2 國外高速切削刀具材料的進展和應用

1. 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(shù)。但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數(shù)特殊用途外 (如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工)，很少作為切削工具應用在工業(yè)中。隨著高技術和超精密加工日益發(fā)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(fā)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，因此，在超精密鏡面切削的高技術應用領域，天然金剛石起到了重要作用。
   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切削刀具即聚晶金剛石 (PCD)，PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度(8000～12000HV)和導熱性，低的熱脹系數(shù)，高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)，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。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同，對性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，則刃口質量越好。例如，選用晶粒尺寸10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金：晶粒尺寸4～5µm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工，則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是燒結成金剛石-硬質合金復合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置，在5～6萬個大氣壓，1400～1600℃的高溫下，可人工合成形狀整齊、雜質非常少的單晶金剛石，質量均勻穩(wěn)定，結晶面非常清晰，識別容易。它具有所有物質中最高的導熱率及與天然金剛石同等以上的強度。目前最大尺寸可達8mm。這種單晶金剛石的尺寸、形狀和性能的良好一致性，在天然金剛石產(chǎn)品中是不可能實現(xiàn)的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超過700℃時會減弱，因其結構中含有金屬Co，它會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。但有較好的斷裂韌性，可以進行斷續(xù)切削。例如，可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。當前，人工合成單晶金剛石刀具材料的應用得到了迅速的發(fā)展，其新應用領域是木材加工業(yè)。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時，木板耐磨層會引起刃口鈍化，導致氧化鋁耐磨層碎裂，必須經(jīng)常磨刀或更換刀片，而人工單晶金剛石性能顯著優(yōu)于PCD刀具。
   目前正在研究和開發(fā)化學氣相沉積 CVD金剛石，沉積出的是交互生長極好的PCD，呈柱狀結構且非常致密。隨著生長條件的不同，CVD金剛石也呈現(xiàn)不同的晶粒尺寸和結構，它不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。根據(jù)不同的應用要求，可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應用不同，要求有多種不同的晶粒尺寸。CVD金剛石制成兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30µm的薄層膜(CVD薄膜)：另一種是沉積厚度達1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應用不多。
   CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術釬焊在基體上，但要保證釬焊點的強度。它與PCD相比，熱穩(wěn)定性好但脆性較高，且不導電。不能用于放電加工(EDM)技術中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應用。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩(wěn)定性，在高耐磨性材料的高速切削加工領域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的 CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功，還有待于繼續(xù)試驗和評價。CVD厚膜金剛石目前的成本較高，隨著技術的發(fā)展，成本逐漸降低，它將是PCD有力的競爭對手。
   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。
   金剛石刀具是目前高速切削(2500～5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料，但由于碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發(fā)生化學反應，因此它不宜于切削鐵及其合金工件。


2. 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燒結塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiC、TiN、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℃)，優(yōu)良的化學穩(wěn)定性(遠優(yōu)于金剛石)和導熱性，低的摩擦系數(shù)。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列，硬度均勻，沒有方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，克服CBN易解理和各向異性缺點。CBN含量、晶粒尺寸和粘結相等會影響PCBN的性能。CBN含量高，PCBN的硬度和導熱性高，CBN晶粒尺寸大，其抗破損性就弱，刀刃鋒利性就差，金屬材料Co、Ni作粘結相時，PCBN有較好的韌性和導電性，陶瓷材料作粘結相時，則有較好的熱穩(wěn)定性。目前多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結或釬焊在硬質合金基體上，做成PCBN復合片，有利于提高強度，可焊性也好，便于制造PCBN刀具。
   PCBN刀坯從組織上看，大致有兩種。一種是高含量PCBN(CBN，質量80%～90%)，以CBN晶粒之間直接結合為主，具有高硬度、高導熱性。另一種是低CBN含量的PCBN，它是用少量金屬或陶瓷粘結相牢固地結合起來的，有較好的強度和韌性。一般較低CBN含量 (50%～65%)的PCBN刀具適于精加工45～65HRC的淬硬鋼，高含量(80%～90%)的適于加工鎳鉻鑄鐵，粗和半粗斷續(xù)切削淬硬鋼，高速切削鑄鐵，加工硬質合金、燒結金屬和重合金等。選擇合適CBN含量的PCBN刀具可以在500～1500m/min高速下加工鑄鐵，在 100～400m/min下加工45～65HRC的淬硬鋼，在100～200m/min下加工耐熱合金。但不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金，特別不宜于加工35HRC以下的工件。涂層CBN刀具尚在研究中。


3. 陶瓷刀具
   陶瓷刀具為高速切削最重要的刀具材料之一。目前各國陶瓷刀片生產(chǎn)數(shù)量占可轉位刀片的比例約為：美國3%～5%，俄羅斯5%～7%，日本7%～9%，德國9% ～12%，英國、法國、瑞典等也在大力推廣應用。由于現(xiàn)代陶瓷刀具原材料、組分和制備工藝取得了長足進步，近5年來，陶瓷刀具的銷售額增長率達20%。國際上現(xiàn)已發(fā)展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基(Al₂O₃)和氮化硅基(Si₃N₄)兩大系列，添加各種各樣的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品種的氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。現(xiàn)有40多個品種，200多個牌號，其中氧化鋁基為25種多，氮化硅基的近15種。
   陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其硬度達93～95HRA，耐磨性好，適于加工50～65HRC的高硬度材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。高溫性能好，在1200℃的高溫下仍能進行切削。具有良好的抗粘結性能，Al₂O₃與金屬的親和力小，它與多種金屬的相互反應能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低，不容易與金屬產(chǎn)生粘結，化學穩(wěn)定性好，Al₂O₃在鐵中的溶解率約為WC的1/5，擴散磨損小，Al₂O₃的抗氧化能力特別好，即使刀刃處于熾熱狀態(tài)，也能長時間連續(xù)使用，適于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系數(shù)也低于硬質合金。Al₂O₃基陶瓷刀具的主要缺點是強度和斷裂韌性較低，脆性較大，導熱性差，抗熱震性不高。但幾十年來，在提高陶瓷刀具的力學性能上做了大量卓有成效的研究工作，如采用熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補強相，如在Al₂O₃中加入金屬碳化物、氮化物、硼化物及純金屬和晶須等，如Al₂O₃+TiC、Al₂O₃+ZrO2、Al₂O₃+SiCw(晶須)、Al₂O₃+TiN，Al₂O₃+TiCN等，有的在這些組合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金屬和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化鋁基陶瓷刀具可以高速切削鋼、鑄鐵及其合金等，Al₂O₃+SiCw適于加工鎳基合金。
   氮化硅(Si₃N₄)基陶瓷與Al₂O₃基陶瓷比較，其最顯著的特點為強度和斷裂韌性較高，熱脹系數(shù)低，彈性模量也低，故其抗熱震性能高。Si₃N₄基陶瓷刀具適于加工鑄鐵，連續(xù)和斷續(xù)切削都優(yōu)于Al₂O₃基陶瓷刀具，也可以用于冷硬鑄鐵、高硬軋輥等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其與鐵的化學親和性明顯超過Al₂O₃基陶瓷，化學反應生成的低熔點化合物會使刀刃在短時間內破壞，因此Si₃N₄基陶瓷刀具加工鋼件就比Al₂O₃基的差得多。Si₃N₄基陶瓷刀具也是在Si₃N₄中加入各種增韌補強相形成多品種的陶瓷刀具。
   Si₃N₄-Al₂O₃(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品種，它是在Si₃N₄基礎上通過用氧部分置換Si₃N₄中的氮，并以鋁部分置換其中的硅的方法研制成功的，是由Si-Al-O-N各種構成的多種化合物群的總稱。Sialon陶瓷刀具的強度和斷裂韌性較高，化學穩(wěn)定性、抗氧化能力和高溫抗蠕變能力都很好，導熱性高，熱脹系數(shù)小，故有很高的抗熱震性能。由于其抗蠕變強度高，因而在刀尖處受到反復集中的高應力和熱的作用時，也沒有因塑性變形而明顯增大損壞的現(xiàn)象，它是高速粗加工鑄鐵及鎳基合金優(yōu)良的刀具材料。在精車和半精車鎳基合金等難加工材料時，晶須增韌陶瓷刀具有優(yōu)越性。粗車和銑削時，Sialon陶瓷刀具更具適應性，但它的溶解磨損速率比Al₂O₃基陶瓷刀具高很多，因而不適于加工鋼件。
   陶瓷刀具選擇合適的品種可以用500～1000m/min的高速切削鑄鐵，用300～800m/min的速度切削鋼件，用100～200m/min的速度切削高硬材料(50～65HRC)，用100～300m/min的速度切削耐熱合金。


4. TiC(N)基硬質合金
   TiC (N)基硬質合金的主要成分是TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦)，它們是以高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高韌性的TiC+WC +TaC+Co、強韌的TiN為主體，以高強韌的TiCN+NbC等TiC(N)為基的硬質合金。與WC硬質合金相比，硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能得到顯著改善，主要是高溫強度、高溫硬度、導熱性、抗氧化性和抗熱震性能都有提高，與鋼的親和力小，摩擦系數(shù)也小，抗月牙洼磨損和抗粘結能力強，現(xiàn)在已發(fā)展成獨立系列的刀具材料。近幾年來發(fā)展的高氮含量、均勻微細硬質組織的TiC(N)基硬質合金，由于抗磨損性能和抗崩刃性良好，適于在 200～400m/min的高速下切削一般鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。


5. 涂層刀具
   涂層刀具發(fā)展很快，目前80%以上都是涂層刀具。廣泛應用的是在硬質合金和高速鋼刀體上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁(Al₂O₃)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等，有優(yōu)異的高溫性能。從單涂層發(fā)展為多涂層，涂層工藝有化學氣相沉積法 (CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。PVD法主要用于高速鋼刀具，CVD法和PVD法均可用于硬質合金刀具涂層。PVD法的硬質合金刀具有較好抗破損性能，適于斷續(xù)切削，但耐磨性不如CVD法的硬質合金刀具。涂層刀具隨涂層物質不同，其性能也有差別，涂層硬質合金刀具具有：高的硬度和耐磨性 (2100～4200HV)、高的耐熱性(1000～1200℃)、高的抗粘結性能、高的化學穩(wěn)定性和摩擦系數(shù)低等，優(yōu)異的WC基、TiC(N)基硬質合金和陶瓷都可作為涂層刀具的基體。目前適于高速切削的涂層硬質合金刀具的涂層物質主要有CVD的TiCN+Al₂O₃+TiN、TiCN+Al₂O₃、TiCN+Al₂O₃+HfN、TiN+Al₂O₃和TiCN 以及PVD的復合涂層TiAlN/TiN、TiAlN等。單涂層的TiC或TiN已經(jīng)不用了。選擇不同涂層物質的涂層硬質合金刀具可以 200～500m/min的速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等。近年來開發(fā)的氮化碳(CNx)、氮化物(TiN/NbN、TiN/VN)等，在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性，適合于高速切削。軟涂層刀具(如MoS₂、WS₂涂層的高速鋼刀具)主要用于加工高強度鋁合金、鈦合金或貴重金屬等。日本最近開發(fā)的納米TiN/AlN復合涂層銑刀片，涂層達2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進行切削。目前復雜刀具(鉆頭、齒輪刀具、拉刀等)主要是在高性能高速鋼基體上涂層TiCN、TiN等硬涂層。涂層刀具不適于特別重載下的粗加工和沖擊大的斷續(xù)切削以及高硬度材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵)，涂層刀具低速切削時，容易產(chǎn)生剝落、崩碎等，表面涂層的刀具重磨后，涂層效果降低。


6. 粉末冶金高速鋼(PM HSS)
   近幾年來，工業(yè)發(fā)達國家大力發(fā)展粉末冶金高速鋼，它是從高壓氬氣或純氮霧化熔融的高速鋼鋼液中直接得到的細小高速鋼粉末，然后在高溫高壓下熱等靜壓成鋼錠，從而再制成高速鋼材。與熔融法制造的高速鋼相比，它的優(yōu)點是：無碳化物偏析，晶粒粉細小均勻，可達2～3µm，熱處理后，硬度可達67～70HRC，抗彎強度高0.5～1倍，在600℃時的高溫硬度高出2～3HRC，同樣的切削條件，刀具壽命提高0.5～2倍。由于物理力學性能各向同性，可減小熱處理變形與應力，適于制造鉆頭、拉刀和齒輪刀具等復雜刀具。這類高速鋼刀具，其切削速度可成倍增加，在其表面PVD涂層TiN、TiCN、TiAlN后，切削速度可達150～200m/min。在復雜刀具高速切削領域，粉末冶金高速鋼涂層刀具將會進一步發(fā)展而占有重要地位。

3 國內高速切削刀具材料面臨的挑戰(zhàn)

4 高速切削刀具材料的未來

1. PCD 刀具將繼續(xù)發(fā)展提高性能，廣泛使用于加工鋁合金和高硬度非金屬材料，但人工合成單晶金剛石和金剛石厚膜涂層將發(fā)展更快，視其成本，將逐步取代PCD。高速超精密鏡面切削領域，天然金剛石刀具仍有重要作用，但部分將被人造單晶金剛石代替。目前限制PCD刀具加工鋁合金切削速度的主要是機床的主軸轉速及其功率。


2. Al₂O₃基與Si₃N₄基陶瓷刀具和CBN刀具為高速切削鋼、鑄鐵及其合金的首選刀具材料，但各有其使用范圍，應繼續(xù)發(fā)展。Al₂O₃基陶瓷刀具高速加工鋼及其合金有更廣泛的應用前景，與CBN刀具相比，它既有成本優(yōu)勢，又適于加工淬硬鋼和未淬硬鋼與鐵素體材料，但耐熱性與抗熱震性能還不夠。發(fā)展耐高溫1400～1500℃以上并提高其高溫強度與抗熱震性的、添加CBN的納米復合型Al₂O₃基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐熱合金領域發(fā)展具有更大的高溫強度和化學穩(wěn)定性的Al₂O₃+Si₃N₄基的添加CBN的復合型刀具材料是一個重要研究方向。


3. 涂層刀具材料在高速切削領域有巨大潛力，繼續(xù)研究新的涂層技術和涂層物質，提高性能，擴大使用。但主要發(fā)展粉末涂層，即在硬質合金與粉末冶金高速鋼粉體(晶粒)上涂層高性能耐磨材料的新一代涂層刀具，可以重磨而不影響其性能，對復雜刀具特別有意義。我們初步研制成功的、在硬質合金粉末上涂層Al₂O₃的涂層刀片說明其可行性和優(yōu)越性。


4. 對于某些很難加工而應用又多的工件材料(如鈦合金)，因其切削時，即使在中速下，溫度也很高，研究不污染環(huán)境的氣冷(如氮氣)方法，降低切削溫度以實現(xiàn)高效切削，是一個可行而具有應用前景的方向。

5 結束語