北京理工大學 于啟勛

    1 刀具材料的重要作用及其發(fā)展過程 

    刀具材料的發(fā)展與人類社會生活、生產(chǎn)的發(fā)展，有著極為密切的關系。對于古人類，“刀”和“火”的認識和應用，是兩項最偉大的發(fā)明，是人類登上歷史舞臺的重要標志刀具材料的改進推動著人類社會文化和物質(zhì)文明的發(fā)展。例如在人類歷史中，曾有過舊石器時代、新石器時代，青銅器時代和鐵器時代等。與石器時代對應的是人類的原始社會;與青銅器時代對應的是人類的奴隸社會;與鐵器時代對應的是人類的封建社會及其以后的時代。 

    在傳統(tǒng)的機械加工中，刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀具幾何形狀是決定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起著關鍵作用。在計算機集成先進制造系統(tǒng)出現(xiàn)后，在刀具使用中還應考慮“刀具系統(tǒng)”問題。近年來，各種難加工材料的出現(xiàn)和應用，先進制造系統(tǒng)、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“綠色制造”和“潔凈制造”的發(fā)展與付諸實用，都對刀具特別是對刀具材料提出了更高、更新的要求。 
    古人類仍能在大自然中尋用天然材料制作工具，如玉、石、天然金剛石甚至隕鐵都曾得到過應用。在奴隸制社會，曾用青銅制作工具；在“春秋”、“戰(zhàn)國”之交，特別是到了秦朝的時代，進人封建社會的時候，鋼、鐵工具開始出現(xiàn)，碳素工具鋼開始得到應用，那時的碳素工具鋼與現(xiàn)代的T10、T12等鋼種已十分接近。與石料、銅料相比，碳素工具鋼具有更高的硬度，切削刃能夠磨得很鋒利，故切削效率和加工質(zhì)量相對較高。但碳素工具鋼只能承受200-250℃的切削溫度，用以切削一般鋼材只能應用5-8 m/min的切削速度，不能滿足更高切削效率的要求。1865年，英國的羅伯特·墨希特(Rohert Mushet)發(fā)明了合金工具鋼，其牌號有CrWMn，9CrSi等，能承受350℃的切削溫度，加工一般鋼材時切削速度可提高到10-12m/min。為了適應加工效率進一步提高的要求，美國機械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)于1898年發(fā)明了高速鋼，當時的成分為C0.67%, W18.91%，Cr5.47%，V0.29%，Mn0.11%，F(xiàn)e為余量。它能夠承受550-600℃的切削溫度，切削一般鋼材可采用25-30m/min的切削速度、從而使其加工效率比碳素工具鋼洽金工具鋼分別提高了4倍和2.5倍以上，從19世紀末到20世紀初，曾使美國、英國等主要資本主義國家的切削水平出現(xiàn)了一個飛躍，從而獲得了巨大的經(jīng)濟效益，機械制造工業(yè)也賴以迅速發(fā)展。 

    隨著人類生話、生產(chǎn)水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高效率加工、高質(zhì)量加工以及難加工材料切削的要求。20世紀20年代到30年代，人們發(fā)明了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，其常溫硬度達89-93HRA,能承受800-900℃以上的高溫，切削速度可以是高速鋼刀具的4-5倍以上，因而被迅速推廣應用。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于兵工生產(chǎn)的需要，美、英、蘇、德各國開始部分使用硬質(zhì)合金刀具;二戰(zhàn)結(jié)束后，逐步擴大使用。50年代初，我國從蘇聯(lián)少量引進硬質(zhì)合金，替代高速鋼刀具在生產(chǎn)中應用。后來，在蘇聯(lián)援助下，我國建設了株洲硬質(zhì)合金廠；又自力更生，用本國的技術和力量，建成了自貢硬質(zhì)合金廠。經(jīng)過40年的努力，中國硬質(zhì)合金刀具材料的產(chǎn)量已居世界各國的前列，成為生產(chǎn)硬質(zhì)合金的大國，20世紀后半期，工件材料的品種不斷增多，其機械性能不斷提高，工件的批量和加工精度也不斷加大和提高，因而對刀具的使用性能不斷提出更新、更高要求。硬質(zhì)合金刀具材料為了適應新的要求，自身有了更新的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種，其性能比之過去有了很大的提高。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具較脆，韌性不足，可加工性也不好，故開始時只用于一般車刀，后發(fā)展到用于面銑刀及其他刀具；但迄今為止，仍不能用于所有種類的刀具。高速鋼刀具也有了發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種。然而，半個世紀來，一半以上的高速鋼刀具被硬質(zhì)合金刀具所替代；高速鋼刀具材料憑借其良好的韌性和可加毛性，仍固守著切削刀其中不足一半的陣地。當代，硬質(zhì)合金和高速鋼是兩種最主要的、用得最多的刀具材料。它們的總和當占全部刀具的95%以上。 

    硬質(zhì)合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料和超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相繼出現(xiàn)。20世紀中期出現(xiàn)了氧化鋁及氧化鋁基復合陶瓷，稍后又出現(xiàn)了氮化硅及氮化硅基復合陶瓷。20世紀中后期，又制造出人造立方氮化硼和人造金剛石兩種超硬刀具材料，它們的硬度大幅度地高于硬質(zhì)合金與陶瓷由于韌性和可加工性的不足，以及價格等原因，陶瓷、氮化硼及金剛石刀具材料的應用尚受到更大的局限。 
綜上所述，刀具(工具)材料的發(fā)展，對人類社會的發(fā)展發(fā)揮了極其重要的作用。20世紀中，刀具(工具)材料的發(fā)展比過去幾十世紀要快得多C刀具材料的品種、類型、數(shù)量、性能都有了很大的發(fā)展和提高。“百花齊放，推陳出新”；20世紀特別是后平個世紀，刀具材料大發(fā)展，大提高，令人眼花繚亂，目不暇接，從而推動人類的物質(zhì)文明迅猛前進。 

    2 刀具材料的化學成分 

    在古代，人類所用的刀具材料多為天然物質(zhì)，如石材、天然金剛石等。近代、現(xiàn)代所用的刀具材料絕大多數(shù)出于人造，以便保證大量供應，并使質(zhì)地均勻、可靠。 

    縱觀現(xiàn)代的各種刀具材料，除金剛石的原料為石墨(碳元素)外，其他品種都離不開碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。如表所示，這些化合物都具有高硬度、高熔點、高彈性模量等特性，這正是刀具材料所需要的性質(zhì)。 
表 各種化合物的性質(zhì) 
  性質(zhì) 
密度
10³kg/m³ 熔點
℃ 硬度
HV 彈性模量
GPa 
碳化物 TiC 4.85-4.93 3180-3250 2900-3200 316-488 
ZrC 6.44-6.9 3175-3540 2600 323-489 
HfC 12.20-12.70 3885-3890 2533-3202 433 
VC 5.36-5.77 2810-2865 2800 260-274 
TaC 14.48-14.65 3740-3880 1800 371-389 
NbC 7.82 3500-3800 2400 344 
WC 15.6-15.7 2627-2900 2400 536-721 
Mo2C 8.90 2690 1500 544 
B4C 2.50-2.54 2350-2470 2400-3700 295-458 
SiC 3.21-3.22 2200-2700分解 3000-3500 345-422 
Cr3C2 6.68 1895 1800 380 
Cr7C3 6.92 1782 1882 - 
Cr23C6 6.97-6.99 1518 1663 - 
Fe3C - 1650 860 - 
氮化物 TiN 5.44 2900-3220 1800-2100 616 
ZrN 7.35 2930-2980 1400-1600 - 
HfN 13.94 3300-3307 1500-1700 - 
VN 6.08 2050-2360 1500 - 
TaN 14.1 2980-3360 1060 587 
NbN 8.26-8.40 2050 1400 493 
Nb2N 8.33 2420 1720 - 
BN(立方) 3.48-3.49 2720-3000分解 7000-8000 720 
Si3N4 318-3.19 1900分解 2670-3260 470 
AlN 3.25-3.30 2200-2300分解 1225-1230 281-352 
CrN 6.1 1500 1000-1188 - 
Cr2N 6.51 - 1522-1629 - 
Mo2N 8.04 - 630 - 
WN - 800 - - 
氧化物 TiO2 4.24 1855-1885 1000 240-290 
ZrO2 6.27 2900 1300～1500 250 
HfO2 9.68 2780-2790 940-1100 - 
VO5 3.36 670-685 - - 
Ta2O5 8.37 1755-1815 890-1290 - 
Nb2O5 4.95 1470-1510 726 - 
WO2 6.47 1473-2130 - - 
Al2O3 3.97 2050 2300-2700 370 
Cr2O4 5.21 2309-2359 2945 - 
硼化物 TiB2 4.38 2790 3310-3430 540 
ZrB2 6.17 3200 2230-2274 350 
HfB2 10.5 3250 2400-3400 - 
VB2 5.06-5.28 2400 2797-2803 273 
TaB2 12.38 3037 2460-2540 262 
NbB2 6.97 3000 2600 650 
W2B2 11.0 2370 2650-2675 790 
CrB2 5.22 2200 2020-2180 215 
FeB 7.15 1650 1600-1700 350 
Fe2B2 7.34 1410 1290-1390 290

    從表可以看出，表中多為碳元素、氮元素、氧元素或硼元素與金屬元素的化合物;但也有例外，如SiC,B4C和Si3N等，硅(Si)和硼(B)并不是金屬，但結(jié)合后，硬度也很高，可以作為刀具材料而被利用。而氮(N)與硼(B)的結(jié)合，更能形成超硬刀具材料CBN。