一文读懂超硬刀具材料的种类、特点与应用

在整个切削加工工艺系统中，机床、刀具、夹具和工件是主要组成部分，其中刀具是最为活跃的因素。高性能的刀具与先进的加工设备相互配合，才能充分发挥整个切削系统的效能，取得良好的经济效益。

同时，工件材料的发展，也促进了刀具材料的发展。很多新型材料和难加工材料的出现，要求市场提供切削性能更好的刀具材料，这样才能提高切削加工生产效率和加工质量。

一、超硬刀具材料介绍

超硬刀具材料，多指金刚石与立方氮化硼，一般没有严格的规格。理论上来说，硬度接近于金刚石的材料统称为超硬刀具材料。

超硬刀具材料主要用于硬切削加工（对高硬度材料直接进行切削加工），硬切削技术在一些应用领域得到了极佳的效果，如汽车工业、模具行业、机床行业等领域，直接采用CBN刀具加工铸铁件和淬硬钢件，既缩短了工艺路线，又提高了加工效率，取得了较好的经济效果。

二、超硬刀具材料的种类、特点与应用

目前，超硬刀具材料主要包括金刚石、聚晶立方氮化硼（PCBN）、陶瓷、TIC（N）基硬质合金等，其中金刚石刀具材料主要用于加工高硬度有色金属和非金属材料，聚晶立方氮化硼、陶瓷和硬质合金主要加工高硬钢、铸铁和合金等材料。

1、金刚石刀具的种类、特点与应用。

金刚石刀具，是指用金刚石材料做成的刀具，金刚石是碳的同素异形体，显微硬度达10000HV，是目前已经发现的、自然界中最硬的一种材料。

（1）金刚石刀具的种类

①单晶金刚石刀具。单晶金刚石刀具是目前超精密加工有色金属的主要切削刀具，可实现镜面加工。天然单晶金刚石刀具硬度高，耐磨性好，刀尖和刃口锋利，可实现超薄切削，加工表面粗糙度极低。

②聚晶金刚石刀具。人造聚晶金刚石（PCD），是20世纪60年代发展起来的，是以石墨为原料，加入催化剂经高温高压烧结而成。成本远低于天然金刚石，因此目前很多切削加工场合使用的都是人造聚晶金刚石。

③CVD金刚石刀具。CVD金刚石是采用化学气相沉积的方法，在异质基体（如硬质合金、陶瓷等）上合成金刚石膜，拥有与金刚石相似的结构和特性。目前在木材加工和修整刀具上有一定的应用。

（2）金刚石刀具的特点

①有极高的硬度和耐磨性。金刚石的显微硬度达10000HV，其耐磨性是硬质合金的60~120倍。在加工高硬度材料时，金刚石刀具寿命是硬质合金刀具的10~100倍，甚至几百倍。

②各向异性。单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件之间的摩擦系数等相差很大。

③极低的摩擦系数：金刚石与有色金属之间的摩擦系数比其他刀具都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在0.1~0.3之间，加工时变形小，可减小切削力。

④很高的导热性。金刚石的热导率为硬质合金的1.5~9倍，为铜的2~6倍。热导率及热扩散率高，切削热容易散出，因此刀具切削部分温度低。

⑤切削刃非常锋利。金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，刀刃钝圆单晶一般达0.1~0.5μm，天然金刚石刀具可高达0.005~0.008μm，因此天然金刚石刀具能进行超薄切削和超精密加工。

⑥较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数为硬质合金的几分之一，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，因切削热引起的刀具尺寸变换很小，对于尺寸精度要求高的精密加工刀具来说非常重要。

（3）金刚石刀具的应用

金刚石刀具多用于高速状态下加工有色金属和非金属材料。如各种耐磨有色金属（硅铝合金、铜和铜合金、硬质合金等）、耐磨非金属（陶瓷材料、石墨材料、塑料橡胶、玻璃钢等）。

金刚石刀具的不足之处，就是热稳定性相对较差，在切削温度超过700℃时，硬度就会变低；并且，金刚石刀具不适合切削黑色金属，因为金刚石在高温下容易与铁原子作用，使碳原子转化为石墨结构，造成刀具损坏。

2、立方氮化硼刀具的种类、特点与应用。

立方氮化硼（CBN）是继人工合成金刚石之后，利用高温高压技术获得的第二种超硬刀具材料，在硬度和热导率方面仅次于金刚石，且热稳定性非常好，对于黑色金属有极强的化学稳定性，广泛应用于铸铁和淬火硬钢制品的切削加工。

（1）立方氮化硼刀具的种类

由于单晶CBN的粒径小，且存在易劈裂的“解理面”，因此不能直接用于制造刀具。所以用于切削刀具的大多数是聚晶立方氮化硼（PCBN）。

PCBN（聚晶立方氮化硼）是在高温高压下将细微的CBN材料通过结合相（TiC、TiN、Al、Ti等）烧结在一起的多晶材料，与金刚石有着相似的结构和性质，主要用来制成刀具。

PCBN刀具可分为整体PCBN刀片和PCBN复合刀片。整体PCBN刀片通体由PCBN烧结而成，切削刃多，适合大切削高速切削；PCBN复合刀片，是在强度和韧性较好的硬质合金基体上焊接PCBN，可以兼顾较好的韧性和较高的硬度及耐磨性，分为整体焊接PCBN刀片、整体复合PCBN刀片及复合焊接PCBN刀片等。

（2）立方氮化硼刀具的特点

①很高的硬度和耐磨性。CBN的晶体结构和金刚石相似，化学键也相同，因此具有接近金刚石的硬度和强度，显微硬度可达8000~9000HV，仅次于金刚石，有效保证了刀具的耐磨性。

②很高的热稳定性。CBN的耐热性为1300~1500℃，比金刚石的耐热性（700~800℃）高出几乎一倍。因此，可以用来高速切削高硬度钢、铸铁以及耐热合金，刀具的黏结磨损与扩散磨损小。

③优良的导热性。CBN的热导率为79.54W（m·K），虽然不如金刚石，但比高速钢和硬质合金的热导率高得多。并且，随着切削温度的升高，热导率也随之增加，有利于高速高精度加工。

④优良的化学稳定性。CBN的化学稳定性大，与铁系材料在1200~1300℃时也不起化学反应；并且具有很高的抗氧化能力，因此非常适合用于黑色金属的高速车削加工。

⑤较低的摩擦系数。CBN与不同材料的摩擦系数为0.1~0.3，比硬质合金的摩擦系数（0.4~0.6）小的多。低的摩擦系数使切削力减小，切削温度降低，不易产生积屑瘤，有利于降低已加工表面的粗糙度。

（3）立方氮化硼刀具的应用

鉴于立方氮化硼刀具材料对于铁族金属的化学惰性，因此可广泛应用于黑色金属的高速切削加工，如淬火硬钢、、高锰钢、灰铸铁、冷硬铸铁、合金铸铁等难切削加工材料。

另外，立方氮化硼刀具不宜用于低速、冲击载荷较大的粗加工；同时不适合切削塑性大、硬度低的材料，如软的铁系金属、铜合金、铝合金等，因为切削这些金属时会产生严重的积屑瘤，使加工表面恶化，刀具耐用度降低。

3、陶瓷刀具的种类、特点和应用。

陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能，与金属亲和力小，不易与金属产生粘结现象，因此多用来加工传统意义上难加工的超硬材料。

（1）陶瓷刀具的种类

现代陶瓷刀具材料种类繁多，多为复合陶瓷，一般常分为氧化铝基陶瓷刀具、氮化硅基陶瓷刀具、复合氮化硅-氧化铝基陶瓷刀具。目前最为常见的是氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料。

（2）陶瓷刀具的特点

①硬度高、耐磨性好。陶瓷刀具的硬度不如金刚石和立方氮化硼刀具，但要比硬质合金和高速钢刀具高，可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，适合高速切削和硬切削。

②耐高温、耐热性好。陶瓷刀具具有很好的高温力学性能，氧化铝基陶瓷刀具的抗氧化性能较好，切削热即使处于红热状态也能连续使用。

③化学稳定性好。陶瓷刀具不易与金属产生粘结，同时也有较好的耐腐蚀性和化学稳定性，可以有效减小刀具的黏结磨损。

④摩擦系数低。与金属之间的亲和力小，摩擦系数低，可有效降低切削力和切削温度。

（3）陶瓷刀具的应用。

陶瓷刀具一般多用来高速精加工和半精加工，适合切削加工各种铸铁和钢材，也可用来切削铜合金、石墨、工程塑料和复合材料等。

陶瓷刀具材料脆性大，抗弯强度低、抗冲击韧性差，因此不适于在低速、高冲击载荷下切削。