金屬切削刀具材料的選擇

　　為更合理使用金屬材料，充分發揮其作用，必須掌握各種金屬材料制成的零、構件在正常工作情況下應具備的性能（使用性能）及其在冷熱加工過程中材料應具備的性能（工藝性能）。

　　材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等）、化學性能（耐用腐蝕性、抗氧化性），力學性能也叫機械性能。

　　機械性能 機械性能是指金屬材料在外力作用下所表現出來的特性。

　　1.強度：材料在外力（載荷）作用下，抵抗變形和斷裂的能力。材料單位面積受載荷稱應力。

　　2.屈服點（s）：稱屈服強度，指材料在拉抻過程中，材料所受應力達到某一臨界值時，載荷不再增加變形卻繼續增加或產生0.2%L。時應力值，單位用牛頓/毫米2（N/mm2）表示。

　　3.抗拉強度（b）也叫強度極限指材料在拉斷前承受最大應力值。單位用牛頓/毫米2（N/mm2）表示。

　　4.延伸率（）：材料在拉伸斷裂后，總伸長與原始標距長度的百分比。

　　5.斷面收縮率（）材料在拉伸斷裂后、斷面最大縮小面積與原斷面積百分比。

　　6.硬度：指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力，常用硬度按其范圍測定分布氏硬度（HBS、HBW）和洛氏硬度（HKA、HKB、HRC）

　　7.沖擊韌性（Ak）：材料抵抗沖擊載荷的能力，單位為焦耳/厘米2（J/cm2）.

　　工藝性能

　　指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。

　　8.鑄造性能：指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能，主要包括流性能、充滿鑄模能力；收縮性、鑄件凝固時體積收縮的能力；偏析指化學成分不均性。

　　9.焊接性能：指金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法，把兩個或兩個以上金屬材料焊接到一起，接口處能滿足使用目的的特性。

　　10.頂氣段性能：指金屬材料能承授予頂鍛而不破裂的性能。

　　11.冷彎性能：指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。彎曲程度一般用彎曲角度 （外角）或彎心直徑 d 對材料厚度 a 的比值表示， a 愈大或 d/a 愈小，則材料的冷彎性愈好。

　　12.沖壓性能：金屬材料承受沖壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進行沖壓叫冷沖壓。檢驗方法用杯突試驗進行檢驗。

　　13.鍛造性能：金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。

　　化學性能

　　指金屬材料與周圍介質掃觸時抵抗發生化學或電化學反應的性能。

　　14.耐腐蝕性：指金屬材料抵抗各種介質侵蝕的能力。

　　15.抗氧化性：指金屬材料在高溫下，抵抗產生氧化皮能力。

　　剪刀材料是決定修剪性能的根本因素，對于修剪效率、修剪質量以及剪的耐用度影響很大。

　　性能優良的剪刀材料，是保證剪刀高效工作的基本條件。剪刀刀片部分在強烈摩擦、修剪的工作下，為了能使剪刀獲得良好的機械性能、工藝性能、化學性能，剪刀材料應具備的條件：

　　1.硬度和高耐磨性

　　剪刀材料必須具有一定的硬度，這是剪刀材料必備的基本要求，現有剪刀材 料硬度一般在60HRC以上。剪刀材料越硬，其耐磨性越好，但由于工作條件較 復雜，材料的耐磨性還決定于它的化學成分合金相組織的穩定性。

　　2.足夠的強度與沖擊韌性

　　強度是指材料在外力（載荷）作用下，抵抗變形和斷裂的能力，抵抗剪切力的作用而不致于刀刃崩碎所應具備的性能。一般用抗彎強度來表示。

　　沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷的能力.剪刀材料在剪切或有沖擊的工作條件下保證不崩刃的能力，一般地，硬度越高，沖擊韌性越低，材料越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是剪刀、刀具材料所應克服的一個關鍵。

　　3.良好的工藝性和經濟性

　　為了便于制造，剪刀材料應有良好的工藝性，如鍛造、熱處理及磨削加工性能。當然在制造和選用時應綜合考慮經濟性。當前超硬材料及涂層剪刀材料費用都較貴，但其使用壽命很長，在成批大量生產中，分攤到每個零件中的費用反而有所降低。因此在選用時一定要綜合考慮。

　　常用刀具材料有碳素鋼、鋁合金鋼、涂層鋼和特殊材料，目前用得最多的為2Cr13不銹鋼刀片。

　　1.碳素鋼（高碳鋼）

　　碳素鋼指：含碳量小于1.35％，除鐵、碳和限量以內的硅 、錳、磷、硫等雜質外，不含其他合金元素的鋼。碳素鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類相比，碳素鋼使用最早，成本低，性能范圍寬，用量最大。 適用于公稱壓力≤32.0MPa，溫度為-30-425℃的水、蒸汽、空氣、氫、氨、氮及石油制品等介質。常用牌號有WC1、WCB、ZG25及優質鋼20、25、30及低合金結構鋼16Mn。

　　按含碳量分為低碳鋼(碳含量為0.04％～0.25％) 、中碳鋼（碳含量為0.25％～0.6％）、高碳鋼（碳含量為0.6％～1.35％）。用于制造刀具、量具、模具等，一般屬高碳鋼。

　　2.鋁合金鋼

　　以鋁為基的合金總稱。主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元

　　素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。

　　⑴.密度小：鋁的密度為2.7約為銅（8.9）或鋼（7.8）的1/3。對于密度小航天航空器、船舶、車輛等交通工具及建筑物的輕量化非常有益，同時也可以節省搬動費和加工費，減輕成本，在工業、建筑業、民用等各領域的應用越廣泛;

　　⑵.良好的耐腐蝕性、耐候性：鋁及鋁合金在大氣中能夠形成一層硬而且致密，具有良好抗腐蝕性能的氧化膜，通過陽極氧化、電泳涂漆、粉末噴涂等表面處理，可進一步提高鋁材的抗腐蝕性;

　　⑶.良好的裝飾性：鋁合金具有良好的可塑性，可加工各種規格、形成的產品，通過表面處理可生成不同性質，不同顏色的膜層，具有良好的裝飾性；

　　⑷.良好的導熱性：鋁的導熱率很高，在金屬中僅次于銀、金、銅，是鐵的3倍，同等重量的鋁是鐵的12倍，因此，鋁合金是制造散熱器、取暖器的良好材料。

　　鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，使用量僅次于鋼。

　　3.涂層鋼

　　涂層刀具是近20年出現的一種新型刀具材料，是刀具發展中的一項重要突破，是解決刀具材料中硬度、耐磨與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得的。常用的涂層材料有Tic、Tin和Al2O3

　　等。本世紀70年代初首次在硬質合金基體上涂覆一層碳化鈦(Tic)，1976年又出現了碳化鈦—氧化鋁雙涂層硬質合金，1981年又出現了碳化鈦—氧化鋁—氮化鈷三涂層硬質合金。

　　在高速鋼基體上刀具涂層多為Tin，常用物理氣相沉積法(PVD法)涂覆，一般用于鉆頭、絲錐、銑刀、滾刀等復雜刀具上，涂層厚度為幾微米，涂層硬度可達80HRC，相當于一般硬質合金的硬度，耐用度可提高2—5倍。硬質合金的涂層是在韌性較好的硬質合金基體上，涂覆一層幾微米至十幾微米厚的高耐磨、難熔化的金屬化合物，一般采用化學氣相沉積法(CVD法)。我國株洲硬質合金廠生產的涂層硬質合金的涂層厚度可達9um，表面硬度可達2500—4200HV。目前各工業發達國家對涂層刀具的研究和推廣使用方面發展非常迅速，處于領先地位的瑞典。

　　4.金剛石刀具

　　金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質中最高的硬度和導熱系數c但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工)。隨著高技術和超精密加工日益發展。例如微型機械的微型零件，原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈或火箭中的導航陀螺，計算機硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工，單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和保護氣氛釬焊金剛石技術．使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易。

　　20世紀50年代利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉以后，70年代制造出金剛石基的刀具即聚晶金剛石(PCD)。PCD晶粒呈無順序排列狀態．不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度和導熱性，低的熱脹系數。高的彈性模量和較低的摩擦系數，刀刃非常鋒利。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。

　　三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為：PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性最好，機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差，人工合成單晶金剛石刃口質量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。

　　5.立方氮化硼

　　立方氮化硼(CBN)是純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼結塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或Tin、Tic或Al2O3)在高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300、1500度)，優良的化學穩定性(遠優于金剛石)和導熱性，低的摩擦系數。

　　6.2Cr13

　　2Cr13的一些參數：標準：GB/T 1220-1992

　　淬火狀態下硬度高，耐蝕性良好。用作汽輪機葉片。

　　化學成份：

　　碳 C ：0.16～0.25

　　硅 Si：≤1.00

　　錳 Mn：≤1.00

　　硫 S ：≤0.030

　　磷 P ：≤0.035

　　鉻 Cr：12.00～14.00

　　鎳 Ni：允許含有≤0.60

　　力學性能：

　　抗拉強度 b (MPa)：淬火回火,≥635

　　條件屈服強度 0.2 (MPa)：淬火回火,≥440

　　伸長率 5 (％)：淬火回火,≥20

　　斷面收縮率 (％)：淬火回火,≥50

　　沖擊功 Akv (J)：淬火回火,≥63

　　硬度 ：退火,≤223HB;淬火回火,≥192HB

　　熱處理規范及金相組織：

　　熱處理規范：1)退火,800～900℃緩冷或約750℃快冷;2)淬火,920～980℃油冷;3)回火,600～750℃快冷。

　　金相組織：組織特征為馬氏體型。

　　以上的材料都可以用于折疊式桌椅的設計，但設計時應從機械性能、化學性能、工藝加工性能、經濟性能等因素的綜合考慮，選擇最優材料。