1 刀具材料的發(fā)展歷史

2 現(xiàn)代新型刀具材料

1. 高速鋼
   
   在現(xiàn)代切削加工中，高速鋼的性能已不夠先進，但因其穩(wěn)定性好，能接受成形加工，故能用以制造各種刀具。在刀具材料總消耗量中高速鋼幾近一半。傳統(tǒng)的普通高速鋼以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2為代表。在鎢系高速鋼中，除MC，M₂C，M₂₃C外，M₆C是其主要的碳化物，即Fe₃W₃C和Fe₄W₂C。在鎢鉬系高速鋼中，M₆C為Fe₃(W，Mo)₃C和Fe₄(W，Mo)₂C。所有的高速鋼中，鉻含量分數均保持在3.5%～4.5%，它是增大高速鋼淬透性的主要元素。在鋼中形成Cr23C6。釩含量分類增加，鋼的耐磨性隨之提高，但使刀具接受刃磨困難，且脆性增加。釩的碳化物為VC與V₄C₃。含V 1%～2%的高速鋼用得最多；V＞3%者用得較少，且忌作形狀復雜的刀具。加入鈷元素后，可形成超硬高速鋼。鈷不形成碳化物，但能提高淬火溫度，增強二次硬化效果，提高高溫硬度。美國的M42(110W1.5Mo9.5Cr4VCo8)和瑞典的HSP-15(W9Mo3Cr4VCo10)都是性能優(yōu)良的高鈷超硬高速鋼。中國缺鈷資源，鈷價昂貴。因而研制了無鈷或少鈷的超硬高速鋼。Co5Si(W12Mo3Cr4V3Co5Si)是屬于少鈷者，新研制的Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)亦為少鈷，性能都不錯。鋁元素在鋼中能生成Al₂O₃、AlN；且起釘扎作用，阻止位錯，從而提高了材料的硬度和強度。中國在發(fā)展無鈷、少鈷超硬高速鋼方面，做出了較大貢獻。
   
   
   
   
   

   粉末高速鋼

   
   
   用粉末冶金方法制造高速鋼，可消除碳化物偏析，提高鋼的硬度和韌性，釩含量高時亦能較好地刃磨。粉末高速鋼的切能性能優(yōu)于熔煉高速鋼。國內掌握這方面的技術。國外有粉末高速鋼產品，釩含量高達6%～8%。
   
   在高速鋼的基體上，用物理氣相沉積(PVD)法涂覆耐磨材料薄層(如TiN，TiAlN等)，可顯著提高刀具壽命和加工表面質量，降低切削力。這種涂層高速鋼刀具已得到廣泛應用。
   
   
2. 硬質合金
   
   硬質合金是碳化物(WC、TiC等)的粉末冶金制品，通常分為：切削鑄鐵的鎢鈷系列(K類，YG類)，切削鋼材的鎢鈦鈷系列(P類，YT類)，還有通用系列(M類，YW類)。新型硬質合金有下列6類。
   

   
   
   1. 添加TaC和NbC的硬質合金 添加后能有效地提高常溫硬度、高溫強度和高溫硬度，細化晶粒，提高抗擴散和抗氧化的能力。此外，還能增強抗塑性變形的能力。在合金中形成(W，Ta，Nb)C固溶體，其化學穩(wěn)定性高于WC和TiC。在新型P，M，K類硬質合金中形成(W，Ta，Nb)C固溶體，其化學穩(wěn)定性高于WC和TiC。在新型P，M，K類硬質合金中，很多是添加了TaC、NbC的。
      
   2. 細晶粒和超細晶粒硬質合金 粒細化后可提高合金的硬度和耐磨性，適當增加鈷含量后還可以提高抗彎強度。普通刀具牌號和合金平均晶粒尺寸為2～3μm，細晶粒合金為1～2μm，亞微細晶粒合金為0.5～1μm，超細晶粒合金為0.5μm以下。早先的細晶粒和超細晶粒結構多用于K類合金，近年來P類、M類合金也向細化晶粒的方向發(fā)展。我國硬質合金刀具已達細晶粒和亞微細晶粒的水平。
      
   3. TiC基和Ti(C，N)基硬質合金金屬陶瓷 YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量達65%～97%，并以Co為黏結劑，TiC基合金則以TiC為主要成分，占60%～80%以上，僅含少量WC，以Ni-Mo作黏結劑。與WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削鋼材時摩擦因數小，抗黏結與抗擴散的能力較強，但其韌性的抗塑變的能力稍弱。Ti(C，N)基合金具有與TiC基合金相同的優(yōu)點，但其韌性和抗塑變能力高于TiC基合金。這類合金多用以加工未淬火的鋼材。
      
   4. 添加稀土元素的硬質合金 加少量鈰、釔等稀土元素，可以有效地提高合金的韌性與抗彎強度，耐磨性亦有一定提高。這是因為稀土元素強化了硬質相和黏結相，凈化了晶界，并改善了碳化物固溶體對黏結相的濕潤性。這類合金最適用于粗加工刀具牌號，亦可用于半精加工牌號；在礦山工具、頂錘、拉絲模用硬質合金中亦有廣闊發(fā)展前景。我國稀土元素資源豐富，在硬質合金中添加稀土的研究有所領先。P，M，K類合金都已研制出添加稀土的牌號。
      
   5. 表面涂層硬質合金 CVD或PVD等方法，在硬質合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti(C，N)，Al₂O₃等薄層，形成涂層硬質合金。非涂層硬質合金的力學、物理性能是硬質相和黏結相的綜合性能，故其硬度和耐磨性低于硬質相自身的性能。而少層硬質合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂層材料自身的性能，故可提高刀具壽命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面質量。近20年來，涂層硬質合金刀具有了很大發(fā)展，在工業(yè)先進國家已在可轉位刀具中占50%～60%以上。涂層硬質合金的基體仍為WC基的硬質合金，要求有較高的韌性。隨著基體的不同，這類合金可作P類、M類或K類硬質合金使用，且適用范圍較寬。
      
   6. 梯度硬質合金 是近年來發(fā)展起來的新品種，各層成分可根據需要加以調節(jié)。
   
   
3. 陶瓷
   
   陶瓷刀具材料分為3類。
   

   
   
   1. 氧化鋁基陶瓷 一般在Al₂O₃基體中加入TiC，WC，SiC，TaC和ZrO₂等成分，經熱壓制成復合陶瓷。硬度達HRA 93～95，抗彎強度達0.7～0.9 GPa。為提高韌性，常添加少量的Co，Ni等金屬。
      
   2. 氮化硅基陶瓷 用的是Si₃N₄+TiC+Co的氮化硅基復合陶瓷，其韌性常高于Al₂O₃基陶瓷。硬度相當。
      
   3. 復合氮化硅-氧化鋁陶瓷 化學成分約為Si₃N₄ 77%，Al₂O₃ 13%，Y₂O₃ 10%，硬度可達HV1800，?抗彎強度可達1.20 GPa。這種陶瓷稱賽阿龍(Sialon)，最適宜切削高溫合金與鑄鐵。
      
      陶瓷的高溫性能優(yōu)于硬質合金，故適合用于高速切削。Al₂O₃基和Si₃N₄基復合陶瓷都適合切削淬硬鋼、高硬鑄鐵及一般鑄鐵；Al₂O₃基復合陶瓷亦能有效地切削未淬硬鋼料，而Si3N4基陶瓷切削一般鋼材開始時磨損迅速。
   
   
4. 超硬刀具材料
   
   超硬材料是指金剛石和立方氮化硼(CBN)。它們的硬度比其他刀具材料高出好幾倍。金剛石是自然界中最硬的物質，CBN的硬度僅次于金剛石。近年來，超硬刀具材料發(fā)展迅速。
   
   金剛石刀具材料分為5類。
   

   
   
   1. 天然金剛石(ND)。
      
   2. 人造聚晶金剛石(PCD)。以石墨為原料，經高溫高壓制成。
      
   3. 人造聚晶金剛石復合片(PCD/CC)。以硬質合金為基底，表面有一層金剛石(約0.5mm)，制造方法與PCD相同。
      
   4. 金剛石薄膜涂層刀具(CD)。用CVD工藝，在刀具表面涂覆一層約10～25μm的薄膜。
      
   5. 金剛石厚膜刀具(TFD)。亦采用CVD工藝，在另一基體上涂出0.2 mm以上的厚膜，再將厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬質合金刀片上使用。

   
   
   ND的結晶各向異性，在進行刀磨的使用時必須選導致適宜的方向。人造金剛石各向同性，其硬度低于ND，但強度與韌性高于ND。
   
   金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、硬質合金、各種纖維和顆粒加強復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等，但金剛石忌切鋼鐵及其他鐵族金屬。
   
   TFD有很好的綜合性能，它兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優(yōu)點，與基底結合牢固，便于多次重磨，故有良好的應用價值和發(fā)展前景。
   
   CBN的制造方法與PCD或PCD/CC相似。以六方氮化硼為原料，經高溫高壓制成聚晶CBN或復合片CBN/CC。CBN主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵及其他硬金屬與非金屬材料。用硬質合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料，壽命很短，或根本不能勝任，而超硬材料對之則輕而易舉。金剛石刀具能對有色金屬實行超精密切削，是其獨到之處。
   
   
   
   

   3 刀具材料的化學成分

   
   
   古代人類所用的刀具材料多為天然物質，如石材料、天然金剛石等，甚至還用過隕鐵。到現(xiàn)代，絕大多數刀具材料使用人造的材料，可保證大量供應，并使質地均勻、可靠。?
   
   縱觀各種刀具材料，除人造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。這些化合物都具有高硬度、高熔點、高彈性模量(見表1～表4)，這正是刀具材料所需要的性質。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   表1 各種碳化物的性質

   碳化物性質	TiC	ZrC	HfC	VC	TaC	NbC	WC
   密度r(g/cm3)	4.85～4.93	6.44～6.90	12.20～12.70	5.36～5.77	14.48～14.65	7.82	15.60～15.70
   熔點q(℃)	3180～3250	3175～3540	3885～3890	2810～2865	3740～3880	3500～3800	2627～2900
   硬度(HV)	2900～3200	2600	2533～3202	2800	1800	2400	2400
   彈性模量E (GPa)	316～448	323～489	433	260～274	371～389	344	536～721
   碳化物性質	MO2C	B4C	SiC	Cr3C2	Cr7C3	Cr23C6	Fe3C
   密度r(g/cm3)	8.9	2.50～2.54	3.21～3.22	6.68	6.92	6.97～6.99	-
   熔點q(℃)	2 690	2350～2470	2200～2700 分解	1895	1782	1518	1650
   硬度(HV)	1 500	2400～3700	3000～3500	1800	1882	1663	860
   彈性模量E(GPa)	544	295～458	345～422	380	-	-

   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   表2 各種氮化物的性質

   碳化物性質	TiN	ZrN	HfN	VN	TaN	NbN	WN
   密度r(g/cm3)	5.44	7.35	13.94	6.08	14.1	8.26～8.40	8.33
   熔點q(℃)	2900～3220	2930～2980	3300～3307	2050～2360	2980～3360	2050	2420
   硬度(HV)	1800～2100	1400～1600	1500～1700	1500	1060	1400	1720
   彈性模量E (GPa)	616	-	-	-	587	493	-
   碳化物性質	NB(立方)	Si3N4	AlN	CrN	Cr2N	Mo2N	WN
   密度r(g/cm3)	3.48～3.49	3.18～3.19	3.25～3.30	6.10	6.51	8.04	-
   熔點q(℃)	2720～3000 分解	1900分解	2200～2300分解	1500	-	-	800
   硬度(HV)	7000～8000	2670～3260	1225～1230	1000～1188	1522～1629	630	-
   彈性模量E (GPa)	720	470	281～352	-	-	-	-

   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   表3各種氧化物的性質

   碳化物性質	TiO2	ZrO2	HfO2	V2O5	Ta2O5	Nb2O5	WO3	Al2O3	Cr2O3
   密度r(g/cm3)	4.24	6.27	9.68	3.36	8.73	4.95	6.47	3.97	5.21
   熔點q(℃)	1855～1885	2900	2780～2790	670～685	1755～1815	1473～2130	2050	2420	2309～2359
   硬度(HV)	1000	1300～1500	940～1100	-	890～1290	-	2300～2700	1720	2915
   彈性模量E (GPa)	240～290	250	-	-	-	-	-	370	-

   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   表4 各種硼化物的性質

   碳化物性質	TiB2	ZrB2	HfB2	VB2	TaB2	NbB2	W2B5	CrB2	FeB	Fe2B
   密度r(g/cm3)	4.38	6.17	10.50	5.06～5.28	12.38	6.97	11.0	5.22	7.15	7.34
   熔點q(℃)	2790	3200	3250	2400	3037	3000	2370	2200	1650	1410
   硬度(HV)	3310～3430	2230～2274	2400～3400	2797～2813	2460～2540	2600	2650～2675	2020～2180	1600～1700	1290～1390
   彈性模量E (GPa)	540	350	-	273	262	650	790	215	350	290

   
   
   如碳素工具鋼，其主要成分是Fe₃C，合金工具鋼中有復合碳化物，如合金滲碳體(Fe，Cr)₃C等。高速鋼中有更多的復合碳化物.硬質合金的硬質相主要為WCT 和TiC，但經常加入Ta，Nb等元素而形成復合的固溶體，且須用Co，Ni等為黏結材料。陶瓷的基體材料常用Al₂O₃和Si₃N₄，但又加入了碳化物、其他氧化物和氮化物，甚至硼化物。立方氮化硼則是一種非金屬氮化物。
   
   在刀具材料中，碳化物用得最多。各種金屬碳化物分1型、2型、3型、6型、7型和23型等，即MC(如TiC、SZrC等)、M₂C(如Mo₂C等)、M₃C(如Cr₃C₂、Fe₃c等)、M₆C(如Fe₃(W，Mo)₃C₆等)、M₇C(如Cr₇C₃等)和M₂₃C(如Cr₂₃C₆等)。各型碳化物的生成，均遵循一定規(guī)律。它們也可形成復合碳化物，但其物理、力學性質難以查到確切的數據。?
   
   近年中，氮、碳和金屬(一種或二種)的復合化合物在刀具涂層中用得較多。根據巴爾查斯(Balzer)涂層公司的資料，列出幾種涂層材料的物理、力學性能，以資參考。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

   表5 幾種涂層材料的性能

   材料名稱	顯微硬度(HV)	與鋼的干摩擦因數	最高適用溫度(℃)	顏色
   TiCN	2300	0.4	400	藍灰色
   AlCrN	3200	0.35	1100	藍灰色
   TiAlN	3300	0.4	900	藍灰色或紫灰色

   
   
   碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的種類如此眾多，在刀具材料的研制和使用中發(fā)揮了很大作用。但已被用上并為人們所熟知的還只是其中的少數，多數未付諸應用，這一情況從表1~表5中可以看出。因此，人們在研制新刀具材料時，在化學組分上尚有選擇余地和很大潛力可挖。當然，表中所列的化合物并非都有用上的可能，因為不能僅考慮物質的性能，還應顧及資源、價格和工藝等因素。?
   

   4 刀具材料與工件材料的匹配

   
   
   軍工產品多用難加工材料，如高強度、超高強度鋼、高錳鋼、淬硬鋼和冷硬鑄鐵、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、復合材料等。刀具、工件兩方面材料的力學、物理和化學性能必須得到合理的匹配，切削過程方能正常進行，并獲得正常的刀具壽命；否則，刀具就可能會急劇磨損，刀具壽命很短。例如，硬度高的工件材料，就必須用更硬的刀具來加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質合金和陶瓷刀具則能勝任，CBN刀具更佳。加工硬脆材料，不僅要求刀具有很高的硬度，還要求有高的彈性模量，否則刃部難以支撐。用硬質合金刀具加工淬硬鋼及其它硬脆材料，必須采用彈性模量較高(WC成分較多)的K類或M類牌號。以上是力學性能的匹配。不僅考慮刀具材料的常溫力學性能，還應考慮其高溫性能。
   
   在加工導熱性差的工件時，應采用導熱性較好的工具，以使切削熱得以傳出。從而降低切削溫度。這是物理性能匹配的例子。
   
   工件、刀具雙方材料中的化學元素如有容易化合、相互發(fā)生化學作用或擴散作用者，應設法回避。例如，含鈦的金屬材料——鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等，不能用含鈦元素的刀具進行切削。也就是說，P類硬質合金、TiC基與Ti(C，N)基硬質合金、涂層硬質合金(多數涂層材料含鈦)均不能使用；應采用K類硬質合金或高速鋼。凡加工塑性材料出長切屑且與前刀面發(fā)生摩擦者，應特別注意刀-屑雙方元素的相互擴散，故加工非淬硬鋼材應當采用P類硬質合金或Al₂O₃基陶瓷，而不能采用K類合金與Si₃N₄基陶瓷。金剛石在600~700 ℃以上時將轉化為石墨，F(xiàn)e元素將起催化作用而加速這種轉化，故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN最適合加工鋼鐵，但只能進行干切削，水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學性能匹配的例子�；瘜W作用在低溫條件下一般進行緩慢，高溫下加劇。力學、物理、化學作用有時是綜合影響而且是相互關聯(lián)的，對它們的規(guī)律尤其是對化學作用的機理尚認識不夠深入，有待進一步研究。
   

   5 結語

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   工件與刀具雙方交替進展、相互促進，成為切削技術不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀前半、后半時期分別是高速鋼、硬質合金大發(fā)展的年代。近50年中，硬質合金不斷提高自身的性能，發(fā)展了許多新品種，從高速鋼的領域中占領了大片陣地，成為當前用量超過一半的刀具材料，這是當年人們所未能估計到的。預計到21世紀，硬質合金的使用范圍將進一步擴大；高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢，仍將占有一定的陣地。由于資源、價格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發(fā)展，代替一部分硬質合金刀具。然而，由于陶瓷的切削性能與硬質合金相比，差距不是那么巨大，加上其強度、韌性和可加工性的不足，未來陶瓷刀具的發(fā)展不會像過去硬質合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應用。新刀具材料的研制周期會越來越短，新品種、新牌號的推出將越來越快。在刀具材料發(fā)展中，硬度、耐磨性與強度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾。有可能在21世紀中研制出既具有高速鋼、硬質合金的強度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種涂層刀具和復合結構都能在一定程序上克服上述矛盾，故極有發(fā)展前景。在未來，刀具材料將接受工件一方及制造系統(tǒng)更新、更嚴峻的挑戰(zhàn)。新品種的出現(xiàn)、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補充的局面，將成為未來刀具材料發(fā)展的特點。
   
   目前，碳化物、氮化物、氧化物和硼化物是刀具材料的主體成分。用石墨合成為人造聚晶金剛石已跳出了這個圈子。近年武漢大學采用RF-PECVD法在麻花鉆上涂覆C₃N₄薄膜，膜的硬度接近超硬材料，鉆頭使用壽命大為提高。在21世紀里，刀具材料將有出人意料的新的飛躍發(fā)展。