切削刀具材質如何選擇？４大特性、７大材質與６大選擇關鍵重點。

切削刀具材料是用來製造機械加工中使用的切削工具 – 銑刀、車刀、鑽頭、牙刀等。

選擇切削刀具時，首要先瞭解材料的特色與性能。

一把切削刀具的表現好壞，半數取決於材質。

如何判斷刀具材質的好處？瞭解切削刀具的４大特性

硬度

硬度指的是當遭受到外部壓迫力時的抵抗變形能力。

切削刀具俗稱的強度，就是指硬度。刀具的硬度越高，切削能力越強。

刀具材質的硬度是以洛氏硬度試驗（Rockwell hardness test）為標準，一般以HRC(洛氏硬度）來測評碳鋼刀具。例如：

鎢鋼的硬度69～81HRC
碳鋼的硬度55~65 HRC

延伸閱讀：硬度換算表：硬度單位與硬度換算，一文速查表！

耐磨性

耐磨性是記材料承受磨蝕和磨損的能力。

耐磨性通常與材料的硬度有很大關係，以及化學特性的影響，例如氧化生鏽、黏附性等。

在同等的硬度鋼材中，碳化物含量越多的鋼材，耐磨性就越大，切削效果就越好、刀具的壽命就越長。

韌性

切削刀具的韌性是指能抵抗被彎曲不被折斷或破裂的能力。

注意，刀具的硬度與韌性是相對的。刀具的硬度越大，韌性就越小。

但是，韌性並沒有硬度的洛氏試驗的標準化測評。

硬度與韌性，是刀具材質的取捨關鍵要點，後面會詳加說明。

耐熱性

磨擦生熱。尤其，金屬在高速的切削過程中，會因為磨擦產生大量的熱與高溫。

當溫度升高到某一個程度，刀具材料的硬度就會降低，大大的影響切削能力。

高溫硬度也稱為紅熱硬度 (Hot hardness) 或紅硬性 (red hardness) 是指刀具在高溫下的堅硬度。高溫硬度愈高，愈能在高溫環境下進行高速切削加工。

例如：鎢綱的紅硬度約 1,200 °C，高於傳統碳鋼的200°C、高速鋼的650°C。因此，鎢鋼刀具非常適合高溫環境與耐熱合金材料的切削加工。

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常見的７種切削刀具材質

碳鋼（Carbon Steel)

適合製作切削刀具的碳鋼，含碳量約為0.02 ~ 2%，是產量最高的金屬材料。

碳鋼也被稱為碳素工具鋼，依含碳量又分為：

高碳鋼：含碳量高（0.6％~2％），適合切削工具：鑽頭、絲攻、鉸刀等。
中碳鋼：含碳量適中（0.3％~0.6％），主要用途製造不鏽鋼。
低碳鋼：含碳量0.02％~0.3％，主要用於鋼筋、焊接結構。

碳鋼圓棒 — 圖片來源：https://waykenrm.com/blogs/tool-steel/

較常見用來製作切削工具是高碳工具鋼－高碳鋼（High carbon steel）。

高碳鋼的優點

產量多，價格便宜
易於打磨鋒利度

高碳鋼的缺點

不耐熱加工：切削溫度超過200ºC以上，刀具開始失去硬度，無法維持加工速率。
易生鏽，會降低耐磨性。

高速鋼 (High Speed Steel, HSS)

高速鋼（HSS或HS）是合金工具鋼的一種，以碳鋼為主要材料，加入鐵、鎢、鉬、鉻、釩、鋅和鈷等，燒結製成的高碳合金鋼。

高速鋼比傳統的高碳鋼刀的切削速度快 3-4 倍，而且能在高溫600度下保持硬度。高速鋼就像一輛超級跑車，可以高速行駛而不會過熱。因此得名高速鋼(High Speed Steel)。

高速鋼種類

高速鋼依照所含的主要合金元素：

鎢系高速鋼：以鎢為主要合金元素，具有高硬度、高耐磨性，適合加工硬度較高的金屬材料。
鉬系高速鋼：以鉬為主要合金元素，增強韌性與耐衝擊性，適合加工韌性要求較高的金屬材料。
鈷系高速鋼：加入2〜15％之鈷系高速鋼，又稱為超級高速鋼，特別適用於製造高速重切削之車刀。

硬質合金(Carbide)

硬質合金是由金屬碳化物粉未，如鎢(WC)、鈦(TiC)、鉭 (TaC) 為主要母材料，加入金屬粘結劑(如鈷Co)等粉未，高溫燒製成的硬質合金。這類的硬質合金依照主材料稱碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭等。

硬質合金具有高硬度、高紅熱硬度、高耐磨性、切削速率比高速鋼快３倍以上。是近年來精密加工切削刀具的首選材料。

其中，又以碳化鎢(Tungsten Carbide)，是目前業界最熱門的切削刀具材質。

硬質合金－碳化鎢的優點

高硬度：HRC 60~80
耐磨性佳
耐熱性高達800~1,200 °C
切削速率是高速鋼的３倍以上

硬質合金－碳化鎢的缺點

韌性低
價格較高

金屬陶瓷(Cermet)

用氧化鋁或氮化矽為基底，添加少量金屬，高溫燒結而成的一種刀具材料。最大特色是硬度極高，可達HRC 81~94，接近鑽石的硬度。

金屬陶瓷優點

超高硬度
高耐磨性
高耐熱性
高抗氧化力
切削速度是碳化物的2倍

金屬陶瓷缺點

韌性差，太脆，導致單位切削量小
需用在高轉速的工具機上
價格貴

超硬刀具材料

天然金剛石(Diamond)

自然界最硬的材料，俗稱鑽石，是世界上最堅硬、最耐磨的刀具材料，但價格極為昂貴。

但是，越硬的缺點，就是脆、韌性差。

同時，在高溫(600 °C以上)時鐵會和鑽石產生親和作用，所以鑽石刀具不適合切削加工鋼和鑄鐵，故鑽石刀具一般用於鋁合金、銅合金、等軟金屬和塑膠、玻璃纖維等。

聚晶金剛石(PCD)

相對於天然金剛石，聚晶金剛石等同於人造的鑽石，是目前人工造出最堅硬的物質。特性、優缺點與應用與鑽石刀具相似。

立方氮化硼(CBN)

使用氮化硼，經高溫高壓加入催化劑製成的新型的刀具材料，晶體結構與鑽石相近。

聚晶鑽石、氮化硼車刀 — 圖片來源：https://www.besdia.com/

具有高硬度、耐磨性，而且優於金鋼石的熱穩定性和對鐵族金屬的化學惰性，所以適合加工鐵鎳等金屬的切削工具或製成磨碳化物刀具的砂輪。

缺點是韌性低、易破裂、產能低，價格昂貴。

刀具材質特性的關鍵 – 硬度 vs. 韌性

硬度、耐磨、韌性、耐熱，是切削切具材質的4大特性。

但是，這4種特性中的硬度與韌性是相對的。

一把刀具的硬度越大，韌性就越小，雖然堅硬，但容易折斷或破碎。

相對的，一把刀具的韌性好，就抵抗折彎，但是它的邊緣就不夠硬。

在考慮刀具材質特性時，要考慮到硬度與韌性的平衡。

下圖顯示了 7 種刀具材料之間的關係，縱軸為硬度(Hardness)，橫軸為韌性(Toughness)：

常見切削刀具材質匯總比較

將上述高碳鋼、高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷、天然金剛石、聚晶金剛石、立方氮化硼等作為切削刀具材料的硬度、耐磨性、韌性、耐熱性，並加入經濟性的進行比較：

材質	碳鋼	高速鋼	硬質合金	金屬陶瓷	天然金剛石	聚晶金剛石	立方氮化硼
硬度(HRC)	55~65	60-68	69-81	92~95	100	98	94
耐磨性	低	高	佳	佳	極佳	極佳	極佳
韌性	高	中	中	中	差	差	差
耐熱性	低	中	高	高	差	中	高
成本	低	中	中高	高	極高	高	高
主要應用	簡單的工具加工，低成本的應用	各種切削刀具（鑽頭、銑刀、絲攻）	加工硬質材料（鋼、鑄鐵、高溫合金）	硬質材料的高速加工	加工非常硬的材質（陶瓷、寶石）	用途廣泛的多功能鑽石材料	高速加工黑色金屬材料