超硬材料網(wǎng)

　　近代金屬切削刀具材料從碳素工具鋼、高速鋼發(fā)展到今日的硬質(zhì)合金、立方氮化硼等超硬刀具材料，使切削速度從每分鐘幾米飚升到千米乃至萬(wàn)米。隨著數(shù)控機(jī)床和難加工材料的不斷發(fā)展，刀具實(shí)有難以招架之勢(shì)。要實(shí)現(xiàn)高速切削、干切削、硬切削必須有好的刀具材料。在影響金屬切削發(fā)展的諸多因素中，刀具材料起著決定性作用。
　　
　　高速鋼
　　高速鋼自1900年面世至2000年，盡管各種超硬材料不斷涌現(xiàn)，但始終未能動(dòng)搖其切削刀具的霸主地位，2000年以后硬質(zhì)合金已成為高速鋼的“天敵”，正在持續(xù)不斷地侵蝕著高速鋼刀具的市場(chǎng)份額，但對(duì)于某些如螺紋刀具、拉削刀具等對(duì)韌性要求較高的刀具，高速鋼仍可與硬質(zhì)合金“分庭抗禮”，甚至占明顯優(yōu)勢(shì)。
　　
　　據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)分析，2004年我國(guó)生產(chǎn)高速鋼7.8萬(wàn)噸，幾乎占全球產(chǎn)量的50%，生產(chǎn)了約25億件刀具，其中近20億件低檔出口。2005年全國(guó)高速鋼產(chǎn)量8.3萬(wàn)噸，其中低合金高速鋼(鎢當(dāng)量6%～12%)占40%左右，刀具的生產(chǎn)、銷售情況和2004年差不多。從整體形勢(shì)分析，目前最突出的矛盾是低檔產(chǎn)品惡性膨脹，而高檔產(chǎn)品嚴(yán)重短缺，或者說(shuō)高端失守、低端混戰(zhàn)，倘任其自由發(fā)展，高速鋼刀具在切削領(lǐng)域的地位只會(huì)越來(lái)越低，甚至退出，將市場(chǎng)拱手讓給外國(guó)佬。
　　
　　人們習(xí)慣上將高速鋼分為四大類：
　　通用高速鋼(HSS)
　　以W18Cr4V為代表的HSS曾輝煌過(guò)一個(gè)世紀(jì)，為我國(guó)刀具行業(yè)做出過(guò)杰出的歷史性貢獻(xiàn)，但由于還存在不少弊端，現(xiàn)已逐步淡出市場(chǎng)；M2鋼的市場(chǎng)份額已由上世紀(jì)90年代的60%～70%下降到目前的20%～30%；9341是我國(guó)自行研制的HSS，市場(chǎng)份額占20%左右，W7、M7等其他HSS產(chǎn)量比較低。HSS已占高速鋼總量60%以上。由于HSS的強(qiáng)韌性和較高的耐磨性、紅硬性等優(yōu)異性能，在絲錐、拉刀等刀具領(lǐng)域，還會(huì)牢牢守住一塊地盤，不過(guò)陣地在逐年減少。
　　高性能高速鋼(HSS-E)
　　HSS-E是指在HSS成分基礎(chǔ)上加入Co、Al等合金元素，并適當(dāng)增加含碳量，以提高耐熱性、耐磨性的鋼種。這類鋼的紅硬性比較高，經(jīng)625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上，刀具的耐用度為HSS刀具的1.5～3倍。
　　以M35、M42為代表的HSS-E產(chǎn)量逐年在增加，501是我國(guó)自產(chǎn)的高性能高速鋼，在成形銑刀、立銑刀等方面應(yīng)用十分普遍，在復(fù)雜刀具方面應(yīng)用也比較成功。由于數(shù)控機(jī)床、加工中心、高難加工材料發(fā)展迅速，HSS-E刀具材料亦逐步增加。
　　粉末高速鋼(HSS-PM)
　　和冶煉高速鋼相比，HSS-PM力學(xué)性能有顯著的提高。在硬度相同的條件下，后者的強(qiáng)度比前者高20%～30%，韌性提高1.5～2倍，在國(guó)外應(yīng)用十分普遍。我國(guó)在上世紀(jì)70年代曾研制出多種牌號(hào)的HSS-PM，并投入市場(chǎng)，但不知何故夭折，現(xiàn)在各工具廠所用材料均系進(jìn)口。值得欣喜的是，河冶科技股份有限公司(原河北冶金研究院)已能生產(chǎn)HSS-PM，并小批量供貨，效果不錯(cuò)。
　　由于資源日益枯竭和HSS-PM自身優(yōu)良的綜合性能及市場(chǎng)的需求 ，HSS-PM必將會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)足的進(jìn)步。
　　低合金高速鋼(DH)
　　由于合金資源越來(lái)越少、成套麻花鉆出口及低速切削工具的需要，鋼廠和工具廠共同開(kāi)發(fā)出301、F205、D101等多種牌號(hào)的DH。2003年我國(guó)生產(chǎn)高速鋼6萬(wàn)噸，其中DH兩萬(wàn)噸，占高速鋼的1/3；2004年DH占高速鋼的40%，2005年、2006年仍呈增長(zhǎng)勢(shì)頭。但其中水分不少，有些根本不屬高速鋼，硬度也達(dá)不到63HRC，也被標(biāo)以HSS。
　　硬質(zhì)合金
　　機(jī)械制造業(yè)需要“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的經(jīng)營(yíng)理念，在當(dāng)代刀具制造和使用領(lǐng)域，“效率第一”的理念已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的“性能價(jià)格比”老概念，這一變化為高技術(shù)含量的高效刀具的發(fā)展掃清了障礙。
　　
　　硬質(zhì)合金不僅具有較高的耐磨性，而且韌性也較高(和超硬材料相比)，所以得到廣泛的應(yīng)用，展望未來(lái)，它仍然是應(yīng)用最廣泛的刀具材料。從歷屆機(jī)床工具博覽會(huì)上可以看出，硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具幾乎覆蓋了所有的刀具品種。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和刀具技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)合金的性能得到很大改善：一是開(kāi)發(fā)了提高韌性的1～2μm細(xì)顆粒硬質(zhì)合金；二是開(kāi)發(fā)了涂層硬質(zhì)合金。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金涂層刀具的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)幅度更大，因?yàn)樵诟邷睾透咚偾邢鲄?shù)下，高強(qiáng)度更為重要。
　　
　　現(xiàn)代切削刀具，硬質(zhì)合金大展其威，展望未來(lái)，刀具材料無(wú)疑是硬質(zhì)合金的天下。
　　超硬刀具材料
　　超硬材料是指以金剛石為代表的具有很高硬度物質(zhì)的總稱。超硬材料的范疇雖沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的規(guī)定，但人們習(xí)慣上把金剛石和硬度接近于金剛石硬度的材料稱為超硬材料。
　　金剛石
　　金剛石是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性等性能，在有色金屬和非金屬加工中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中，如轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、變速箱和各種活塞等的加工中，金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具。近年來(lái)，由于數(shù)控機(jī)床的普及和數(shù)控加工技術(shù)的高速發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命加工的金剛石刀具的應(yīng)用日漸普及。金剛石刀具現(xiàn)在和將來(lái)都是數(shù)控加工中不可缺少的重要刀具。
　　立方氮化硼(CBN)
　　立方氮化硼是氮化硼的同素異構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度高達(dá)8000～9000HV，耐熱度達(dá)1400℃，耐磨性好。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的多晶立方氮化硼(PCBN)是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN顆粒通過(guò)結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，既能勝任淬硬鋼(45~65HRC)、軸承鋼(60~64HRC)、高速鋼(63~66HRC)、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工。
　　陶瓷刀具
　　陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ牡毒咧唬壳耙岩鹗澜绻ぞ呓绲闹匾?。在工業(yè)發(fā)達(dá)的德國(guó)，約70%加工鑄件的工序是由陶瓷刀具來(lái)完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%~10%。由于數(shù)控機(jī)床、高效無(wú)污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必須更新?lián)Q代，陶瓷刀具正是順乎潮流，不斷改革創(chuàng)新，在Al2O3陶瓷基體中添加20%~30%的SiC晶液制成晶須增韌陶瓷材料，SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋擴(kuò)展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。為了提高純氧化鋁陶瓷的韌性，加入含量小于10%的金屬，構(gòu)成所謂金屬陶瓷，這類刀具材料具有強(qiáng)大的生命力，正以強(qiáng)勁勢(shì)頭向前發(fā)展，也許將來(lái)會(huì)自成一系，成為刀具材料家族新成員。
　　陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它們是地殼中最富足的資源，發(fā)展此類刀具不存在原料來(lái)源問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)應(yīng)用陶瓷刀具有重要的戰(zhàn)略意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。
　　由于切削加工機(jī)床和切削技術(shù)的突飛猛進(jìn)，迫使刀具被動(dòng)式同步。刀具材料的發(fā)展趨勢(shì)，是向著高效率、高速度、高壽命方向發(fā)展。在各種刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金(包括涂層硬質(zhì)合金)一枝獨(dú)秀；HSS將進(jìn)一步萎縮；HSS-E增幅緩慢；HSS-PM將有長(zhǎng)足的進(jìn)步；DH還會(huì)繼續(xù)膨脹擾亂市場(chǎng)，不過(guò)好景不長(zhǎng);超硬刀具材料有廣闊的發(fā)展空間，將繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用比例。形成了以硬質(zhì)合金為主線，各種材料既有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用范圍，又互相發(fā)展、互相競(jìng)爭(zhēng)，又相互有所取代補(bǔ)充的整體格局  。 。。