切削過程中，刀具的切削部分要承受很大的壓力、摩擦、沖擊和很高的溫度，因此，選用的材料必須具備以下性能：刀具材料的硬度必須高于工件材料的硬度，常溫下的硬度應(yīng)在60 HRC以上；要有良好的耐磨性，即抵抗磨損的能力；要有足夠的強(qiáng)度和韌性，以承受切削力和切削時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊；要有良好的耐熱性，即在高溫時(shí)仍能保持硬度、強(qiáng)度和耐磨等性能；要有良好的工藝性能，如可切削性能、可磨削性能、可焊接性能及熱處理性能等，以便于刀具本身的制造。
圖5.1.8 銑刀和車刀的對比
刀具材料的種類很多，有碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石和立方氮化硼等，各類刀具材料的基本性能見表5.1.1。目前在切削加工中使用最多的刀具材料是高速鋼和硬質(zhì)合金。
表5.1.1 刀具材料的基本性能
續(xù)表
注：維氏硬度HV的試驗(yàn)原理和布氏硬度HB基本相同，其壓頭用錐面夾角為136°的金剛石四方角錐體，在載荷F（一般選用5～100 kgf）的作用下，將試樣表面上壓出一個(gè)正方形的壓痕。先計(jì)算出壓痕的面積A V，再根據(jù)公式HV= F／A V，即可求出維氏硬度值HV。
（1）高速鋼
高速鋼俗稱鋒鋼、白鋼，是以鎢、鉻、釩、鉬為主要合金元素的高合金鋼。高速鋼淬火后的硬度可達(dá)62～67 HRC，與碳素工具鋼相比，耐熱性有較大地提高，在550～600℃時(shí)仍能進(jìn)行切削。1900年高速鋼的出現(xiàn)使切削速度大幅度提高，高速鋼由此而得名，并被沿用至今。由于高速鋼的抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性比硬質(zhì)合金高，并且具有良好的鑄造、鍛造、焊接、熱處理和切削加工工藝性能以及良好的磨削工藝性能，因此目前在復(fù)雜刀具的應(yīng)用中，高速鋼仍占主要地位。它多用來制造鉆頭、絲錐、銑刀、拉刀、齒輪刀具等，其允許切削速度一般為v＜30 m／min。常用的高速鋼牌號為W18Cr4V（鎢系高速鋼）和W6Mo5Cr4V2（鉬系高速鋼）。
在高速鋼中加入一些其他合金元素（如鈷、釩、鋁等）以進(jìn)一步提高其耐磨性和耐熱性，稱之為高性能高速鋼。W2Mo9Cr4VCo8（鈷高速鋼）和W6Mo5Cr4V2Al（鋁高速鋼）是兩種常用的高性能高速鋼。這類高速鋼主要用于加工高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、高強(qiáng)度鋼等難加工材料。
（2）硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金是用具有高耐磨性和高耐熱性的WC（碳化鎢）、TiC（碳化鈦）等金屬碳化物，以Co（鈷）做黏結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金工藝制成的。常用硬質(zhì)合金的硬度為89～93 HRA（相當(dāng)于74～82 HRC），能耐800～1 000℃的高溫。硬質(zhì)合金刀具的切速比高速鋼可高4～10倍，但其抗彎強(qiáng)度低，耐沖擊性能差。由于硬質(zhì)合金不能用金屬刀具進(jìn)行切削加工，只能采用壓制、燒結(jié)的辦法制成各種形狀的刀片焊接或夾固在刀體上使用。常用的硬質(zhì)合金有鎢鈷類、鎢鈷鈦類和通用硬質(zhì)合金等，其牌號、成分、機(jī)械性能及用途見表5.1.2。在以WC為基體的硬質(zhì)合金中加入TiC可以提高硬質(zhì)合金的硬度、耐熱性和耐磨性，加入TaC（碳化鉭）或NbC（碳化鈮）后，不僅提高了耐磨性和抗彎強(qiáng)度，而且提高了韌性。
表5.1.2 常用硬質(zhì)合金的牌號、成分、力學(xué)性能及用途
注：Y—硬質(zhì)合金；G—鈷，其后數(shù)字表示含鈷量；X—細(xì)晶粒合金；T—碳化鈦，其后數(shù)字表示含TiC量；W—通用合金。
為改善硬質(zhì)合金的性能，近年來又研制出了一些新型硬質(zhì)合金，簡介如下：
1）超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金
普通硬質(zhì)合金中WC晶粒尺寸為幾微米，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金（如YG3X，YG6X）中WC晶粒的平均尺寸在1.5μm左右，而超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金中WC晶粒的平均尺寸在0.5μm以下，硬質(zhì)合金晶粒的尺寸越小，其硬度、耐磨性和韌性越高。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金用于加工耐熱合金、高強(qiáng)度合金等難加工材料。
2）碳化鈦基硬質(zhì)合金
碳化鈦基硬質(zhì)合金以TiC為主要成分，用Ni和Mo為黏結(jié)劑，其牌號用YN及數(shù)字表示。這種合金的優(yōu)點(diǎn)是硬度高，具有較好的耐磨性、耐熱性和抗氧化能力，切削速度可達(dá)300～400 m／min。YN05用于低碳鋼、中碳鋼、鑄鋼和合金鑄鐵的精加工；YN10用于碳鋼、合金鋼、工具鋼及淬硬鋼的連續(xù)表面的精加工。
3）表面涂層硬質(zhì)合金
表面涂層硬質(zhì)合金是在韌性較好的鎢鈷類硬質(zhì)合金的基體表面涂覆厚5～10μm的一層硬度和耐磨性很高的TiC或TiN，以解決刀具的硬度、耐磨性與強(qiáng)度、韌性之間的矛盾。因?yàn)橥繉訕O薄，只用于制作車削和端面銑削用的不重磨刀片。
工件材料的發(fā)展促進(jìn)了刀具材料的發(fā)展，很多新的鋼種及航天工業(yè)中使用的特種難加工材料要求提供切削性能更好的刀具材料；同時(shí)，刀具材料的發(fā)展使新材料的切削加工成為可能，又促進(jìn)了新材料的應(yīng)用與發(fā)展。各類刀具材料的性能差別很大，但任何一種刀具材料都難以具備所有的最佳性能。硬度高、耐磨性和耐熱性好的刀具材料往往韌性和工藝性能較差，并且各類刀具材料的成本與價(jià)格也有很大的差別。因此，應(yīng)根據(jù)切削加工的實(shí)際情況綜合分析，合理地選用刀具材料。
