件材质和切削条件准确选择刀具材料?我们可以从以下三个方面的评估和判断入手，来选择匹配刀具材料和工件材料：力学性能、物理性能、化学性能。

一、刀具材料与工件材料的力学性能匹配

力学性能主要指的是刀具和工件的强度、韧性及硬度等参数。各种刀具材料按照抗弯强度由强到弱的顺序排列，依次为：高速钢>硬质合金>陶瓷刀具>金刚石和立方氮化硼刀具；按照韧性从高到低顺序排列，依次为高速钢>硬质合金>立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具；按照硬度由高到低顺序排列，依次为金刚石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬质合金>高速钢。

由于力学性能存在差异，刀具才能适应各种不同工件材料的加工需求。刀具的硬度必须要高于它要加工的工件硬度，因此高硬度的工件材料，必须要用更高硬度的刀具才能进行加工。通常，刀具材料的硬度越高，其耐磨性也就越好，但是强度和韧性一般不会与硬度（即耐磨性）同时表现高优，就如鱼和熊掌不可兼得的关系。高强度和高韧性的刀具，硬度（耐磨性）通常较低，一般被安排用于粗加工和半精加工，如高速钢和钴含量高的硬质合金刀具；而高硬度（高耐磨性）的刀具，强度和韧性相对较低，一般被用于精加工和高精密加工，如低钴含量硬质合金、立方氮化硼、金刚石和陶瓷刀具。

另外，同时在强度、韧性、硬度方面表现都优秀，具备强大综合高温力学性能的刀具，特别是近几年来，刀具业界科研人员创新性地在硬质合金材料中添加了超级合金（也叫高温合金）中的关键耐高温组元，不仅具有超强抗塑性变形能力，超强的抗冲击性能，还兼具更高红硬性的超级硬质合金材质刀具，是M类（不锈钢：不锈钢、铸钢）和S类（难加工材料：高速钢、特殊合金钢、耐热不锈钢、高温合金、难熔合金）工件粗、半精、精加工的首选，其切削质量和使用寿命可比普通硬质合金刀具提高一倍以上。

而具有优良的高温力学性能（特指红硬性），在高速切削下有很好的红硬性和抗月牙洼磨损能力的刀具，则是高速切削的绝佳之选，如TiCN基金属陶瓷刀具就具有上述优点，能够以很高的速度进行切削，其允许的切削速度可以比硬质合金刀具高2到10倍，适合P、M、K类（钢、不锈钢、铸铁）材质工件的高速精加工、半精加工。

二、刀具材料与工件的物理性能匹配

里所说的物理性能主要是指材料的弹性模量、熔点、导热性、导热系数、热膨胀系数、抗热冲击性能等参数。刀具的导热性应该跟工件形成互补，当加工导热性不好的工件时，一定要使用强导热性的刀具，这样才能将切削热及时地导出，维持刀具和工件的尺寸精度。各种刀具材料按照耐热性由高到低的顺序排列，依次为：立方氮化硼>陶瓷>碳化钛基硬质合金>碳化钨基硬质合金>金刚石和高速钢；按照导热性由高到低的顺序排列，依次为：聚晶金刚石PCD>聚晶立方氮化硼PCBN>碳化钨基硬质合金>碳化钛基硬质合金>高速钢>氮化硅基陶瓷和氧化铝基陶瓷；按照热膨胀系数由大到小的顺序排列，依次为：高速钢>碳化钨基硬质合金>碳化钛基硬质合金>氧化铝基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>氮化硅基陶瓷和聚晶金刚石PCD；按照抗热震性由强到弱的顺序排列，依次为：高速钢>碳化钨基硬质合金>氮化硅基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>聚晶金刚石PCD>碳化钛基硬质合金和氧化铝基陶瓷。

三、刀具材料与工件的化学性能匹配

学性能匹配包括刀具与工件是否具有化学亲和性，能否发生化学反应、扩散、粘黏和溶解等现象。如果发生了这些现象，说明刀具材料与工件材料不匹配。

各种刀具材料按照与钢的抗粘接温度由高到低的顺序排列，依次为：聚晶金刚石PCD>聚晶立方氮化硼PCBN>陶瓷>硬质合金>高速钢；按照抗氧化温度由高到低的顺序排列依次为：陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>硬质合金>聚晶金刚石PCD>高速钢；按照对钢铁的扩散强度由大到小的顺序排列，依次为：聚晶金刚石PCD>氮化硅基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN和氧化铝基陶瓷；按照对钛扩散强度由大到小的顺序排列，依次为：氧化铝基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>氮化硅基陶瓷和金刚石PCD。

具体选择匹配刀具材质和被加工材质，有几条黄金法则非常管用:

第一条：通常刀具材料的硬度必须高于工件材料硬度。所谓一物降一物，刀具硬度比工件高，才能降得住伏地魔。

第二条：刀具材料的导热性应该跟工件形成互补。当加工导热性不好的工件时，一定要使用强导热性的刀具。例如金刚石的导热系数为硬质合金的1.5~9倍，铜的2~6倍，由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故刀具切削部分温度低，适合加工非铁金属、木工木质、硬质合金、陶瓷、石材、玻璃纤维、硬质橡胶、塑料、石墨等。

第三条：刀具材料的热膨胀系数和加工精度成反比例匹配关系。例如金刚石的热膨胀系数相对最小，约为高速钢的1/10，因此金刚石刀具不会产生很大的热变形，对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说非常适合。

第四条：导热性和耐热性皆优良的刀具材料，更适合高速切削低导热性及高硬度工件材料。其原因是切削热易使刀尖发生热破损和磨损，如刀具导热性和耐热性不好，会降低工件加工表面质量和尺寸精度，也会降低刀具加工效率和使用寿命。

最后透露一下当前选用刀具的热门方向：根据以上分析判断准则，不难看出，碳化钨基硬质合金作为占据现有刀具市场高达七成的主流材料，其各类性能指标的综合性优势、平衡能力及出色的性价比是所有材料中表现最突出的。尤值一提的是，目前市场上硬质合金材料往高强度、高硬度、高温化三大方向协同发展的趋势十分明显，基于这个发展目标，硬质合金材料圈已逐渐形成两大技术派别：一是碳化物硬质相往超细、纳米晶粒方向，如超细晶粒硬质合金、纳米硬质合金；二是钴粘接相往添加超级合金中的高温组元微量元素，不断优化和改良高温强度韧性的方向，如由湖南铼因集团旗下子公司，株洲铼因材料技术有限公司发起和主导开发的铼因精工“超级硬质合金”系列产品。从各厂家生产技术实践反馈信息来看，后者技术派别（超级硬质合金派）具有研发成本低、生产工艺成本较低、操作方便、材质性能提升明显、经济性佳等综合优势，是切削加工S类难加工材料和M类不锈钢材料的刀具材料不二首选。

铼因精工专注切削、切割、抛磨、冲压用工模具材料。铼因精工是铼因材料旗下子品牌，专门针对不锈钢、特殊钢、高温合金、钛合金、难熔金属、特种合金，以及陶瓷、石墨等难加工材料，提供高性能、长寿命、高精密，用于切削、切割、抛磨、冲压等机加工序的工模具产品。铼因精工创新研发超级硬质合金、金属陶瓷、超硬材、粉末冶金高速钢等新材特材，产品涵盖超级硬质合金切削刀具，超级硬质合金模具材料，超级硬质合金非标异形件，高性能切割工具材料，粉末冶金高速钢/特殊钢材料与制品，其它新型金属陶瓷材料与制品。铼因精工专为航空航天、新能源、汽车、3C等行业提供能替代传统、大幅提升加工效率的工模具材料及产品配套。