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现代新型刀具材料新发展 |
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作者：北京理工大学 于启勋 张京英 |
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摘要：论述了刀具和刀具材料在人类历史发展中所起的重要作用.回顾了早期机械制造中曾经用过的刀具材料。重点阐述了现代军工产品加工中所用新型刀具材料（高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料）的化学成分、制造方法、性能和应用范围。对21世纪中刀具材料的发展动向也作出了预测与展望。
关键词：刀具；刀具材料；切削加工；军工产品
刀具材料的发展在人类的生活、生产和战争中有着很大的重要性。在古代，“刀”和“火”是两项最伟大的发明，它们的发明和应用是人类登上历史舞台的重要标志。刀具材料的进步曾推动着人类社会文化和物质文明的发展。例如，在人类历史中曾有过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代等。
材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。其中，刀具材料的性能起着关键作用。20世纪是刀具材料大发展的历史时期。各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计，在今后很长时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。
1 刀具材料的发展历史
用石料或铜合金来作为刀具材料，那是古代的事。18世纪中叶，在欧洲出现了工业革命以后，切削刀具一直是用碳素工具钢制造，其成分与现代的T10、T12相近。碳素工具钢有较高的硬度，切削刃能够磨得很锋利，但只能承受200~250 ℃的切削温度，用以切削普通钢材只能用5~8 m/min的切削速度，故切削效率很低。1865年，英国罗伯特·墨希特（Robert Mushet）发明了合金工具钢，其牌号有9CrSi、CrWMn等，能承受350 ℃的切削温度，切削速度可提高到8~12 m/min。随着机器生产规模的扩大，对加工效率的要求日益提高，上述两种工具钢材料的性能已不敷要求。1898年，美国机械工程师泰勒（F.W.Taylor）和冶金工程师怀特（M.White）发明了高速钢。当时的成分是：C0.67%，W18.91%，Cr5.47%，Mn0.11%，V0.29%，Fe余量。它能承受550~600 ℃切削温度，切削普通钢材，可采用25~30 m/min的切削速度。高速钢的出现，使切削速度和切削效率比碳素工具钢、合金工具钢分别提高了4倍和2.5倍以上。从19世纪末到20世纪初，高速钢曾使切削水平出现了一个飞跃，使美国和世界各国的机械制造业得到迅速发展，并取得了巨大的经济效益。
随着人类生活、生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高加工效率和高加工质量的新要求。人们寻求性能更高的新型刀具材料。20世纪20年代中期到30年代初，出现了钨钴类和钨钛钴类硬质合金。硬质合金常温硬度达HRA 89~93，能承受800~900 ℃以上的切削温度，切削速度为高速刀具的3~5倍，因而逐渐得到应用。第二次世界大战期间，由于大批量、高效率生产兵器的需要，美、英、苏、德各国已部分使用硬质合金刀具：二战后逐步扩大使用。解放后，我国从苏联引进少量硬质合金。20世纪50年代中期以后，开始自行生产并广泛使用。20世纪后半期，工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和形状不断复杂化和多样化，对刀具提出了更新、更高的要求，硬质合金刀具在这些新的要求中发挥了重大作用。而且硬质合金本身也有发展，出现了许多新品种，其性能不断提高。但硬质合金较脆，韧性不足，可加工性远远低于高速钢，开始时只能用于车刀和铣刀，后扩大到其他刀具，但不能用于所有的刀具。正因如此，高速钢能制造各种类型的刀具，始终占领着很大的阵地。而高速钢也发展了很多新品种，切削性能比起初的普通高速钢有了很大提高。到近年，高速钢和硬质合金仍是用得最多的两种刀具材料，硬质合金稍过半数。经过半个世纪，硬质合金竟然占领了如此广阔的阵地，是人们在当初所预料不到的。
硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相继出现。20世纪30年代出现了氧化铝陶瓷，后来又有氮化硅陶瓷。到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金钢石，它们的硬度大幅度地高于其他刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬质合金，但其韧性和可加工性则逊于硬质合金。
综上所述，20世纪中，刀具材料发展的速度比过去快得多。百花齐放，推陈出新，令人眼花缭乱，目不暇接。其品种、类型、数量和性能均比过去有大幅度的发展，推动着人类物质文明迅速前进。
2 现代新型刀具材料
2.1 高速钢
在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受成形加工，故能用以制造各种刀具。在刀具材料总消耗量中高速钢几近一半。传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。在钨系高速钢中，除MC，M2C，M23C外，M6C是其主要的碳化物，即Fe3W3C和Fe4W2C。在钨钼系高速钢中，M6C为Fe3（W，Mo）3C和Fe4（W，Mo）2C。所有的高速钢中，铬含量分数均保持在3.5%~4.5%，它是增大高速钢淬透性的主要元素。在钢中形成Cr23C6。钒含量分类增加，钢的耐磨性随之提高，但使刀具接受刃磨困难，且脆性增加。钒的碳化物为VC与V4C3。含V 1%~2%的高速钢用得最多；V>3%者用得较少，且忌作形状复杂的刀具。加入钴元素后，可形成超硬高速钢。钴不形成碳化物，但能提高淬火温度，增强二次硬化效果，提高高温硬度。美国的M42（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）和瑞典的HSP-15（W9Mo3Cr4VCo10）都是性能优良的高钴超硬高速钢。中国缺钴资源，钴价昂贵。因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢。Co5Si（W12Mo3Cr4V3Co5Si）是属于少钴者，新研制的Co3N（W12Mo3Cr4VCo3N）亦为少钴，性能都不错。铝元素在钢中能生成Al2O3、AlN；且起钉扎作用，阻止位错，从而提高了材料的硬度和强度。中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面，做出了较大贡献。
用粉末冶金方法制造高速钢，可消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性，钒含量高时亦能较好地刃磨。粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢。国内掌握这方面的技术。国外有粉末高速钢产品，钒含量高达6%~8%。
在高速钢的基体上，用物理气相沉积（PVD）法涂覆耐磨材料薄层（如TiN，TiAlN等），可显著提高刀具寿命和加工表面质量，降低切削力。这种涂层高速钢刀具已得到广泛应用。
2.2 硬质合金
硬质合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，通常分为：切削铸铁的钨钴系列（K类，YG类），切削钢材的钨钛钴系列（P类，YT类），还有通用系列（M类，YW类）。新型硬质合金有下列6类。
1） 添加TaC和NbC的硬质合金 添加后能有效地提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化的能力。此外，还能增强抗塑性变形的能力。在合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。在新型P，M，K类硬质合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。在新型P，M，K类硬质合金中，很多是添加了TaC、NbC的。
2） 细晶粒和超细晶粒硬质合金 粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性，适当增加钴含量后还可以提高抗弯强度。普通刀具牌号和合金平均晶粒尺寸为2~3 μm，细晶粒合金为1~2 μm，亚微细晶粒合金为0.5~1 μm，超细晶粒合金为0.5 μm以下。早先的细晶粒和超细晶粒结构多用于K类合金，近年来P类、M类合金也向细化晶粒的方向发展。我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。
3） TiC基和Ti（C，N）基硬质合金金属陶瓷 YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量达65%~97%，并以Co为黏结剂，TiC基合金则以TiC为主要成分，占60%~80%以上，仅含少量WC，以Ni-Mo作黏结剂。与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削钢材时摩擦因数小，抗黏结与抗扩散的能力较强，但其韧性的抗塑变的能力稍弱。Ti（C，N）基合金具有与TiC基合金相同的优点，但其韧性和抗塑变能力高于TiC基合金。这类合金多用以加工未淬火的钢材。
4） 添加稀土元素的硬质合金 加少量铈、钇等稀土元素，可以有效地提高合金的韧性与抗弯强度，耐磨性亦有一定提高。这是因为稀土元素强化了硬质相和黏结相，净化了晶界，并改善了碳化物固溶体对黏结相的湿润性。这类合金最适用于粗加工刀具牌号，亦可用于半精加工牌号；在矿山工具、顶锤、拉丝模用硬质合金中亦有广阔发展前景。我国稀土元素资源丰富，在硬质合金中添加稀土的研究有所领先。P，M，K类合金都已研制出添加稀土的牌号。
5） 表面涂层硬质合金 CVD或PVD等方法，在硬质合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti（C，N），Al2O3等薄层，形成涂层硬质合金。非涂层硬质合金的力学、物理性能是硬质相和黏结相的综合性能，故其硬度和耐磨性低于硬质相自身的性能。而少层硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂层材料自身的性能，故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面质量。近20年来，涂层硬质合金刀具有了很大发展，在工业先进国家已在可转位刀具中占50%~60%以上。涂层硬质合金的基体仍为WC基的硬质合金，要求有较高的韧性。随着基体的不同，这类合金可作P类、M类或K类硬质合金使用，且适用范围较宽。
6） 梯度硬质合金 是近年来发展起来的新品种，各层成分可根据需要加以调节。
2.3 陶瓷
陶瓷刀具材料分为3类。
1） 氧化铝基陶瓷 一般在Al2O3基体中加入TiC，WC，SiC，TaC和ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷。硬度达HRA 93~95，抗弯强度达0.7~0.9 GPa。为提高韧性，常添加少量的Co，Ni等金属。
2） 氮化硅基陶瓷 用的是Si3N4+TiC+Co的氮化硅基复合陶瓷，其韧性常高于Al2O3基陶瓷。硬度相当。
3） 复合氮化硅-氧化铝陶瓷 化学成分约为Si3N477%，Al2O313%，Y2O310%，硬度可达HV 1 800，抗弯强度可达1.20 GPa。这种陶瓷称赛阿龙（Sialon），最适宜切削高温合金与铸铁。
陶瓷的高温性能优于硬质合金，故适合用于高速切削。Al2O3基和Si3N4基复合陶瓷都适合切削淬硬钢、高硬铸铁及一般铸铁；Al2O3基复合陶瓷亦能有效地切削未淬硬钢料，而Si3N4基陶瓷切削一般钢材开始时磨损迅速。
2.4 超硬刀具材料
超硬材料是指金刚石和立方氮化硼（CBN）。它们的硬度比其他刀具材料高出好几倍。金刚石是自然界中最硬的物质，CBN的硬度仅次于金刚石。近年来，超硬刀具材料发展迅速。
金刚石刀具材料分为5类。
1） 天然金刚石（ND）。
2） 人造聚晶金刚石（PCD）。以石墨为原料，经高温高压制成。
3） 人造聚晶金刚石复合片（PCD/CC）。以硬质合金为基底，表面有一层金刚石（约0.5 mm），制造方法与PCD相同。
4） 金刚石薄膜涂层刀具（CD）。用CVD工艺，在刀具表面涂覆一层约10~25 μm的薄膜。
5） 金刚石厚膜刀具（TFD）。亦采用CVD工艺，在另一基体上涂出0.2 mm以上的厚膜，再将厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬质合金刀片上使用。
ND的结晶各向异性，在进行刀磨的使用时必须选导致适宜的方向。人造金刚石各向同性，其硬度低于ND，但强度与韧性高于ND。
金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、硬质合金、各种纤维和颗粒加强复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和木材等，但金刚石忌切钢铁及其他铁族金属。
TFD有很好的综合性能，它兼有天然金刚石和人造聚晶金刚石的优点，与基底结合牢固，便于多次重磨，故有良好的应用价值和发展前景。
CBN的制造方法与PCD或PCD/CC相似。以六方氮化硼为原料，经高温高压制成聚晶CBN或复合片CBN/CC。CBN主要用于加工淬硬钢、高硬铸铁及其他硬金属与非金属材料。用硬质合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料，寿命很短，或根本不能胜任，而超硬材料对之则轻而易举。金刚石刀具能对有色金属实行超精密切削，是其独到之处。
3 刀具材料的化学成分
古代人类所用的刀具材料多为天然物质，如石材料、天然金刚石等，甚至还用过陨铁。到现代，绝大多数刀具材料使用人造的材料，可保证大量供应，并使质地均匀、可靠。
纵观各种刀具材料，除人造金刚石的原料为石墨（碳元素）外，其他品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量（见表1~表4），这正是刀具材料所需要的性质。表1 各种碳化物的性质
 表2 各种氮化物的性质[1,2]
 表3各种氧化物的性质[1,2]
 表4 各种硼化物的性质 [1,2]
 如碳素工具钢，其主要成分是Fe3C，合金工具钢中有复合碳化物，如合金渗碳体（Fe，Cr）3C等。高速钢中有更多的复合碳化物.硬质合金的硬质相主要为WCT 和TiC，但经常加入Ta，Nb等元素而形成复合的固溶体，且须用Co，Ni等为黏结材料。陶瓷的基体材料常用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。立方氮化硼则是一种非金属氮化物。
在刀具材料中，碳化物用得最多。各种金属碳化物分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，均遵循一定规律。它们也可形成复合碳化物，但其物理、力学性质难以查到确切的数据。
近年中，氮、碳和金属（一种或二种）的复合化合物在刀具涂层中用得较多。根据巴尔查斯（Balzer）涂层公司的资料，列出几种涂层材料的物理、力学性能，以资参考。表5 几种涂层材料的性能
 碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的种类如此众多，在刀具材料的研制和使用中发挥了很大作用。但已被用上并为人们所熟知的还只是其中的少数，多数未付诸应用，这一情况从表1~表5中可以看出。因此，人们在研制新刀具材料时，在化学组分上尚有选择余地和很大潜力可挖。当然，表中所列的化合物并非都有用上的可能，因为不能仅考虑物质的性能，还应顾及资源、价格和工艺等因素。
4 刀具材料与工件材料的匹配
军工产品多用难加工材料，如高强度、超高强度钢、高锰钢、淬硬钢和冷硬铸铁、不锈钢、高温合金、钛合金、复合材料等。刀具、工件两方面材料的力学、物理和化学性能必须得到合理的匹配，切削过程方能正常进行，并获得正常的刀具寿命；否则，刀具就可能会急剧磨损，刀具寿命很短。例如，硬度高的工件材料，就必须用更硬的刀具来加工；高速钢刀具硬度不够，不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁，硬质合金和陶瓷刀具则能胜任，CBN刀具更佳。加工硬脆材料，不仅要求刀具有很高的硬度，还要求有高的弹性模量，否则刃部难以支撑。用硬质合金刀具加工淬硬钢及其它硬脆材料，必须采用弹性模量较高（WC成分较多）的K类或M类牌号。以上是力学性能的匹配。不仅考虑刀具材料的常温力学性能，还应考虑其高温性能。
在加工导热性差的工件时，应采用导热性较好的工具，以使切削热得以传出。从而降低切削温度。这是物理性能匹配的例子。
工件、刀具双方材料中的化学元素如有容易化合、相互发生化学作用或扩散作用者，应设法回避。例如，含钛的金属材料——钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等，不能用含钛元素的刀具进行切削。也就是说，P类硬质合金、TiC基与Ti（C，N）基硬质合金、涂层硬质合金（多数涂层材料含钛）均不能使用；应采用K类硬质合金或高速钢。凡加工塑性材料出长切屑且与前刀面发生摩擦者，应特别注意刀-屑双方元素的相互扩散，故加工非淬硬钢材应当采用P类硬质合金或Al2O3基陶瓷，而不能采用K类合金与Si3N4基陶瓷。金刚石在600~700 ℃以上时将转化为石墨，Fe元素将起催化作用而加速这种转化，故金刚石刀具不能加工钢铁材料。CBN最适合加工钢铁，但只能进行干切削，水基切削液在高温下将使CBN分解。这些是化学性能匹配的例子。化学作用在低温条件下一般进行缓慢，高温下加剧。力学、物理、化学作用有时是综合影响而且是相互关联的，对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深入，有待进一步研究。
5 结语
工件与刀具双方交替进展、相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年代。近50年中，硬质合金不断提高自身的性能，发展了许多新品种，从高速钢的领域中占领了大片阵地，成为当前用量超过一半的刀具材料，这是当年人们所未能估计到的。预计到21世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大；高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的阵地。由于资源、价格和性能的原因，陶瓷材料亦将得到发展，代替一部分硬质合金刀具。然而，由于陶瓷的切削性能与硬质合金相比，差距不是那么巨大，加上其强度、韧性和可加工性的不足，未来陶瓷刀具的发展不会像过去硬质合金替代高速钢那样迅猛。超硬材料将得到更多的应用。新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出将越来越快。在刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是主要矛盾。有可能在21世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各种涂层刀具和复合结构都能在一定程序上克服上述矛盾，故极有发展前景。在未来，刀具材料将接受工件一方及制造系统更新、更严峻的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面，将成为未来刀具材料发展的特点。
目前，碳化物、氮化物、氧化物和硼化物是刀具材料的主体成分。用石墨合成为人造聚晶金刚石已跳出了这个圈子。近年武汉大学采用RF-PECVD法在麻花钻上涂覆C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，钻头使用寿命大为提高[5]。在21世纪里，刀具材料将有出人意料的新的飞跃发展。
[参考文献]
[1] 章守华.合金钢.北京：冶金工业出版社，1981.
[2] 冲猛雄.表面改质技术の动向.热处理，1987，27（5）：259-260.
[3] 吴敏镜.趣谈金钢石.惯性世界，1997（1）：23-26.
[4] 韩荣第，于启勋.难加工材料切削加工.北京：机械工业出版社，1996.
[5] 吴大雄，何孟兵，范炜，等.RF-PECVD法合成氮化碳超硬薄膜及其在麻花钻上的应用.工具技术，1997（增刊）：188-192.
作者简介：于启勋（1930-），男，北京理工大学教授，全国高校切削与先进制造技术研究会名誉理事长。(end)
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(3/10/2007) |
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