工業制造機加工領域，對于刀具的定義是：從被加工工件上去除材料的工具。廣義上，刀具是指具有切削、切割、拋磨等去除、割離材料功能的所有工具；狹義上，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須高于工件材料的硬度。刀具材料最低硬度應在HRC60以上，目前市場上主流刀具的基體材質和硬度（從低到高排序）如下：合金鋼（HRC 65）；高速鋼（HRC 63~70）；硬質合金（HRA 89~93）；陶瓷，如TiCN基金屬陶瓷（HRA 91~94）；聚晶立方氮化硼PCBN（HV4000）；聚晶金剛石PCD（HV7500）。其中，硬質合金是目前主流刀具材料。硬質合金可分為碳化鎢基硬質合金和碳(氮)化鈦(TiC(N))基硬質合金。碳化鎢基硬質合金包括鎢鈷(WC-Co)類(YG)、鎢鈷鈦(WC-TiC-Co)類(YT)、添加其它稀有碳化物(WC-TaC/NbC-Co)類(YW)三類，其主要成分為碳化鎢(WC)、另外可添加碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)、碳化鈮(NbC)等，常用的金屬粘接相是Co。碳(氮)化鈦基硬質合金是以碳化鈦TiC為主要成分(有些加入了其他碳化物或氮化物)的硬質合金，常用的金屬粘接相是鉬Mo和鎳Ni。

國標對于硬質合金刀具的被加工對象，按刀具適用的工件材質分類代號主要有P、M、K、N、S、H六類，具體解釋如下：

P類：泛指鋼件，含碳鋼、合金鋼、鑄鋼，包含0.25-0.25%C淬火和調質碳鋼，易切鋼（含退火與淬火調質），低碳合金鋼（合金元素少于5%的范圍），高碳合金鋼、鑄鋼及工具鋼（含退火及淬火調質系列）。

M類：泛指不銹鋼、鑄鋼，不銹鋼采用鐵素體/馬氏體，鑄鋼采用馬氏體、奧氏體。

K類：泛指鑄鐵，有鐵素體，珠光體的灰口鑄鐵，球墨鑄鐵，珠光體、鐵素體可鍛造鑄鐵。

N類：泛指非鐵類有色金屬鋁、鎂、銅及其合金，未固化鋁，精練鋁合金，鑄造鋁合金，銅及銅合金，紫銅，黃銅，電解銅類。

S類：泛指耐熱合金等難加工材料，含耐熱不銹鋼，鎳基、鐵基、鈷基高溫合金或稱超級合金；鈦基，鈦合金類，其它含有鎢、鉬、錸、鋯、鉿、釩、鎳、鈷、鈦等稀有難熔元素的合金或難加工材料。

H類：泛指硬材，含淬硬硬化鋼，鑄造冷硬鑄鐵，淬硬鑄鐵等。

那么刀具材料與被加工材料該怎樣匹配?怎樣根據工件材質和切削條件準確選擇刀具材料?我們可以從以下三個方面的評估和判斷入手，來選擇匹配刀具材料和工件材料：力學性能、物理性能、化學性能。

 

 

圖：普通刀具材料與超硬刀具材料性能與用途對比

一、刀具材料與工件材料的力學性能匹配

力學性能主要指的是刀具和工件的強度、韌性及硬度等參數。各種刀具材料按照抗彎強度由強到弱的順序排列，依次為：高速鋼>硬質合金>陶瓷刀具>金剛石和立方氮化硼刀具；按照韌性從高到低順序排列，依次為高速鋼>硬質合金>立方氮化硼、金剛石和陶瓷刀具；按照硬度由高到低順序排列，依次為金剛石刀具>立方氮化硼刀具>陶瓷刀具>硬質合金>高速鋼。

由于力學性能存在差異，刀具才能適應各種不同工件材料的加工需求。刀具的硬度必須要高于它要加工的工件硬度，因此高硬度的工件材料，必須要用更高硬度的刀具才能進行加工。通常，刀具材料的硬度越高，其耐磨性也就越好，但是強度和韌性一般不會與硬度（即耐磨性）同時表現高優，就如魚和熊掌不可兼得的關系。高強度和高韌性的刀具，硬度（耐磨性）通常較低，一般被安排用于粗加工和半精加工，如高速鋼和鈷含量高的硬質合金刀具；而高硬度（高耐磨性）的刀具，強度和韌性相對較低，一般被用于精加工和高精密加工，如低鈷含量硬質合金、立方氮化硼、金剛石和陶瓷刀具。

 

圖：刀具材料硬度與韌性的關系

另外，同時在強度、韌性、硬度方面表現都優秀，具備強大綜合高溫力學性能的刀具，特別是近幾年來，刀具業界科研人員創新性地在硬質合金材料中添加了超級合金（也叫高溫合金）中的關鍵耐高溫組元，不僅具有超強抗塑性變形能力，超強的抗沖擊性能，還兼具更高紅硬性的超級硬質合金材質刀具，是M類（不銹鋼：不銹鋼、鑄鋼）和S類（難加工材料：高速鋼、特殊合金鋼、耐熱不銹鋼、高溫合金、難熔合金）工件粗、半精、精加工的常用刀具，其切削質量和使用壽命可比普通硬質合金刀具提高一倍以上。

而具有優良的高溫力學性能（特指紅硬性），在高速切削下有很好的紅硬性和抗月牙洼磨損能力的刀具，則是高速切削的絕佳之選，如TiCN基金屬陶瓷刀具就具有上述優點，能夠以很高的速度進行切削，其允許的切削速度可以比硬質合金刀具高2到10倍，適合P、M、K類（鋼、不銹鋼、鑄鐵）材質工件的高速精加工、半精加工。

二、刀具材料與工件的物理性能匹配

里所說的物理性能主要是指材料的彈性模量、熔點、導熱性、導熱系數、熱膨脹系數、抗熱沖擊性能等參數。刀具的導熱性應該跟工件形成互補，當加工導熱性不好的工件時，一定要使用強導熱性的刀具，這樣才能將切削熱及時地導出，維持刀具和工件的尺寸精度。各種刀具材料按照耐熱性由高到低的順序排列，依次為：立方氮化硼>陶瓷>碳化鈦基硬質合金>碳化鎢基硬質合金>金剛石和高速鋼；按照導熱性由高到低的順序排列，依次為：聚晶金剛石PCD>聚晶立方氮化硼PCBN>碳化鎢基硬質合金>碳化鈦基硬質合金>高速鋼>氮化硅基陶瓷和氧化鋁基陶瓷；按照熱膨脹系數由大到小的順序排列，依次為：高速鋼>碳化鎢基硬質合金>碳化鈦基硬質合金>氧化鋁基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>氮化硅基陶瓷和聚晶金剛石PCD；按照抗熱震性由強到弱的順序排列，依次為：高速鋼>碳化鎢基硬質合金>氮化硅基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>聚晶金剛石PCD>碳化鈦基硬質合金和氧化鋁基陶瓷。

三、刀具材料與工件的化學性能匹配

學性能匹配包括刀具與工件是否具有化學親和性，能否發生化學反應、擴散、粘黏和溶解等現象。如果發生了這些現象，說明刀具材料與工件材料不匹配。

各種刀具材料按照與鋼的抗粘接溫度由高到低的順序排列，依次為：聚晶金剛石PCD>聚晶立方氮化硼PCBN>陶瓷>硬質合金>高速鋼；按照抗氧化溫度由高到低的順序排列依次為：陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>硬質合金>聚晶金剛石PCD>高速鋼；按照對鋼鐵的擴散強度由大到小的順序排列，依次為：聚晶金剛石PCD>氮化硅基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN和氧化鋁基陶瓷；按照對鈦擴散強度由大到小的順序排列，依次為：氧化鋁基陶瓷>聚晶立方氮化硼PCBN>氮化硅基陶瓷和金剛石PCD。

圖：各類刀具材料的主要性能比較

具體選擇匹配刀具材質和被加工材質，有幾條黃金法則非常管用:

第一條：通常刀具材料的硬度必須高于工件材料硬度。所謂一物降一物，刀具硬度比工件高，才能降得住伏地魔。

第二條：刀具材料的導熱性應該跟工件形成互補。當加工導熱性不好的工件時，一定要使用強導熱性的刀具。例如金剛石的導熱系數為硬質合金的1.5~9倍，銅的2~6倍，由于導熱系數及熱擴散率高，切削熱容易散出，故刀具切削部分溫度低，適合加工非鐵金屬、木工木質、硬質合金、陶瓷、石材、玻璃纖維、硬質橡膠、塑料、石墨等。

第三條：刀具材料的熱膨脹系數和加工精度成反比例匹配關系。例如金剛石的熱膨脹系數相對最小，約為高速鋼的1/10，因此金剛石刀具不會產生很大的熱變形，對尺寸精度要求很高的精密加工刀具來說非常適合。

第四條：導熱性和耐熱性皆優良的刀具材料，更適合高速切削低導熱性及高硬度工件材料。其原因是切削熱易使刀尖發生熱破損和磨損，如刀具導熱性和耐熱性不好，會降低工件加工表面質量和尺寸精度，也會降低刀具加工效率和使用壽命。

圖：刀具材料發展與切削加工高速化的關系

最后透露一下當前選用刀具的熱門方向：根據以上分析判斷準則，不難看出，碳化鎢基硬質合金作為占據現有刀具市場高達七成的主流材料，其各類性能指標的綜合性優勢、平衡能力及出色的性價比是所有材料中表現最突出的。尤值一提的是，目前市場上硬質合金材料往高強度、高硬度、高溫化三大方向協同發展的趨勢十分明顯，基于這個發展目標，硬質合金材料圈已逐漸形成兩大技術派別：一是碳化物硬質相往超細、納米晶粒方向，如超細晶粒硬質合金、納米硬質合金；二是鈷粘接相往添加超級合金中的高溫組元微量元素，不斷優化和改良高溫強度韌性的方向，如由湖南錸因集團旗下子公司，株洲錸因材料技術有限公司發起和主導開發的金剛精工“超級硬質合金”系列產品。從各廠家生產技術實踐反饋信息來看，后者技術派別（超級硬質合金派）具有研發成本低、生產工藝成本較低、操作方便、材質性能提升明顯、經濟性佳等綜合優勢，是切削加工S類難加工材料和M類不銹鋼材料的刀具材料不二選擇。

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