李 力，欒道成，胡 濤，張崇才

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

0 引言

隨著加工工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代刀具材料向著高精度、高速切削、干式切削和降低成本等方向發(fā)展［1］。硬質(zhì)合金以其優(yōu)良的性能正在更多的場合替代其他的刀具材料。它是由難熔金屬化合物和金屬黏結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法制成的工具材料。其硬度為HRA 89～94，遠(yuǎn)高于高速鋼，且具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)［2］報(bào)道，發(fā)達(dá)國家90％以上的車刀和55％以上的銑刀都采用硬質(zhì)合金材料，而且比重仍在增加。另外，硬質(zhì)合金也用來制造鉆頭、端銑刀。作為加工硬齒面的中、大模數(shù)齒輪刀具和鉸刀、立銑刀、拉刀等復(fù)雜刀具也日益增多。

1 新型硬質(zhì)合金刀具

現(xiàn)階段國內(nèi)外比較常用的硬質(zhì)合金刀具采用的是WC基硬質(zhì)合金，近年來又出現(xiàn)了TiC（N）基硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金等刀具新品種［3］。

1.1 碳（氮）化鈦基硬質(zhì)合金刀具

這類硬質(zhì)合金是以TiC（N）為主要成分的TiC（N）-Ni-Mo合金（金屬陶瓷）。它的硬度高（HRC可達(dá)到94～95）、耐磨性好且高速切削鋼料時(shí)磨損率低。此外，它的抗氧化性好、耐熱性好（1 000℃以上也可以加工）、化學(xué)性能穩(wěn)定?？梢杂脕碇圃旄咚倬庸び玫牡毒卟牧?，填補(bǔ)了WC基硬質(zhì)合金和陶瓷刀具材料的空白。鎢資源在世界多數(shù)國家比較匱乏，隨著鎢資源的短缺，研發(fā)少含或不含鎢的刀具材料有重要的戰(zhàn)略意義［4］。TiC（N）基硬質(zhì)合金已經(jīng)有接近陶瓷材料的硬度和耐熱性，而韌性又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陶瓷材料。這種硬質(zhì)合金用Ni作為粘結(jié)劑，并加入Mo或MoC2。人們把TiC基和TiCN基硬質(zhì)合金稱為金屬陶瓷［5］。

金屬陶瓷刀具的不足之處主要是韌性不夠高和切削刃抗塑性變形的能力不夠強(qiáng)，因此不適用于粗加工，也不適于淬硬鋼和冷硬鑄鐵等硬脆材料的加工。近年來，為了增加金屬陶瓷材料的韌性，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定的成效。以日本京瓷（Kyocera）公司的產(chǎn)品為例，說明金屬陶瓷刀具材料的新發(fā)展：發(fā)展和使用了TiCN-NbC和TiC-TiN基金屬陶瓷，其性能進(jìn)一步提高；發(fā)展了超細(xì)晶粒金屬陶瓷，其平均晶粒為0.6μm，抗彎強(qiáng)度達(dá)到2.5Gpa；發(fā)展了涂層金屬陶瓷，采用PVD涂層技術(shù)，涂層用TiAlN材料，性能高于無涂層者。

1.2 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具

文獻(xiàn)［6-7］的研究表明：當(dāng)WC晶粒度足夠?。ā?.5μm），及達(dá)到超細(xì)晶粒尺度時(shí)，硬質(zhì)合金的硬度和強(qiáng)度都可以得到較大的提升，達(dá)到高硬度和高強(qiáng)度的統(tǒng)一。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是一種高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性兼?zhèn)涞挠操|(zhì)合金，它的WC粒度一般為0.1～0.2μm以下，大部分在0.5μm以下，是普通硬質(zhì)合金WC粒度的幾分之一到幾十分之一。具有硬質(zhì)合金的高硬度和高速鋼的強(qiáng)度。其硬度HRA一般為90～93，抗彎強(qiáng)度為2 000～3 500MPa，比含鈷量相同的普通WC-Co硬質(zhì)合金要高［8］。不同晶粒度硬質(zhì)合金的切削性能如表1［9］。

表1 不同晶粒度WC硬質(zhì)合金刀具切削性能

超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金適合于在高速鋼刀具耐磨性不夠及由于振動(dòng)引起傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金磨損或因切削速度過低而不宜使用傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的情況下使用。對于一些涂層刀片不能發(fā)揮其優(yōu)越性的情況下，這種材料更能顯示其獨(dú)特的效果。

超細(xì)硬質(zhì)合金刀具不僅可以加工有色金屬、黑色金屬，還可以加工淬硬的鋼材、耐熱耐蝕不銹鋼、宇航用高溫合金、木制品、玻璃纖維等，而且可以制成切削刀片和整體硬質(zhì)合金刀具，進(jìn)行高效精密加工。在先進(jìn)刀具材料中，它已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位［10-12］。在切削速度為300m/min的高速切削狀態(tài)下，可以長時(shí)間加工60HRC以下的鋼材材料。如在Gr17Ni2上鏜孔時(shí)，刀具刃磨一次可加工的工件數(shù)為：YT15為4～5件，YT05為29～50件，而用YS2車刀可達(dá)到90～140件［13］。由于超細(xì)硬質(zhì)合金刀具晶粒極細(xì)，可以磨得非常鋒利、光潔，可以用于制造各種精密刀具和用于數(shù)控車床。

2 硬質(zhì)合金刀具材料的燒結(jié)新技術(shù)

燒結(jié)技術(shù)是決定硬質(zhì)合金組織和性能的關(guān)鍵步驟，也直接影響刀具材料的性能［14］。在燒結(jié)過程中需要著重注意兩個(gè)問題，燒結(jié)溫度的控制和晶粒粒度的控制。如何在盡量低的燒成溫度下達(dá)到合金的完全致密和燒結(jié)過程中的晶粒長大的合理控制是燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展方向。以下總結(jié)幾種新式的燒結(jié)技術(shù)。

2.1 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)（SPS）是一種新型的燒結(jié)技術(shù)，它通過直接在顆粒之間通入脈沖電流進(jìn)行加熱燒結(jié)。在SPS燒結(jié)過程中，電極通入直流脈沖電流時(shí)瞬間產(chǎn)生的放電等離子體，使燒結(jié)體內(nèi)部各個(gè)顆粒均勻地自身產(chǎn)生焦耳熱并使顆粒表面活化，利用顆粒內(nèi)部自身發(fā)熱進(jìn)行燒結(jié)［15-16］。這種放電直接加熱法，熱效率極高，放電點(diǎn)的彌散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱，因而容易制備出均質(zhì)、致密、高質(zhì)量的燒結(jié)體。由于升溫速率快，直接跳過了表面擴(kuò)散過程，有效的控制晶粒尺寸。

余洋等［17］對比研究了放電等離子燒結(jié)和傳統(tǒng)真空燒結(jié)超細(xì)WC-Co硬質(zhì)合金的組織和性能。結(jié)果顯示：SPS燒結(jié)時(shí)間只有真空燒結(jié)的1/26，晶粒更細(xì)，硬度提高1.5％，抗彎強(qiáng)度提高12.6％。另外放電等離子燒結(jié)和傳統(tǒng)真空燒結(jié)合金的力學(xué)性能比較如表2。

表2 SPS與真空燒結(jié)硬質(zhì)合金力學(xué)性能

2.2 微波燒結(jié)

微波燒結(jié)是近十幾年來發(fā)展起來的一種新型燒結(jié)技術(shù)，它與常規(guī)加熱方法有顯著的不同。微波燒結(jié)通過微波與燒結(jié)材料的相互作用使燒結(jié)材料內(nèi)部的原子、分子或離子的動(dòng)能增加，故材料的燒結(jié)活化能降低，擴(kuò)散系數(shù)提高，可實(shí)現(xiàn)低溫快速燒結(jié)，即細(xì)粉來不及長大就已被燒結(jié)，是制造細(xì)晶材料的有效手段［18-22］。E Breval et al［23］微波燒結(jié)制成了WC/Co金屬基復(fù)合材料，并發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體WC顆粒細(xì)小、分布均勻，其力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燒結(jié)。

微波燒結(jié)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：顯著降低了燒結(jié)溫度，最高可達(dá)500℃；降低能耗；縮短燒結(jié)時(shí)間，提高致密度，細(xì)化晶粒。但是微波燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)熱失控效應(yīng)，對燒結(jié)體加熱不均勻，從而影響產(chǎn)品性能。另外適合工業(yè)生產(chǎn)的大功率微波爐在制造上有很大困難，微波燒結(jié)還不能大規(guī)模用于生產(chǎn)。

2.3 其他燒結(jié)方式

除了上述燒結(jié)技術(shù)以外，還有一些新的燒結(jié)技術(shù)不斷被研發(fā)出來。如激光燒結(jié)、二階段燒結(jié)［24］、熱擠壓燒結(jié)等燒結(jié)方式。鍛造燒結(jié)則通過粉末的高溫塑性可有效地消除空隙。這些燒結(jié)方法可以從一定程度上細(xì)化晶粒，得到致密的硬質(zhì)合金材料。

3 硬質(zhì)合金刀具的表面加工新技術(shù)

采用新技術(shù)對硬質(zhì)合金刀具的表面加工可以提高刀具的耐用度和使用壽命，對機(jī)械工業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

3.1 涂層技術(shù)

涂層硬質(zhì)合金是在硬質(zhì)合金基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜（如TiC、TiAlN、Al2O3等）。結(jié)合了基體的高強(qiáng)度、高韌性和涂層的高硬度、高耐磨性的優(yōu)點(diǎn)。既降低了刀具的磨損又保證了基體韌性，延長了刀具的使用壽命，是刀具發(fā)展的又一次革命［25］。

涂層硬質(zhì)合金刀具有比基體更高的硬度及耐磨性，有高的耐熱性（可800～1 000℃）。如在常溫時(shí)的硬度為HV 2 000，在1 000℃時(shí)仍能保持HV 1 000，而未涂層硬質(zhì)合金卻下降到HV 500。涂層硬質(zhì)合金刀具比未涂層硬質(zhì)合金耐用度高（一般可提高1～3倍，高的可達(dá)5～10倍），切削速度高，進(jìn)給量及切削深度大。在用涂層刀片車削中，進(jìn)給量高達(dá)0.51～0.76mm/r，同時(shí)切削深度達(dá)6.35～7.6mm也是不罕見的。因此，能極大提高效率，改善工件表面質(zhì)量，是近些年來硬質(zhì)合金領(lǐng)域中取得的最大成就之一。

目前，涂層硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)［26］：

3.1.1 涂層成分多元化

隨著加工工業(yè)的發(fā)展，單一成分涂層已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求。而且由于涂層和基體之間膨脹系數(shù)和晶體類型不同，很容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，結(jié)合力不強(qiáng)。在單元涂層中加入新元素（如加入Al、Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨損性，加Si提高硬度和抗化學(xué)擴(kuò)散）制備多元的涂層，大大提高刀具的綜合性能。

目前應(yīng)用最廣泛的多元涂層是TiCN和（Ti、Al）N涂層。TiCN涂層可在涂覆過程中控制C和N的成分來提高涂層的性能，形成梯度結(jié)構(gòu)來降低內(nèi)應(yīng)力和阻止裂紋擴(kuò)展，提高韌性。（Ti、Al）N涂層有很高的硬度和抗氧化能力，比TiN涂層刀具更能有效地用于連續(xù)高速車削，也適合于加工鐵合金、鎳合金不銹鋼等工件。

成都工具研究所研制出Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B兩個(gè)系列共三種高性能多元復(fù)合涂層，具有優(yōu)異的復(fù)合機(jī)械性能和優(yōu)良的切削性能。主要用于汽車刀具及Hertel系列螺紋梳刀片上［27］。

3.1.2 涂層結(jié)構(gòu)的多層化

隨著高速和干式切削加工技術(shù)的進(jìn)步，單層涂層已不能滿足苛刻的工作條件。采用多層涂層的方法既可以充分利用單層涂層優(yōu)良的力學(xué)性能，又可以進(jìn)一步提高其硬度、韌性和抗氧化性，還可以改善涂層和基體的結(jié)合方式。是目前提高刀具性能的重要研究方向。圖1顯示了涂層從單層到多層的結(jié)構(gòu)變化［28］。

圖1 涂層由單層到多層時(shí)界面結(jié)構(gòu)的變化

目前研究和應(yīng)用較多的是雙層涂層和3～7層的多層復(fù)合涂層。涂層的成分更具有針對性和成分的復(fù)雜化，另外涂層的厚度也趨向納米化，每一層的成分和厚度都可以根據(jù)實(shí)際情況來控制。如TiC/TiN涂層同時(shí)具有TiC涂層的高硬度和TiN涂層良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高抗月牙洼磨損性能。由于TiC在膨脹系數(shù)上更接近基體，內(nèi)應(yīng)力小且結(jié)合牢固，所以常用作多層涂層的底層。三層涂層的組合方式有TiC/TiCN/TiN、TaC/TiC/TiN、TiN/TiC/TiN和TiCN/TiC/TiCN等，都是利用各個(gè)單涂層的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)不同的切削條件組合而成的［29］。

3.1.3 涂層工藝的多樣化

硬質(zhì)合金刀具涂層方法很多，包括氣相沉積、熱噴涂、化學(xué)熱處理、熱反應(yīng)擴(kuò)散沉積、溶膠凝膠法等。氣相沉積應(yīng)用比較多，制備涂層質(zhì)量好，已經(jīng)逐步成為刀具涂層的主要技術(shù)。氣相沉積分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）。特別是20世紀(jì)80年代以來，PVD技術(shù)成功用于切削刀具的硬質(zhì)涂層，已普遍應(yīng)用于銑刀、鉆頭、鉸刀、絲錐、異形刀具等的涂層處理，并擴(kuò)展到模具和摩擦零件及裝飾等防腐耐磨鍍層，在先進(jìn)制造技術(shù)中占有重要地位，引起材料和機(jī)械領(lǐng)域的廣泛重視。

3.2 離子注入技術(shù)

離子注入是指在離子注入機(jī)中將離子加速成高能高速的離子束，注入到固體材料的表面內(nèi)，獲得高硬度的硬化層［30］。近年來，研究人員開始使用離子注入作為改良刀具性能的手段，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)過離子注入后刀具的耐磨性和使用壽命都得到提高，而且大幅度提高耐用度（50％到4倍）。

離子注入技術(shù)相對于涂層技術(shù)有獨(dú)特的優(yōu)越性，它使材料表層區(qū)域的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，離子轟擊的多種強(qiáng)化作用使材料內(nèi)部產(chǎn)生晶格缺陷，從而提高表面的機(jī)械性能。同時(shí)克服了涂層和基體的結(jié)合問題。

硬質(zhì)合金刀具的離子注入以N、C最具有代表性，目前，已經(jīng)有研究人員在開發(fā)雙離子注入技術(shù)［31］。

3.3 深冷加工

深冷處理是指將材料放置在-130℃以下的可控環(huán)境中進(jìn)行保溫以提高或改善其性能的一種工藝。深冷處理不僅能顯著提高材料的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，而且操作簡單、成本低廉、無污染，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和市場前景［32-34］。

雖然深冷處理在提高刀具耐磨性和使用壽命上的作用已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，但在硬質(zhì)合金刀具界還沒有推廣使用，主要原因是深冷處理的機(jī)理還在研究過程中。深冷處理發(fā)展空間非常廣闊，已經(jīng)受到越來越多研究人員的重視。

4 結(jié)語

迄今為止，國內(nèi)外在硬質(zhì)合金刀具的研發(fā)方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，新型硬質(zhì)合金刀具不斷涌現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀具已經(jīng)在更為廣闊的領(lǐng)域里發(fā)揮作用。相信隨著材料制備加工技術(shù)的發(fā)展和新型材料的不斷出現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀具將成為刀具行業(yè)里的重要力量。

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