非金属工具材料有多少种？

陶瓷刀具是由特种陶瓷原料制成的，属于非金属材料。由于控制了原材料的纯度和粒度细化，加入了各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物来改善其性能，通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和几种增韧机制的协同作用来提高其断裂韧性。不仅抗弯强度提高到0.9~1.0GPa(高达1.3 ~ 1.5 GPA)，断裂韧性和抗冲击性也大大提高，应用范围日益扩大，从原来的航空航天等高科技领域扩展到工业陶瓷工具，近两年在民用陶瓷工具中得到广泛应用，不仅超过钢材，而且耐酸碱，不导电，对食物没有化学反应。是典型的绿色产品，可以在冷冻条件下切割肉类等食品，具有切好的水果不变色、切好的洋葱不眩光的特点。在工业上，既可用于一般精加工和半精加工，也可用于冲击载荷下的粗加工。它是国际公认的最有潜力的提高生产效率的工具。

陶瓷刀以氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2 _ 2)和氮化硅(Si3N4)为基体，具有工作效率高、使用寿命长、加工质量好的特点。过去，由于其抗弯强度低、脆性大，长期以来主要作为精加工工具使用，在各类工具材料中所占比例很小。但是近年来，目前陶瓷刀具能以200~1000m/min的高速加工钢、铸铁及其合金等材料，刀具寿命是硬质合金的几倍甚至几十倍。如德国Guhring公司推出的RT200系列整体式陶瓷钻头和陶瓷立铣刀，精切削速度为1000m/min。同时，它的出现改变了传统的工艺观念。车铣可以用陶瓷刀具直接代替磨削(或抛光)硬化零件，单道工序可以代替多道工序，大大缩短了工艺流程。在生产中，它不仅可以用于一般的车削、镗削和铣削，而且可以更成功地用于精密孔加工。不仅可用于普通机床，也可用于数控机床等高效设备。与金刚石、CBN(立方氮化硼)等超硬刀具相比，陶瓷的价格相对较低，因此有人认为:“随着现代陶瓷刀具材料性能的不断提高，它将与涂层硬质合金刀具、金刚石、CBN一起成为高速加工的三大主力刀具。”

两种常用的工具材料

常用的刀具材料有工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬刀具材料，目前最常用的是高速钢和硬质合金。表6-2显示了常用工具材料的品牌、性能和用途。

1)高速钢

高速钢是一种含有较多钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢，具有良好的综合性能。其强度和韧性是现有刀具材料中最高的。高速钢的制造工艺简单，很容易磨出锋利的刃口。锻造和热处理的变形量很小，在制造复杂工具时仍占主要地位，如麻花钻、丝锥、拉刀、齿轮工具和成形工具。

高速钢可分为普通高速钢和高性能高速钢。

普通高速钢，如W1J8c24v，广泛用于制造各种复杂刀具。其切割速度一般不会太高，切割普通钢材时为40-60m/min。

高性能高速钢，如W12Cr4V4Mo，是在普通高速钢中加入一定的碳含量、钒含量和钴制成的。

铝和其他元素被熔炼。其耐用度是普通高速钢的1.5-3倍。

粉末冶金高速钢是70年代投入市场的一种高速钢。其强度和韧性分别提高30%-40%和80%-90%，耐久性可提高2-3倍。目前我国还处于实验研究阶段，生产和使用的还很少。

2)硬质合金

按GB 2075-87(参照190标准)可分为P、M、k三类，P型硬质合金主要用于加工长切屑的黑色金属，以蓝色为符号。M类主要用于加工黑色金属和有色金属，用黄色标注，也称为通用硬质合金，K类主要用于加工有短切屑的黑色、有色和非金属材料，用红色标注。

p，m，k(后面的阿拉伯数字表示其性能和加工时的载荷或加工条件。数字越小，硬度越高，韧性越差。

P级相当于国内原装的钨钛钻，主要成分是WC-TiC-Co，代号YT。

k级相当于中国原装钨钻，主要成分是WC-Co，代号YG。

M类相当于我国原有的钨钛钽钴通用合金，主要成分是WC+TiC+TaC(NbC) Co，代号YW。

三层切刀简介。

涂层刀具是近20年来出现的一种新型刀具材料。它是刀具发展的重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨性、强韧性之间矛盾的有效措施。涂层刀具是在一些韧性好的硬质合金或高速钢刀具基体上涂覆一层高耐磨的难熔金属化合物而得到的。常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3。70年代初，在硬质合金基体上首次镀上一层碳化钛(TiC)后，普通硬质合金的切削速度从80m/min提高到180m。n .1976年再次出现碳化钛-氧化铝双涂层硬质合金，将切削速度提高到250 m/min。1981年，碳化钛-氧化铝-氮化钴三层硬质合金再次出现，切削速度提高到300 m/iijn。

高速钢基体上的刀具涂层多为tin，通常采用物理气相沉积法(PVD)涂覆。它通常用在复杂的刀具上，如钻头、丝锥、铣刀和滚刀。涂层厚度为数微米，涂层硬度可达80HRC，与普通硬质合金硬度相当。耐用度可提高2-5倍，切削速度可提高20%-40%。

硬质合金涂层是在韧性好的硬质合金基体上涂覆一层厚度为几微米到十几微米的高耐磨难熔金属化合物。通常，使用化学气相沉积(CVD)。中国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金具有9um的涂层厚度和2500—4200HV的表面硬度。

目前，发达国家涂层刀具的研究和推广发展非常迅速。处于领先地位的瑞典在车削加工中使用了70%-80%的涂层硬质合金刀片，在铣削加工中使用了50%以上。但涂层刀具不适合加工高温合金、钛合金和非金属材料，也不适合粗加工有夹砂和硬皮的锻造铸件。

四菱形刀具

金刚石工具分为天然金刚石和人造金刚石工具。天然钻石在天然物质中硬度和导热系数C最高，但由于其价格较高，加工和焊接难度很大，除了少数特殊用途(如钟表精密零件、灯饰、珠宝雕刻)外，在工业上很少用作切割工具。随着高技术和超精密加工的发展。比如微机械的微型零件，核反应堆等高科技领域的反射镜，导弹或火箭中的导航陀螺仪，计算机硬盘芯片，加速器电子枪等超精密零件都可以加工，单晶金刚石可以满足上述要求。近年来，各种磨削金刚石工具的化学机理和保护气氛钎焊技术的发展，使得天然金刚石工具的制造过程更加容易。因此，天然金刚石在超精密镜面切割这一高科技应用领域发挥着重要作用。

继20世纪50年代采用高温高压技术人工合成金刚石粉末后，20世纪70年代又制造出了金刚石基刀具聚晶金刚石(PCD)。PCD晶粒以不允许的顺序排列，没有方向性，所以硬度是均匀的。它具有高硬度和导热性以及低热膨胀系数。高弹性模量和低摩擦系数，刀刃非常锋利。可用于添加各种有色金属和高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维塑化材料、金属基复合材料、木质复合材料等。

三种主要金刚石工具材料——PCD、CVD厚膜和人造单晶金刚石的性能特点如下:PCD的可焊性、机械磨削性和断裂韧性最高，耐磨性和切削刃质量居中，耐腐蚀性最差。CVD厚膜的耐蚀性最好，机械磨削性中等，刃口质量、断裂韧性和耐磨性中等，可焊性差。人造单晶金刚石切削刃的质量、耐磨性和耐腐蚀性最好，可焊性、机械磨削性和断裂韧性最差。

金刚石刀具是高速(2500~5000m/min)切削铝合金的理想刀具材料，但由于碳与铁的亲和性，特别是在高温下，不适合切削铁及其合金工件。

五立方氮化硼

立方氮化硼(CBN)是一种纯合成材料。它是第二种超硬材料——CBN微粉，是在20世纪50年代末用类似于制造金刚石的方法合成的。由于CBN的烧结性能较差，直到20世纪70年代才制成立方氮化硼团聚体(多晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN细粉和少量粘结相(Co、Ni或TiN、TiC或Al2O3)在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，具有较高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300，1500度)，优良的化学稳定剂(远优于金刚石)和导热性，较低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和力低，是高速切削黑色金属的理想刀具材料。