儲開宇

（華北電力大學機械系，河北保定 071000）

21世紀刀具材料的發(fā)展與應用

儲開宇

（華北電力大學機械系，河北保定 071000）

論述了刀具材料的基本情況，介紹了刀具材料的類型、研究現(xiàn)狀、應用等方面的內(nèi)容，并對刀具材料的發(fā)展方向進行了展望。

刀具 刀具材料 高速鋼 硬質(zhì)合金 陶瓷

近年來，為把我國打造成為制造業(yè)的強國，發(fā)展大型、精密、高速數(shù)控設備和功能部件成為國家重要的目標之一。隨著高精密、高轉(zhuǎn)速數(shù)控機床大量應用，刀具在材料、結(jié)構(gòu)、設計理念與方法上不斷創(chuàng)新和發(fā)展，發(fā)生了巨大的變革。本文就上述內(nèi)容進行敘述與分析。

現(xiàn)代刀具所使用的材料有：

1 高速鋼

高速鋼是一種加入了較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等元素的高合金工具鋼，熱處理后能在溫度500～650℃時進行切削，而硬度無明顯下降，具有良好的熱硬性。用其制造的刀具切削速度是普通工具鋼的1～3倍，可達60 m/min以上（故而得其名），提高刀具耐用度10～40倍以上。高速鋼的類型有通用型高速鋼和高性能高速鋼。

1.1 通用型高速鋼

（1）鎢系高速鋼 1900年美國發(fā)明，典型牌號W18Cr4V，切削中碳鋼速度達30 m/min，熱處理硬度達63～66 HRC，抗彎強度達3 500 MPa，可以滿足一般性能的要求，生產(chǎn)工藝成熟，通用性強，在工業(yè)上應用十分廣泛。但碳化物偏析比較嚴重，熱塑性差，不便于熱加工成型，在加工特硬材料時不能滿足對刀具硬度和紅硬性的要求。由于鎢和其他合金元素的含量較多，成本亦較高。國內(nèi)市場比例約16.5%。

（2）鎢鉬系高速鋼 1937年美國發(fā)明，典型牌號為W6Mo5Cr4V2，其碳化物分布細小均勻，韌性和高溫塑性比W18Cr4V高50%，抗彎強度達4 700 MPa，熱處理硬度和切削性能與W18Cr4V基本相同，成本低，目前正在取代鎢系高速鋼。常用于制造鉆頭、絲錐、銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等刀具。但耐磨性略遜于W18Cr4V，脫碳敏感性稍強，國內(nèi)市場比例約69%。我國近年發(fā)展的新品種W9Mo3Cr4V，它強度及熱塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度為63～64 HRC，容易軋制、鍛造，熱處理工藝范圍廣，脫碳敏感性小，成本更低，國內(nèi)市場比例約11%。

1.2 高性能高速鋼

通過調(diào)整高速鋼的化學成分和添加其它合金元素，使其性能進一步得到提高。具有更好的硬度和熱硬性，切削溫度在650℃時，硬度仍可保持在60 HRC以上。耐用度為普通高速鋼的1.5～3倍，適用于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金和超高強度鋼等難加工材料。只是在中等速度加工軟材料時，優(yōu)越性不明顯。主要品種有：

（1）高碳系高速鋼 1939年美國發(fā)明高碳高釩高速鋼，淬回火硬度達67～68 HRC，耐磨性好。典型牌號有碳含量高達0.9%的9W18Cr4V，其硬度、耐磨性及熱硬性都比較好。在切削不銹鋼、耐熱合金等難加工材料時，刀具壽命能夠顯著提高。但抗彎強度只有3 000 MPa，沖擊韌性較低，熱處理工藝要求嚴格。

（2）鈷高速鋼 1958～1963年美國發(fā)明M40系高速鋼，硬度達70 HRC。典型牌號有釩含量僅為1%、鈷含量達8%的W2Mo9Cr4VCo8。其硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好，熱處理硬度達67～70 HRC，適于制成各種刀具和復雜刀具，用于切削難加工材料，國際上應用很普遍。在我國，因鈷資源缺乏，其成本約為通用型高速鋼的5～8倍，使用受到一定影響。

（3）鋁高速鋼 我國研制出無鈷、含鋁的高性能高速鋼，典型牌號有 W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4 V5SiNbAl等，在 W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V5中加入鋁（Al）和硅（Si）、鈮（Nb）元素，并增碳（C）來提高熱硬性、耐磨性。切削溫度600℃時，硬度達68 HRC，抗彎強度3 700 MPa。他是立足于我國資源情況的無鈷高速鋼，性能好成本低。但它易氧化及脫碳，可塑性、可磨性比鈷高速鋼稍差，仍需改進。

（4）粉末冶金高速鋼 高速鋼的質(zhì)量性能受到多方面因素的影響，其中碳化物分布的均勻性及其大小的控制，是對其性能影響較大而又難以改善的因素。1965年美國Crucible Steels公司發(fā)明了粉末冶金法生產(chǎn)高速鋼，使得高速鋼發(fā)展產(chǎn)生了大變革。

目前國際市場上高性能高速鋼使用量已經(jīng)超過通用型高速鋼25%～30%，粉末冶金高速鋼在各類刀具中占的百分比為齒輪刀具中占70%，拉刀中占50%，立銑刀中占20%，鉆頭中占1%。

2 硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是高硬度、難熔的金屬碳化物（WC、TiC等）的微米數(shù)量級粉末，用Co、Mo、Ni等作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品，其中高溫碳化物含量超過高速鋼，允許的切削溫度高達800～1 000℃，常溫硬度達89～93 HRA，760℃時硬度達77～85 HRA，切削速度可達100～300 m/min，遠遠超過高速鋼，壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍，但強度和韌性僅為高速鋼的1/8～1/30，承受振動和沖擊能力差?，F(xiàn)在已成為主要的刀具材料之一。

過去，國際標準化組織（ISO）曾將刀具、刀具用硬質(zhì)合金分為三類：

P類（我國的YT類），由 WC、TiC和 Co組成，也稱鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，主要用來加工鋼材；

K類（我國的YG類），由WC和Co組成，也稱鎢鈷類硬質(zhì)合金，主要用來加工鑄鐵、有色金屬及其合金；

M類（我國的 YW類），在WC、TiC和Co的基礎上再加入TaC（或NbC）組成，可以用來加工鑄鐵、有色金屬和鋼料，還可以加工高溫合金、不銹鋼等難加工材料，有通用型硬質(zhì)合金之稱。

近年，被加工材料的種類不斷增多，ISO又增設3類硬質(zhì)合金，即：

H類，主要用于切削高硬材料，如淬硬鋼、冷硬鑄鐵等；立方氮化硼PCBN被列入了H類；

S類，用于切削耐熱材料、高溫合金等；

N類，用于切削有色金屬；聚晶金剛石PCD被列入了N類。

目前新型硬質(zhì)合金材料不斷涌現(xiàn)，例如：

（1）細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金 碳化物的晶粒細化后可提高合金的硬度和耐磨性，但抗彎強度有所降低；適當增加粘結(jié)劑鈷含量后，可提高抗彎強度。晶粒尺寸：微米晶粒硬質(zhì)合金1.0～1.3 m；亞微晶粒硬質(zhì)合金0.6 ～0.9 m；超細微晶硬質(zhì)合金 0.4 ～0.5 m；納米系列微晶硬質(zhì)合金0.1～0.3 m；我國硬質(zhì)合金刀具已達細晶粒和亞微細晶粒的水平。

（2）TiC基硬質(zhì)合金 以TiC為主體，以Ni－Mo作粘結(jié)劑，并添加少量其他碳化物的合金，不含或少含WC；與WC基合金相比，TiC在碳化物中硬度最高，對金屬的摩擦系數(shù)較小，切削時抗粘附磨損能力強，高溫硬度下降較少，有較好的耐磨性；但韌性較差。

（3）添加稀土元素的硬質(zhì)合金 稀土硬質(zhì)合金是在各種硬質(zhì)合金刀具材料中，添加了少量的稀土元素，使硬質(zhì)合金的組織比較致密；改善室溫和高溫硬度；提高斷裂韌性和抗彎強度（20%和10%以上）；耐磨性和使用壽命也有不同程度的提高；稀土硬質(zhì)合金刀片表層的富鈷現(xiàn)象，能有效減小切屑、工件與刀具間的摩擦系數(shù)，減小切削力。

（4）表面涂層硬質(zhì)合金 由于硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性較好，韌性較差，通過在硬質(zhì)合金表面上涂覆一層（5～12 m）硬度好耐磨性很高的物質(zhì)（TiC、TiN），形成涂層硬質(zhì)合金，使其既有高硬度和高耐磨性的表面，又有強韌的基體；故可提高刀具壽命和加工效率，減小切削力，降低切削溫度，提高已加工表面質(zhì)量。

（5）梯度硬質(zhì)合金 這是近年來發(fā)展起來的新品種，各層成分可根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)。

3 陶瓷材料

陶瓷是以氧化鋁（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等為主要成分，加微量添加劑，經(jīng)冷壓制成形后燒結(jié)而成，是一種廉價的非金屬刀具材料。它具有很高硬度和高溫硬度，在1 200℃時硬度達58 HRC，可加工硬度高達65 HRC的高硬度難加工材料；化學性能穩(wěn)定，耐氧化，摩擦因數(shù)低，刀具耐用度比硬質(zhì)合金提高幾倍至幾十倍，切削效率提高3～10倍，廣泛用于高速切削加工中。由于其強度低、韌性差，主要用于精加工。使用陶瓷刀具，可節(jié)約大量的貴重金屬W、Co及Ti等。種類有：

（1）氧化鋁陶瓷刀具 一種是幾乎純Al2O3成分的陶瓷，它硬度高但抗彎強度低；一種是以Al2O3為主且添加少量其它元素（如 MgO、NiO、SiO2、TiO2和 Cr2O3）的陶瓷材料，其抗彎強度雖有所提高，但高溫性能有所降低，因此還是以純氧化鋁陶瓷材料為佳。

（2）氧化鋁－金屬系陶瓷 在Al2O3陶瓷基體中加入 10% 以下的金屬元素（如 Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等），可改善Al2O3陶瓷刀具韌性。這樣材料密度、抗彎強度及硬度均有提高，但由于其抗蠕變強度低、抗氧性差，耐磨性不足，后來推廣使用情況不佳。

（3）氧化鋁－碳化物系陶瓷 在Al2O3陶瓷基體中加入一定比例的碳化物（如 Mo2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等），可進一步改善Al2O3陶瓷刀具的性能。其中以Al2O3－TiC復合陶瓷用得最多，TiC含量為30% ～50%，陶瓷的熔點達3 250℃，使陶瓷刀具的耐用度顯著提高，熱裂紋深度也較小，而抗彎強度、抗氧化性和耐熱沖擊性等均優(yōu)于Al2O3陶瓷刀具。（4）氧化鋁－碳化物金屬陶瓷刀具：在Al2O3－TiC陶瓷材料中，加入Mo、Ni（或Co、W）等金屬作為粘結(jié)相熱壓而成的陶瓷刀具材料，可改善Al2O3－TiC陶瓷刀具韌性、強度和硬度。它最適用于加工淬硬鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鑄鋼，鎳基或鎳鉻合金、鈷基合金等，另外還可用于非金屬材料如纖維玻璃、塑料夾層及陶瓷材料的切削加工。由于氧化鋁－碳化物金屬陶瓷抗熱震性能良好，故可適用于銑削、刨削、反復短暫切削或其它間斷切削等，亦可采用切削液進行濕式切削等。

（5）氧化鋁－氮化物金屬陶瓷 它是在TiC基金屬陶瓷基礎上發(fā)展起來的一種具有高硬度、高強度、優(yōu)良的高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、導熱率高的新型金屬陶瓷刀具材料。由于以氮化物取代碳化物，其保持了Al2O3－碳化物金屬陶瓷材料具有的基本性能，還具有更好的抗熱震性能，更適用于間斷切削。但其抗彎強度與硬度都比添加Al2O3－TiC的金屬陶瓷有所降低。

（6）氮化硼陶瓷刀具 最近，日本開發(fā)研制出一種粘合性立方晶氮化硼陶瓷（CBN）燒結(jié)體的陶瓷刀具材料——氮化硼陶瓷，它的硬度更高，切削加工硬度甚高的鑄鐵時，刀具頭端不會發(fā)生常見的受熱龜裂與缺屑。氮化硼陶瓷刀具與含有其它結(jié)合材料的CBN燒結(jié)體相比較，壽命可延長10倍以上，可作為一種斷續(xù)切削的陶瓷材料。在機械加工方面有廣闊的用途。

總之，陶瓷刀具是人類首次通過運用陶瓷材料改革機械切削加工的一場技術(shù)革命的成果。隨著陶瓷材料的不斷發(fā)展，陶瓷刀具在金屬切削加工業(yè)中將發(fā)揮越來越大作用。

4 金剛石材料和立方氮化硼

4.1 金剛石材料

金剛石材料的成分是碳，切削過程中，金剛石的導熱性優(yōu)越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700℃，否則會發(fā)生石墨化現(xiàn)象，刀具會很快磨損。因為金剛石與鐵系有親和力，在高溫下和 W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等會發(fā)生反應，與黑色金屬（鐵碳合金）在加工中會發(fā)生化學磨損。所以，金剛石不能用于加工黑色金屬，只能用在有色金屬和非金屬材料上。能夠制成切削刀具的金剛石材料有以下幾種。

（1）天然單晶金剛石 是一種各向異性的單晶體。硬度達9 000～10 000 HV，是自然界中最硬的物質(zhì)。它耐磨性極好，有很長的刀具壽命。但在不同晶面上硬度和耐磨性有較大差異，材料韌性很差，抗彎強度很低，熱穩(wěn)定性差（700～800℃時就會失去硬度），溫度再高就會碳化。另外，它與鐵有很強的親和力，不適于加工鋼鐵。

（2）人造單晶金剛石 除硬度比天然金剛石稍差外，其它性能都與天然金剛石接近。由于是人工制造，其解理方向和尺寸變得可控和統(tǒng)一，材料中晶體有相對較好的一致性，且成本較低，作為替代天然金剛石的新材料，人造單晶金剛石必將會有廣闊的應用前景。

（3）人造聚晶金剛石 是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末溶劑混合后在高溫（1 400℃）、高壓（6 000 MPa）下燒結(jié)而成的聚晶體。它的硬度達6 000 HV左右，耐磨性好，抗彎強度、抗沖擊和抗震性能比天然金剛石高很多；高導熱性和低熱膨脹系數(shù)，切削時散熱快，切削溫度低，熱變形?。荒Σ料禂?shù)小，切削效率高、加工精度穩(wěn)定，粗糙度可達到Ra0.05 m。與硬質(zhì)合金相比，硬度高出3～4倍；耐磨性和壽命高50～100倍；切削速度可提高5～20倍。

（4）金剛石燒結(jié)體 是在硬質(zhì)合金基體上燒結(jié)一層0.5～0.7 mm 厚的聚晶金剛石（PCD），它兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質(zhì)合金的良好強度與韌性。能進行斷續(xù)切削，可多次刃磨。但刃磨相當困難，主要體現(xiàn)在材料磨除率小、效率低、砂輪損耗大、刃口呈鋸齒狀。因此刃磨工藝性已成為其推廣應用的主要障礙之一。

（5）CVD金剛石膜 是一種化學氣相沉積法制成的金剛石材料。其硬度高于PCD，不含金屬結(jié)合劑，有很高的熱傳導率和抗高溫氧化性能。但韌性比較差，刃口極難磨出象天然金剛石和人造單晶金剛石一樣鋒利，作為切削刀具有待進一步研究和開發(fā)。

4.2 立方氮化硼

立方氮化硼（CBN）是上世紀70年代人工合成的材料，硬度高達8 000～9 000 HV，僅次于金剛石，在1 250～1 350℃的熱穩(wěn)定性很好，在1 400℃仍然保持其硬度。對鐵系金屬元素有較大的化學惰性，抗粘結(jié)能力強，十分有利于加工黑色金屬，也可加工脆硬鋼、冷硬鑄鐵等各種難加工材料，其硬切削能力優(yōu)于陶瓷材料；而且還能對高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其它難加工材料進行高速切削和高速干切削；另外，在加工鎳基合金時，立方氮化硼刀具比硬質(zhì)合金刀具壽命長百倍以上。

5 刀具材料技術(shù)的發(fā)展

5.1 高性能高速鋼刀具材料的發(fā)展

一是鈷高速鋼的應用面擴大，從制造復雜刀具擴大到通用刀具。二是粉末冶金高速鋼的性能得到進一步提高，使用量和切削效率也相應提高。

5.2 硬質(zhì)合金刀具材料發(fā)展

一方面是采用細顆粒（1～0.5 m）和超細顆粒（＜0.5 m）材料的硬質(zhì)合金，具有硬度與強度完美結(jié)合（強度高達4 300 MPa），另外，加壓燒結(jié)等新工藝使硬質(zhì)合金的內(nèi)在質(zhì)量得以進一步提高。另一方面是優(yōu)質(zhì)整體硬質(zhì)合金刀具開發(fā)的通用刀具，使切削速度、切削效率和刀具壽命比高速鋼提高幾倍。

5.3 先進的涂層技術(shù)

涂層技術(shù)從20世紀70年代初問世以來，已進入了開發(fā)厚膜、復合和多元涂層的新階段，其21世紀的發(fā)展方向有：

（1）薄膜的多元化及服務的個性化。21世紀的PVD技術(shù)，已從單一的TiN、TiCN、TiAlN發(fā)展到現(xiàn)在的幾十種涂層牌號，并可對不同的應用選擇薄膜成分和結(jié)構(gòu)。

（2）高速及干式切削涂層技術(shù)的開發(fā)。涂層刀具在高速加工或干式切削過程中，溫度是影響其壽命的主要原因。如何提高薄膜的高溫性能、保證涂層刀具的紅硬性成為近幾年PVD技術(shù)的開發(fā)熱點。

（3）涂層薄膜組織結(jié)構(gòu)的改善。PVD主要是陰極電弧離子鍍技術(shù)，現(xiàn)在人們試圖通過硬件的開發(fā)及工藝的調(diào)整來改善涂層薄膜的組織結(jié)構(gòu)，使得陰極電弧涂層的綜合性能得以提高。

（4）納米涂層技術(shù)不斷完善。多種納米涂層的實用化，使涂層的性能有了顯著的提高；通過晶粒細化技術(shù)，使涂層表面光滑，以提高涂層刀具抗摩擦、抗粘結(jié)的能力。

（5）硬質(zhì)合金表面涂層技術(shù)的發(fā)展。硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片表面涂覆金剛石技術(shù)的突破，可使硬質(zhì)合金刀具在加工黑色金屬及有色金屬領域的切削效率得到全面提高。它對切削加工向高速、高效、高精度方向發(fā)展將起主導作用，并引起制造技術(shù)加工工藝的變革。

5.4 超硬刀具材料的發(fā)展

一般將鈦基硬質(zhì)合金（亦稱金屬陶瓷）、陶瓷、立方氮化硼和金剛石稱為超硬刀具材料。隨著刀具技術(shù)的不斷進步，其脆性得到了降低，韌性大幅度得到提高，綜合性能得到了較大的改善，使用的可靠性得到極大提高。耐磨性也比硬質(zhì)合金更好，能適應更高的切削速度。如日本住友公司研發(fā)推出的牌號為BNX10立方氮化硼刀具材料，在加工硬度為62～64 HRC的淬硬材料時，切削速度可達180 m/min，提高了50%，而刀具壽命卻增加了一倍。

6 結(jié)語

綜上所述，隨著社會進步和科學技術(shù)的發(fā)展，在航空、航天、船舶、電子、汽車等領域?qū)Φ毒卟牧咸岢隽嗽絹碓礁叩囊?。由加工工藝的多樣性造成對刀具材料需求的多樣性，為此，我們必須加快各類刀具材料的發(fā)展，提高各類刀具材料性能，由于各種刀具材料在其獨特應用領域里的優(yōu)勢，因此使用中相互有所取代補充已成為現(xiàn)代刀具材料技術(shù)的基礎和關鍵。我們要充分利用先進的科學技術(shù)，改善和發(fā)現(xiàn)新型刀具材料，盡快趕超世界先進刀具技術(shù)水平。可以預見，在進一步提高刀具材料耐磨性和韌性的總發(fā)展趨勢中，刀具涂層技術(shù)和超硬刀具材料的發(fā)展是2l世紀初刀具材料發(fā)展的主流。

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作者：儲開宇，男，1963年生，工學碩士，副教授，主要從事機械制造裝備的設計、加工制造及理論方面的研究，已發(fā)表論文20余篇。

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Development and Application of 21 Century Tool Materials

CHU Kaiyu
（Mechanical Engineering Department，North China Electric Power University，Baoding 071000，CHN）

In this paper，the general situation of tool materials is discussed，latest development，kinds and applications of tool materials are introduced，Its prospect of future development is predicted.

Tool；Tool Materials；High － speed Steel；Cemented Carbide；Ceramic

TG142.45

A

（編輯 李 靜） （

2010－03－04）

10721