刀具材料的历史进展与未来展望 - 文章

刀具材料的历史进展与未来展望

作者：北京理工大学于启勋

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1 刀具材料的重要作用及其发展过程

刀具材料的发展与人类社会生活、生产的发展，有着极为密切的关系。对于古人类，“刀”和“火”的认识和应用，是两项最伟大的发明，是人类登上历史舞台的重要标志刀具材料的改进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。与石器时代对应的是人类的原始社会;与青铜器时代对应的是人类的奴隶社会;与铁器时代对应的是人类的封建社会及其以后的时代。

在传统的机械加工中，刀具材料、刀具结构和刀具几何形状是决定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起着关键作用。在计算机集成先进制造系统出现后，在刀具使用中还应考虑“刀具系统”问题。近年来，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“绿色制造”和“洁净制造”的发展与付诸实用，都对刀具特别是对刀具材料提出了更高、更新的要求。
古人类仍能在大自然中寻用天然材料制作工具，如玉、石、天然金刚石甚至陨铁都曾得到过应用。在奴隶制社会，曾用青铜制作工具；在“春秋”、“战国”之交，特别是到了秦朝的时代，进人封建社会的时候，钢、铁工具开始出现，碳素工具钢开始得到应用，那时的碳素工具钢与现代的T10、T12等钢种已十分接近。与石料、铜料相比，碳素工具钢具有更高的硬度，切削刃能够磨得很锋利，故切削效率和加工质量相对较高。但碳素工具钢只能承受200-250℃的切削温度，用以切削一般钢材只能应用5-8 m/min的切削速度，不能满足更高切削效率的要求。1865年，英国的罗伯特·墨希特(Rohert Mushet)发明了合金工具钢，其牌号有CrWMn，9CrSi等，能承受350℃的切削温度，加工一般钢材时切削速度可提高到10-12m/min。为了适应加工效率进一步提高的要求，美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)于1898年发明了高速钢，当时的成分为C0.67%, W18.91%，Cr5.47%，V0.29%，Mn0.11%，Fe为余量。它能够承受550-600℃的切削温度，切削一般钢材可采用25-30m/min的切削速度、从而使其加工效率比碳素工具钢洽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，曾使美国、英国等主要资本主义国家的切削水平出现了一个飞跃，从而获得了巨大的经济效益，机械制造工业也赖以迅速发展。

随着人类生话、生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高效率加工、高质量加工以及难加工材料切削的要求。20世纪20年代到30年代，人们发明了钨钴类和钨钛钴类硬质合金，其常温硬度达89-93HRA,能承受800-900℃以上的高温，切削速度可以是高速钢刀具的4-5倍以上，因而被迅速推广应用。在第二次世界大战期间，由于兵工生产的需要，美、英、苏、德各国开始部分使用硬质合金刀具;二战结束后，逐步扩大使用。50年代初，我国从苏联少量引进硬质合金，替代高速钢刀具在生产中应用。后来，在苏联援助下，我国建设了株洲硬质合金厂；又自力更生，用本国的技术和力量，建成了自贡硬质合金厂。经过40年的努力，中国硬质合金刀具材料的产量已居世界各国的前列，成为生产硬质合金的大国，20世纪后半期，工件材料的品种不断增多，其机械性能不断提高，工件的批量和加工精度也不断加大和提高，因而对刀具的使用性能不断提出更新、更高要求。硬质合金刀具材料为了适应新的要求，自身有了更新的发展，出现了许多新品种，其性能比之过去有了很大的提高。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具较脆，韧性不足，可加工性也不好，故开始时只用于一般车刀，后发展到用于面铣刀及其他刀具；但迄今为止，仍不能用于所有种类的刀具。高速钢刀具也有了发展，出现了许多新品种。然而，半个世纪来，一半以上的高速钢刀具被硬质合金刀具所替代；高速钢刀具材料凭借其良好的韧性和可加毛性，仍固守着切削刀其中不足一半的阵地。当代，硬质合金和高速钢是两种最主要的、用得最多的刀具材料。它们的总和当占全部刀具的95%以上。

硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料和超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相继出现。20世纪中期出现了氧化铝及氧化铝基复合陶瓷，稍后又出现了氮化硅及氮化硅基复合陶瓷。20世纪中后期，又制造出人造立方氮化硼和人造金刚石两种超硬刀具材料，它们的硬度大幅度地高于硬质合金与陶瓷由于韧性和可加工性的不足，以及价格等原因，陶瓷、氮化硼及金刚石刀具材料的应用尚受到更大的局限。
综上所述，刀具(工具)材料的发展，对人类社会的发展发挥了极其重要的作用。20世纪中，刀具(工具)材料的发展比过去几十世纪要快得多C刀具材料的品种、类型、数量、性能都有了很大的发展和提高。“百花齐放，推陈出新”；20世纪特别是后平个世纪，刀具材料大发展，大提高，令人眼花缭乱，目不暇接，从而推动人类的物质文明迅猛前进。

2 刀具材料的化学成分

在古代，人类所用的刀具材料多为天然物质，如石材、天然金刚石等。近代、现代所用的刀具材料绝大多数出于人造，以便保证大量供应，并使质地均匀、可靠。

纵观现代的各种刀具材料，除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。如表所示，这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量等特性，这正是刀具材料所需要的性质。

表各种化合物的性质

		性质
		密度 10³kg/m³	熔点 ℃	硬度 HV	弹性模量 GPa
碳化物	TiC	4.85-4.93	3180-3250	2900-3200	316-488
	ZrC	6.44-6.9	3175-3540	2600	323-489
	HfC	12.20-12.70	3885-3890	2533-3202	433
	VC	5.36-5.77	2810-2865	2800	260-274
	TaC	14.48-14.65	3740-3880	1800	371-389
	NbC	7.82	3500-3800	2400	344
	WC	15.6-15.7	2627-2900	2400	536-721
	Mo₂C	8.90	2690	1500	544
	B₄C	2.50-2.54	2350-2470	2400-3700	295-458
	SiC	3.21-3.22	2200-2700分解	3000-3500	345-422
	Cr₃C₂	6.68	1895	1800	380
	Cr₇C₃	6.92	1782	1882	-
	Cr₂₃C₆	6.97-6.99	1518	1663	-
	Fe₃C	-	1650	860	-
氮化物	TiN	5.44	2900-3220	1800-2100	616
	ZrN	7.35	2930-2980	1400-1600	-
	HfN	13.94	3300-3307	1500-1700	-
	VN	6.08	2050-2360	1500	-
	TaN	14.1	2980-3360	1060	587
	NbN	8.26-8.40	2050	1400	493
	Nb₂N	8.33	2420	1720	-
	BN(立方)	3.48-3.49	2720-3000分解	7000-8000	720
	Si₃N₄	318-3.19	1900分解	2670-3260	470
	AlN	3.25-3.30	2200-2300分解	1225-1230	281-352
	CrN	6.1	1500	1000-1188	-
	Cr₂N	6.51	-	1522-1629	-
	Mo₂N	8.04	-	630	-
	WN	-	800	-	-
氧化物	TiO₂	4.24	1855-1885	1000	240-290
	ZrO₂	6.27	2900	1300～1500	250
	HfO₂	9.68	2780-2790	940-1100	-
	VO₅	3.36	670-685	-	-
	Ta₂O₅	8.37	1755-1815	890-1290	-
	Nb₂O₅	4.95	1470-1510	726	-
	WO₂	6.47	1473-2130	-	-
	Al₂O₃	3.97	2050	2300-2700	370
	Cr₂O₄	5.21	2309-2359	2945	-
硼化物	TiB₂	4.38	2790	3310-3430	540
	ZrB₂	6.17	3200	2230-2274	350
	HfB₂	10.5	3250	2400-3400	-
	VB₂	5.06-5.28	2400	2797-2803	273
	TaB₂	12.38	3037	2460-2540	262
	NbB₂	6.97	3000	2600	650
	W₂B₂	11.0	2370	2650-2675	790
	CrB₂	5.22	2200	2020-2180	215
	FeB	7.15	1650	1600-1700	350
	Fe₂B₂	7.34	1410	1290-1390	290

从表可以看出，表中多为碳元素、氮元素、氧元素或硼元素与金属元素的化合物;但也有例外，如SiC,B4C和Si3N等，硅(Si)和硼(B)并不是金属，但结合后，硬度也很高，可以作为刀具材料而被利用。而氮(N)与硼(B)的结合，更能形成超硬刀具材料CBN。

在刀具材料的成分中碳化物用得最多。人们对碳化物的研究较为透彻，所得到的测试数据也较多。各种金属碳化物分1型、2型、3型、6型、7型,23型等，即MC(如WC,Tic,ZrC等)、M2C(如Mo2C等M3C(如Fe3C、Cr3C2等)、M6C(如Fe3(W,Mo)3C6等),M3C(如Cr7C3等),M23C(如Cr23C6)。各型碳化物的形成，均遵循一定规律，也能形成复合碳化物，但其物理、力学性能测试还不够，难以查到确切的数据。

对于碳素工具钢，其主要成分是Fe3C，即渗碳体合金工具钢中有复合碳化物，如合金渗碳体(F,Cr)3C等。高速钢中有更多的复合碳化物。如钨系高速钢，M6C(Fe3W3C, Fe4W2C)是主要的成分在钨钊系高速钢中，M6C也是主要成分，其形式为Fe3(W,Mo)3C和Fe4(W、Mo)2C。

硬质合金中的硬质相主要为MC (WC, TiC)等，但经常加人Ta,Nb等元素而形成复合的碳化物，且必须用Co,Ni等元素为粘结材料。陶瓷中常用Al2O3和Si3N4为基体材料，但经常加人碳化物、其他氧化物、其他氮化物或硼化物形成复合陶瓷。非金属氮化物Si3N4在陶瓷中发挥了重要作用，形成了陶瓷刀具材料的一个重要分支。立方氮化硼也是一种非金属氮化物。

表中的化合物只是碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的一部分;而已被付诸应用并已为人们所熟知的只是表中的少数。因此，人们在研制新刀具材料时，在化学组成上尚有选择余地和很大的潜力叮挖当然，表中所列的化合物并不是都能被应用，因为除了考虑它们的综合性能，还要顾及资源、价格、工艺等因素

3 刀其材料与工件材料的匹配

刀具、工件两方面材料的力学、物理、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，其寿命很短。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他硬脆材料，必须采用弹性模量较高、WC含量较多的K类或M类牌号。以上是力学性能的匹配不仅应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刀具，以使切削热得以导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(多数涂层材料含钦)均不能使用;应采用K类、M类硬质合金或高速钢。凡加工塑性材料产生长切屑且与前刀面发生摩擦者，应特别注意刀一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Al203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，在高温下加剧力学、物理、化学作用有时是产生综合影响而相互关联的，对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深人，有待进一步研究。

4 刀具材料发展和展望

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。预计在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，陶瓷与硬质合金相比，由于其切削性能的差距不是那么巨大，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。各种涂层刀具复合片都能在一定程度上克服上述矛盾，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、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。当今常用的金刚石为C-12;美国CE公司已研制出同位素C-13的金刚石，其硬度、强度等均高于现有的金刚石。近期在太空中对碳分子试验的结果，又发现了由60个碳原子组成的巴基球，即C-60，它比金刚石更坚硬。或许C-13、C-60在未来能成为新的刀具材料。近年来，国内外有人采用RF-PECVD法在刀具上涂孤C3N4薄膜，膜的硬度达到超硬材料的硬度，使刀具的使用寿命大为提高。

宇宙间物质的形成和变化，复杂而奇妙：人类对自然界的认识尚处于肤浅阶段。在未来，可能会发现和制成崭新的品种，具有优异的性能，适合用作刀具的新材料。笔者期望，在21世纪中，刀具材料有出人意料的新的飞跃发展。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/13/2005)


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