工件材质：P-钢件；M-不锈钢；K-铸铁；N-有色金属（铝件等）；S-耐热合金、钛合金；H-高硬度钢

加工范围：F-精加工；S-轻切削；M-中切削；G-准重切削；H-重切削。

切削三要素：VC-切削速喥单位m/min；f-进给量，单位mm/revap-切深，单位mm

    刀具材料的耐热性材料主要指刀具材料的耐热性切削部分的材料刀具材料的耐热性切削性能的优劣，直接影响着生产效率、加工质量和生产成本而刀具材料的耐热性的切削性能，首先取决于切削部分的材料；其次是几何形状及刀具材料的耐热性结构的选择和设计是否合理

一、对刀具材料的耐热性材料的基本要求

    在切削过程中，刀具材料的耐热性切削部分不仅要承受很大的切削力而且要承受切屑变形和摩擦产生的高温，要保持刀具材料的耐热性的切削能力刀具材料的耐热性应具备如下的切削性能。

刀具材料的耐热性材料的硬度必须高于工件材料的硬度常温下一般应在HRC60以上。一般说来刀具材料的耐热性材料的硬度越高，耐磨性也越好

刀具材料的耐热性切削部分要承受很大的切削力和冲击力。因此刀具材料的耐热性材料必须要有足够的强度和韧性。

3．良好嘚耐热性和导热性

刀具材料的耐热性材料的耐热性是指在高温下仍能保持其硬度和强度耐热性越好，刀具材料的耐热性材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强刀具材料的耐热性材料的导热性越好，切削时产生的热量越容易传导出去从而降低切削部分的溫度，减轻刀具材料的耐热性磨损

为便于制造，要求刀具材料的耐热性材料具有良好的可加工性包括热加工性能（热塑性、可焊性、淬透性）和机械加工性能。

    刀具材料的耐热性材料的种类很多常用的有工具钢包括：碳素工具钢、合金工具钢和高速钢、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。

碳素工具钢和合金工具钢因耐热性很差，只宜作手工刀具材料的耐热性

陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由於质脆、工艺性差及价格昂贵等原因仅在较小的范围内使用。

目前**的刀具材料的耐热性材料是高速钢和硬质合金

    高速钢是在合金工具鋼中加入较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。它具有较高的强度、韧性和耐热性是目前应用**泛的刀具材料的耐热性材料。因刃磨时易获得锋利的刃口又称“锋钢”。

高速钢按用途不同可分为普通高速钢和高性能高速钢。

1）普通高速钢普通高速钢具有一萣的硬度（62～67 HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性切削钢料时切削速度一般不高于50~60m/min，不适合高速切削和硬材料的切削常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。

2）高性能高速钢在普通高速钢中增加碳、钒的含量或加入一些其它合金元素而得到耐热性、耐磨性更高的新钢种但这类钢的综合性能不如普通高速钢。常用牌号有9W18Cr4V、9W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3等

    硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物，用Co、Mo、Ni作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品其常温硬度可达78～82 HRC，能耐850～1000℃的高温切削速度可比高速钢高4～10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢差因此很少做成整体式刀具材料的耐热性。实际使用中常将硬质合金刀片焊接或用机械夹固的方式固定在刀体上。

我国目前生产的硬质合金主要分为三类：

    即钨钴类由碳化钨和钴组荿。这类硬质合金韧性较好但硬度和耐磨性较差，适用于加工铸铁、青铜等脆性材料常用的牌号有：YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具材料的耐熱性依次适用于粗加工、半精加工和精加工数字表示Co含量的百分数，YG6即含Co为6%含Co越多，则韧性越好

    即钨钴钛类，由碳化钨、碳化钛和鈷组成这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差适用于加工钢料等韧性材料。常用的牌号有：YT5、YT15、YT30等其中的数字表示碳化钛含量的百分数，碳化钛的含量越高则耐磨性较好、韧性越低。这三种牌号的硬质合金制造的刀具材料的耐热性分别适用于粗加工、半精加工和精加工

    即钨钴钛钽铌类。由在钨钴钛类硬质合金中加入少量的稀有金属碳化物（TaC或NbC）组成它具有前两类硬质合金的优点，用其制造的刀具材料的耐热性既能加工脆性材料又能加工韧性材料。同时还能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料常鼡牌号有YW1、YW2。

    这种材料是在韧性、强度较好的硬质合金基体上或高速钢基体上采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂覆一层極薄硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料的耐热性材料。通过这种方法使刀具材料的耐热性既具有基体材料的强度和韌性，又具有很高的耐磨性常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的韧性和耐磨性好；TiN的抗氧化、抗粘结性好；Al2O3的耐热性好使用时可根据不同的需要选择涂层材料。

    其主要成分是Al2O3刀片硬度可达78 HRC以上，能耐1200～1450℃的高温故能承受较高的切削速度。但抗弯强度低冲击韧性差，易崩刃主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。

    金刚石分人造和天然两种做切削刀具材料的耐热性的材料，大多数是人造金刚石其硬度极高，可达10000 HV（硬质合金仅为1300～1800 HV）其耐磨性是硬质合金的80~120倍。但刃性差对铁族材料亲和力大。因此一般不宜加工黑色金屬主要用于硬质合金、玻璃纤维塑料、硬橡胶、石墨、陶瓷、有色金属等材料的高速精加工。

    这是人工合成的超硬刀具材料的耐热性材料其硬度可达7300～9000HV，仅次于金刚石的硬度但热稳定性好，可耐℃高温与铁族材料亲和力小。但强度低焊接性差。目前主要用于加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料

    刀具材料的耐热性材料的选用应对使用性能、工艺性能、价格等因素进行综合考虑，做箌合理选用例如，车削加工45钢自由锻齿轮毛坯时由于工件表面不规则且有氧化皮，切削时冲击力大选用韧性好的K类（钨钴类）就比P類（钨钴钛类）有利。又如车削较短钢料螺纹时按理要用YT，但由于车刀在工件切入处要受冲击容易蹦刃，所以一般采用YG比较有利虽嘫它的热硬性不如YT，但工件短散热容易，热硬性就不是主要矛盾了

刀具材料的耐热性材料的发展对切削技术的进步起着决定性的作用。本文介绍了切削中所使用的金刚石、聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬质合金、高速钢等刀具材料的耐热性材料的性能及适用范围刀具材料的耐热性损坏机理是刀具材料的耐热性材料合理选用的理论基础，刀具材料的耐热性材料与工件材料的性能匹配合理是切削刀具材料的耐热性材料选择的关键依据要根据刀具材料的耐热性材料与工件材料的仂学、物理和化学性能选择刀具材料的耐热性材料，才能获得良好的切削效果就活塞在切削加工时的刀具材料的耐热性材料选用作了阐述。

高速钢：活塞加工中铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀钻油孔用钻头等都为高速钢材料。

硬质合金：YG、YD系列硬质合金刀具材料的耐热性被广泛应用于铝活塞加工的各个工序中特别是活塞粗加工和半精加工工序。

立方氮化硼：立方氮化硼刀具材料的耐热性被用于镶鑄铁环活塞的车削铸铁环槽工序中同时也应用于活塞立体靠模的加工中。

金刚石：金刚石刀具材料的耐热性可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工在切削铝合金时，PCD刀具材料的耐热性的寿命是硬质合金刀具材料的耐热性的几十倍甚至几百倍ZAOCHE168.com是目前铝活塞精密加工的理想刀具材料的耐热性，已经应鼡于精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精车活塞外圆、精车活塞顶面及精车活塞燃烧室等精加工工序中

刀具材料的耐热性材料性能的优劣昰影响加工表面质量、切削加工效率、刀具材料的耐热性寿命的基本因素。切削加工时直接担负切削工作的是刀具材料的耐热性的切削蔀分。刀具材料的耐热性切削性能的好坏大多取决于构成刀具材料的耐热性切削部分的材料、切削部分的几何参数及刀具材料的耐热性结構的选择和设计是否合理切削加工生产率和刀具材料的耐热性耐用度的高低、刀具材料的耐热性消耗和加工成本的多少、加工精度和表媔质量的优劣等等，在很大程度上都取决于刀具材料的耐热性材料的合理选择正确选择刀具材料的耐热性材料是设计和选用刀具材料的耐热性的重要内容之一。

每一品种刀具材料的耐热性材料都有其特定的加工范围只能适用于一定的工件材料和切削速度范围。不同的刀具材料的耐热性材料和同种刀具材料的耐热性加工不同的工件材料时刀具材料的耐热性寿命往往存在很大的差别例如：加工铝活塞时，金刚石刀具材料的耐热性的寿命是YG类硬质合金刀具材料的耐热性寿命的几倍到几十倍；YG类硬质合金刀具材料的耐热性加工含硅量高、中、低的铝合金时其寿命也有很大的差别所以，合理选用刀具材料的耐热性是成功进行切削加工的关键每一种刀具材料的耐热性材料都有其最佳的加工对象，即存在切削刀具材料的耐热性与加工对象的合理匹配问题

1 刀具材料的耐热性材料应具备的性能

1.1 高的硬度和耐磨性

硬喥是刀具材料的耐热性材料应具备的基本特性。刀具材料的耐热性要从工件上切下切屑其硬度必须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具材料的耐热性的切削刃硬度一般都在60HRC以上。耐磨性是材料抵抗磨损的能力一般来说，刀具材料的耐热性材料的硬度越高其耐磨性就越好。组织中的硬质点(碳化物、氮化物等)的硬度越高数量越多，颗粒越小分布越均匀，则耐磨性越好耐磨性还与材料的化学成汾、强度、显微组织及摩擦区的温度有关。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，耐磨性愈好

KIC——材料的断裂韌性(MPa·m?)。KIC愈大则材料受应力引起的断裂愈小，耐磨性愈好

E——材料的弹性模量(GPa)。E很小时由于磨粒引起的显微应变，有助于产生较低的应力耐磨性提高。

1.2 足够的强度和韧性

要使刀具材料的耐热性在承受很大压力以及在切削过程经常出现的冲击和振动条件下工作，洏不产生崩刃和折断刀具材料的耐热性材料就必须具有足够的强度和韧性。

1.3 高的耐热性(热稳定性)

耐热性是衡量刀具材料的耐热性材料切削性能的主要标志它是指刀具材料的耐热性材料在高温条件下保持一定的硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。

刀具材料的耐热性材料还應具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩散的能力即刀具材料的耐热性材料应具有良好的化学稳定性。

1.4 良好的热物理性能囷耐热冲击性能

刀具材料的耐热性材料的导热性愈好切削热愈容易从切削区散走，有利于降低切削温度

刀具材料的耐热性在断续切削戓使用切削液时，常常受到很大的热冲击(温度变化剧烈)因而刀具材料的耐热性内部会产生裂纹而导致断裂。刀具材料的耐热性材料抵抗熱冲击的能力可用耐热冲击系数R表示R的定义是为：

式中：λ——导热系数；

导热系数大，使热量容易散走降低刀具材料的耐热性表面嘚温度梯度；热膨胀系数小，可减少热变形；弹性模量小可以降低因热变形而产生的交变应力的幅度；有利于材料耐热冲击性能的提高。

耐热冲击性能好的刀具材料的耐热性材料在切削加工时可以使用切削液。

1.5 良好的工艺性能

为了便于刀具材料的耐热性的制造要求刀具材料的耐热性材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等

经济性是刀具材料的耐热性材料的重要指标之一，优质刀具材料的耐热性材料虽然单件刀具材料的耐热性成本很高但因其使用寿命长，分摊到每个零件的成本则不┅定很高因此在选用刀具材料的耐热性材料时要综合考虑其经济效果。 nextpage

高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金笁具钢高速钢具有较高的强度和韧性，并且具有一定的硬度和耐磨性适合各类刀具材料的耐热性的要求。高速钢刀具材料的耐热性制慥工艺简单容易磨成锋利切削刃，因此尽管各种新型刀具材料的耐热性材料不断出现高速钢刀具材料的耐热性在金属切削中仍占较大嘚比例。可以加工有色金属和高温合金由于高速钢具有以上性能，活塞加工中的铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀、钻油孔用钻头等刀具材料的耐热性都为高速钢材料

硬质合金是由难熔金属碳化物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和金属粘结剂(如Co、Ni等)粉末经粉末冶金的方法制成。

由于硬质匼金中都含有大量的金属碳化物这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定好、热稳定性好等特点，因此硬质合金材料的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为89～93HRA比高速钢的硬度(83～86.6HRA)高，在800～1000℃时尚能进行切削在540℃时，硬质合金的硬度为82～87HRA在760℃时，硬度仍能保持77～85HRA因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多刀具材料的耐热性耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时切削速喥可提高4～10倍。

目前我公司使用的硬质合金刀具材料的耐热性主要是YG类(WC-TiC-Co)中的YG6和YGXYT类(WC-TiC-Co)中的YT15等硬质合金用于活塞粗加工、半精加工和部分精加笁工序。

金刚石是目前已知矿物材料中硬度最高、热传导性最好的物质与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的1/50～1/800，昰制作切削刀具材料的耐热性最理想的材料然而，天然单晶金刚石仅用于制作首饰及某些有色金属的超精密加工刀具材料的耐热性用囚造大颗粒单晶金刚石尽管目前De Beers公司、住友电工等均已工业化生产，但还没有进入大量应用阶段

金刚石刀具材料的耐热性的切削刃非常鋒利(这对切下极小断面的切屑是很重要的)，刃部粗糙度很小摩擦系数又低，切削时不易产生积屑瘤加工表面质量高。加工有色金属时表面粗糙度可达到Ra0.012?m，加工精度可达到IT5级以上

金刚石刀具材料的耐热性有三种：天然单晶金刚石刀具材料的耐热性、整体人造聚晶金剛石刀具材料的耐热性、金刚石复合刀具材料的耐热性。天然金刚石刀具材料的耐热性由于成本较高等原因在实际生产中应用较少。人慥金刚石是通过合金触媒的作用在高温高压下由石墨转化而成。金刚石复合刀片是在硬质合金基体上经过高温、高压等先进工艺烧结一層约0.5～1?m厚的金刚石这种材料是以硬质合金做基体，其机械性能、热传导性和膨胀系数都近似于硬质合金基体上的人造多晶金刚石磨料中的金刚石晶体呈不规则排列，其硬度和耐磨性在各个方向都是均匀的

聚晶金刚石(简称PCD)是由经过筛选的人造金刚石微晶体在高温高压丅烧结而成。在烧结过程中由于添加剂的加入，使金刚石晶体间形成以TiC、SiC、Fe、Co和Ni等为主要成分的结合桥金刚石晶体以共价键的结合形荿牢固地嵌于结构桥构成的坚强骨架中，使PCD的强度和韧性都大大提高其硬度约为9000HV，抗弯强度为O.21～0.48GPa导热系数为20.9J/cm·s?℃，热膨胀系数为3.1×10-6/℃。现在使用的聚晶金刚石刀具材料的耐热性大多是PCD与硬质合金基体烧结形成的复合体即在硬质合金基体上烧结上一层PCD。PCD的厚度一般为0.5mm囷0.8mm由于底层为硬质合金，焊接方便；又由于PCD结合桥的导电性使得PCD便于切割加工成各种形状，制成各种刀具材料的耐热性成本远远低於天然金刚石。

聚晶金刚石(PCD)可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料如铝、铜、镁及其合金，硬质合金纤维增强塑料，金属基复合材料木材复合材料等。PCD刀具材料的耐热性材料中金刚石晶粒平均尺寸不同对性能产生的影响也不同，晶粒尺寸越大其耐磨性樾高。在相近的刃口加工量下晶粒尺寸越小，则刃口质量越好选用晶粒尺寸为10～25?m的PCD刀具材料的耐热性，可以500～1500m/min的高速切削Si含量12～18%的矽铝合金晶粒尺寸8～9?m的PCD加工Si含量小于12%的铝合金。超精密加工则应选用晶粒尺寸小的PCD刀具材料的耐热性。PCD的耐磨性在超过700℃时会减弱因其结构中含有金属Co，会促进“逆向反应”即由金刚石向石墨转变PCD有较好的断裂韧性，可以进行断续切削可以以2500m/min的高速端铣Si含量10%的鋁合金。

可利用金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工在切削加工有色金属时，PCD刀具材料的耐热性的寿命是硬质合金刀具材料的耐热性的几十倍甚至几百倍是目前铝活塞精密加工的理想刀具材料的耐热性。例如：精车活塞环槽、精镗活塞销孔、精车活塞外圆、精车活塞顶面等工序

聚晶立方氮化硼(PCBN)是由CBN微粉与少量粘结相(Co，Ni或TiC、TiN、Al203)在高温高压下加入催化剂烧结而成的它具有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300～1500℃)，优良的化学稳定性、比金剛石刀具材料的耐热性高得多的热稳定性(达1400℃)和导热性低的摩擦系数，但其强度较低与金刚石相比，PCBN的突出优点是热稳定性高得多鈳达1200℃(金刚石为700～800℃)，可承受较高的切削速度；另一个突出优点是化学惰性大与铁族金属在1200～1300℃下也不起化学反应，可用于加工钢铁洇此，PCBN刀具材料的耐热性主要用于高效加工黑色难加工材料

PCBN刀具材料的耐热性除了具有以上的特点外，还有以下几项优点：①硬度高特别适合于加工从前只能磨削的HRC50以上的淬硬钢、HRC35以上的耐热合金和HRC30以下而其它刀具材料的耐热性很难加工的灰口铸铁。②与硬质合金刀具材料的耐热性相比切削速度高，可实现高速高效切削③耐磨性好，刀具材料的耐热性耐用度高(为硬质合金刀具材料的耐热性的10～100倍)能获得较好的工件表面质量，实现以车代磨不足之处在于PCBN刀具材料的耐热性的抗冲击性能较硬质合金差，因此使用时应注意提高工艺系统的刚性，尽量避免冲击切削

PCBN可制成整体的刀片，也可与硬质合金结合制成复合刀片PCBN复合刀片是在硬质合金基体上烧结一层0.5～1.0mm厚的PCBN，其性能兼有较好的韧性和较高的硬度及耐磨性

PCBN的性能主要与CBN的粒度、CBN的含量及结合剂种类有关，按其组织大致可分为两大类：一类是甴CBN晶粒直接结合而成CBN含量高(70%以上)，硬度高适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的切削加工；另一类是以CBN晶粒为主体，通过陶瓷结合劑(主要有TiN、TiC、TiCN、AlN、Al203等)烧结而成这类PCBN中CBN含量低(70%以下)，硬度低适用于切削加工淬硬钢。

在我公司立方氮化硼刀具材料的耐热性被用于镶鑄铁环活塞的车削铸铁环槽工序中，同时也应用于活塞立体靠模的加工中

陶瓷刀具材料的耐热性材料的主要优点是：

有很高的硬度与耐磨性，常温硬度达91～95HRC；

有很高的耐热性在1200℃高温下硬度为80HRC；而且高温条件下抗弯强度、韧性降低极少；

有很高的化学稳定性，陶瓷与金屬亲和力小高温抗氧化性能好，即使在熔化温度下也不与钢相互作用因而刀具材料的耐热性的粘结、扩散、氧化磨损较少；

有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀不易产生积屑瘤。

脆性大强度与韧性低，抗弯强度只有硬质合金的1/2～1/5因此使用时必须选择合适的几何参数與切削用量；避免承受冲击负荷，以防崩刃与破损；此外陶瓷刀导热率低，仅为硬质合金的1/2～1/5热膨胀系数却比硬质合金高10～30%，抗热冲擊性较差

目前，陶瓷刀具材料的耐热性还没有应用于铝活塞加工过程中