超硬材料網

摘 要：論述了刀具和刀具材料在人類歷史發展中所起的重要作用.回顧了早期機械制造中曾經用過的刀具材料。重點闡述了現代軍工產品加工中所用新型刀具材料（高速鋼、硬質合金、陶瓷、超硬材料）的化學成分、制造方法、性能和應用范圍。對21世紀中刀具材料的發展動向也作出了預測與展望。
關鍵詞：刀具 刀具材料 切削加工 軍工產品
The New Development of Cutting Tool Materials for Machining Military Products
Abstract：The important role of cutting tool and tool material in the human's history is expounded.The tool materials used in the early stage are looked back.The chemial contends,manufacturing methods,cutting performances and application area of morden tool materials for machining Military products (high speed steel,cemented carbide,ceramics,superhard materials) are expounded.The development trend of new tool materials in the coming century also be calculated and prospected.
Keywords：cutting too, tool material, cutting process, military products

刀具材料的發展在人類的生活、生產和戰爭中有著很大的重要性。在古代，“刀”和“火”是兩項最偉大的發明，它們的發明和應用是人類登上歷史舞臺的重要標志。刀具材料的進步曾推動著人類社會文化和物質文明的發展。例如，在人類歷史中曾有過舊石器時代、新石器時代、青銅器時代和鐵器時代等。
材料、結構和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素。其中，刀具材料的性能起著關鍵作用。20世紀是刀具材料大發展的歷史時期。各種難加工材料的出現和應用，先進制造系統、高速切削、超精密加工、綠色制造的發展和付諸實用，都對刀具提出了更高、更新的要求，預計，在今后很長時期內，切削加工工藝不會衰退，刀具和刀具材料將有更新的發展。
一、刀具材料的發展歷史
用石料或銅合金來作為刀具材料，那是古代的事。18世紀中葉，在歐洲出現了工業革命以后，切削刀具一直是用碳素工具鋼制造，其成分與現代的T10、T12相近。碳素工具鋼有較高的硬度，切削刃能夠磨得很鋒利，但只能承受200～250 ℃的切削溫度，用以切削普通鋼材只能用5～8 m/min的切削速度，故切削效率很低。1865年，英國羅伯特·墨希特（Robert Mushet）發明了合金工具鋼，其牌號有9CrSi、CrWMn等，能承受350 ℃的切削溫度，切削速度可提高到8～12 m/min。隨著機器生產規模的擴大，對加工效率的要求日益提高，上述兩種工具鋼材料的性能已不敷要求。1898年，美國機械工程師泰勒（F.W.Taylor）和冶金工程師懷特（M.White）發明了高速鋼。當時的成分是：C0.67%，W18.91%，Cr5.47%，Mn0.11%，V0.29%，Fe余量。它能承受550～600 ℃切削溫度，切削普通鋼材，可采用25～30 m/min的切削速度。高速鋼的出現，使切削速度和切削效率比碳素工具鋼、合金工具鋼分別提高了4倍和2.5倍以上。從19世紀末到20世紀初，高速鋼曾使切削水平出現了一個飛躍，使美國和世界各國的機械制造業得到迅速發展，并取得了巨大的經濟效益。
隨著人類生活、生產水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高加工效率和高加工質量的新要求。人們尋求性能更高的新型刀具材料。20世紀20年代中期到30年代初，出現了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質合金。硬質合金常溫硬度達HRA 89～93，能承受800～900 ℃以上的切削溫度，切削速度為高速刀具的3～5倍，因而逐漸得到應用。第二次世界大戰期間，由于大批量、高效率生產兵器的需要，美、英、蘇、德各國已部分使用硬質合金刀具：二戰后逐步擴大使用。解放后，我國從蘇聯引進少量硬質合金。20世紀50年代中期以后，開始自行生產并廣泛使用。20世紀后半期，工件材料的力學性能不斷提高，產品的品種和批量逐漸增多，加工精度的要求日益提高，工件的結構和形狀不斷復雜化和多樣化，對刀具提出了更新、更高的要求，硬質合金刀具在這些新的要求中發揮了重大作用。而且硬質合金本身也有發展，出現了許多新品種，其性能不斷提高。但硬質合金較脆，韌性不足，可加工性遠遠低于高速鋼，開始時只能用于車刀和銑刀，后擴大到其他刀具，但不能用于所有的刀具。正因如此，高速鋼能制造各種類型的刀具，始終占領著很大的陣地。而高速鋼也發展了很多新品種，切削性能比起初的普通高速鋼有了很大提高。到近年，高速鋼和硬質合金仍是用得最多的兩種刀具材料，硬質合金稍過半數。經過半個世紀，硬質合金竟然占領了如此廣闊的陣地，是人們在當初所預料不到的。
硬質合金刀具仍不能滿足現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繼出現。20世紀30年代出現了氧化鋁陶瓷，后來又有氮化硅陶瓷。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剛石，它們的硬度大幅度地高于其他刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬質合金，但其韌性和可加工性則遜于硬質合金。
綜上所述，20世紀中，刀具材料發展的速度比過去快得多。百花齊放，推陳出新，令人眼花繚亂，目不暇接。其品種、類型、數量和性能均比過去有大幅度的發展，推動著人類物質文明迅速前進。
二、現代新型刀具材料
（一） 高速鋼
在現代切削加工中，高速鋼的性能已不夠先進，但因其穩定性好，能接受成形加工，故能用以制造各種刀具。在刀具材料總消耗量中高速鋼幾近一半。傳統的普通高速鋼以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2為代表。在鎢系高速鋼中，除MC，M2C，M23C外，M6C是其主要的碳化物，即Fe3W3C和Fe4W2C。在鎢鉬系高速鋼中，M6C為Fe3（W，Mo）3C和Fe4（W，Mo）2C。所有的高速鋼中，鉻含量分數均保持在3.5%～4.5%，它是增大高速鋼淬透性的主要元素。在鋼中形成Cr23C6。釩含量分類增加，鋼的耐磨性隨之提高，但使刀具接受刃磨困難，且脆性增加。釩的碳化物為VC與V4C3。含V 1%～2%的高速鋼用得最多；V>3%者用得較少，且忌作形狀復雜的刀具。加入鈷元素后，可形成超硬高速鋼。鈷不形成碳化物，但能提高淬火溫度，增強二次硬化效果，提高高溫硬度。美國的M42（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）和瑞典的HSP-15（W9Mo3Cr4VCo10）都是性能優良的高鈷超硬高速鋼。中國缺鈷資源，鈷價昂貴。因而研制了無鈷或少鈷的超硬高速鋼。Co5Si（W12Mo3Cr4V3Co5Si）是屬于少鈷者，新研制的Co3N（W12Mo3Cr4VCo3N）亦為少鈷，性能都不錯。鋁元素在鋼中能生成Al2O3、AlN；且起釘扎作用，阻止位錯，從而提高了材料的硬度和強度。中國在發展無鈷、少鈷超硬高速鋼方面，做出了較大貢獻。
用粉末冶金方法制造高速鋼，可消除碳化物偏析，提高鋼的硬度和韌性，釩含量高時亦能較好地刃磨。粉末高速鋼的切能性能優于熔煉高速鋼。國內掌握這方面的技術。國外有粉末高速鋼產品，釩含量高達6%～8%。
在高速鋼的基體上，用物理氣相沉積（PVD）法涂覆耐磨材料薄層（如TiN，TiAlN等），可顯著提高刀具壽命和加工表面質量，降低切削力。這種涂層高速鋼刀具已得到廣泛應用。
（二） 硬質合金
硬質合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，通常分為：切削鑄鐵的鎢鈷系列（K類，YG類），切削鋼材的鎢鈦鈷系列（P類，YT類），還有通用系列（M類，YW類）。新型硬質合金有下列6類。
1、添加TaC和NbC的硬質合金 添加后能有效地提高常溫硬度、高溫強度和高溫硬度，細化晶粒，提高抗擴散和抗氧化的能力。此外，還能增強抗塑性變形的能力。在合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶體，其化學穩定性高于WC和TiC。在新型P，M，K類硬質合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶體，其化學穩定性高于WC和TiC。在新型P，M，K類硬質合金中，很多是添加了TaC、NbC的。
2、細晶粒和超細晶粒硬質合金 粒細化后可提高合金的硬度和耐磨性，適當增加鈷含量后還可以提高抗彎強度。普通刀具牌號和合金平均晶粒尺寸為2～3 μm，細晶粒合金為1～2 μm，亞微細晶粒合金為0.5～1 μm，超細晶粒合金為0.5 μm以下。早先的細晶粒和超細晶粒結構多用于K類合金，近年來P類、M類合金也向細化晶粒的方向發展。我國硬質合金刀具已達細晶粒和亞微細晶粒的水平。
3、TiC基和Ti（C，N）基硬質合金金屬陶瓷 YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量達65%～97%，并以Co為黏結劑，TiC基合金則以TiC為主要成分，占60%～80%以上，僅含少量WC，以Ni-Mo作黏結劑。與WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削鋼材時摩擦因數小，抗黏結與抗擴散的能力較強，但其韌性的抗塑變的能力稍弱。Ti（C，N）基合金具有與TiC基合金相同的優點，但其韌性和抗塑變能力高于TiC基合金。這類合金多用以加工未淬火的鋼材。
4、添加稀土元素的硬質合金 加少量鈰、釔等稀土元素，可以有效地提高合金的韌性與抗彎強度，耐磨性亦有一定提高。這是因為稀土元素強化了硬質相和黏結相，凈化了晶界，并改善了碳化物固溶體對黏結相的濕潤性。這類合金最適用于粗加工刀具牌號，亦可用于半精加工牌號；在礦山工具、頂錘、拉絲模用硬質合金中亦有廣闊發展前景。我國稀土元素資源豐富，在硬質合金中添加稀土的研究有所領先。P，M，K類合金都已研制出添加稀土的牌號。
5、表面涂層硬質合金 CVD或PVD等方法，在硬質合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti（C，N），Al2O3等薄層，形成涂層硬質合金。非涂層硬質合金的力學、物理性能是硬質相和黏結相的綜合性能，故其硬度和耐磨性低于硬質相自身的性能。而少層硬質合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂層材料自身的性能，故可提高刀具壽命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面質量。近20年來，涂層硬質合金刀具有了很大發展，在工業先進國家已在可轉位刀具中占50%～60%以上。涂層硬質合金的基體仍為WC基的硬質合金，要求有較高的韌性。隨著基體的不同，這類合金可作P類、M類或K類硬質合金使用，且適用范圍較寬。
6、梯度硬質合金 是近年來發展起來的新品種，各層成分可根據需要加以調節。2.3 陶瓷
（三） 陶瓷刀具材料分為3類
1、氧化鋁基陶瓷 一般在Al2O3基體中加入TiC，WC，SiC，TaC和ZrO2等成分，經熱壓制成復合陶瓷。硬度達HRA 93～95，抗彎強度達0.7～0.9 GPa。為提高韌性，常添加少量的Co，Ni等金屬。
2、氮化硅基陶瓷 用的是Si3N4+TiC+Co的氮化硅基復合陶瓷，其韌性常高于Al2O3基陶瓷。硬度相當。
3、復合氮化硅-氧化鋁陶瓷 化學成分約為Si3N477%，Al2O313%，Y2O310%，硬度可達HV 1 800，抗彎強度可達1.20 GPa。這種陶瓷稱賽阿龍（Sialon），最適宜切削高溫合金與鑄鐵。
陶瓷的高溫性能優于硬質合金，故適合用于高速切削。Al2O3基和Si3N4基復合陶瓷都適合切削淬硬鋼、高硬鑄鐵及一般鑄鐵；Al2O3基復合陶瓷亦能有效地切削未淬硬鋼料，而Si3N4基陶瓷切削一般鋼材開始時磨損迅速。
（四） 超硬刀具材料
超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN）。它們的硬度比其他刀具材料高出好幾倍。金剛石是自然界中最硬的物質，CBN的硬度僅次于金剛石。近年來，超硬刀具材料發展迅速。
金剛石刀具材料分為5類
1、天然金剛石（ND）。
2、人造聚晶金剛石（PCD）。以石墨為原料，經高溫高壓制成。
3、人造聚晶金剛石復合片（PCD/CC）。以硬質合金為基底，表面有一層金剛石（約0.5 mm），制造方法與PCD相同。
4、金剛石薄膜涂層刀具（CD）。用CVD工藝，在刀具表面涂覆一層約10～25 μm的薄膜。
5、金剛石厚膜刀具（TFD）。亦采用CVD工藝，在另一基體上涂出0.2 mm以上的厚膜，再將厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬質合金刀片上使用。
ND的結晶各向異性，在進行刀磨的使用時必須選導致適宜的方向。人造金剛石各向同性，其硬度低于ND，但強度與韌性高于ND。
金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、硬質合金、各種纖維和顆粒加強復合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等，但金剛石忌切鋼鐵及其他鐵族金屬。
TFD有很好的綜合性能，它兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優點，與基底結合牢固，便于多次重磨，故有良好的應用價值和發展前景。
CBN的制造方法與PCD或PCD/CC相似。以六方氮化硼為原料，經高溫高壓制成聚晶CBN或復合片CBN/CC。CBN主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵及其他硬金屬與非金屬材料。用硬質合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料，壽命很短，或根本不能勝任，而超硬材料對之則輕而易舉。金剛石刀具能對有色金屬實行超精密切削，是其獨到之處。
三、刀具材料的化學成分
古代人類所用的刀具材料多為天然物質，如石材料、天然金剛石等，甚至還用過隕鐵。到現代，絕大多數刀具材料使用人造的材料，可保證大量供應，并使質地均勻、可靠。
縱觀各種刀具材料，除人造金剛石的原料為石墨（碳元素）外，其他品種都離不開碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。這些化合物都具有高硬度、高熔點、高彈性模量（見表1～表4），這正是刀具材料所需要的性質。
表1 各種碳化物的性質

表2 各種氮化物的性質[1,2]

表3各種氧化物的性質[1,2]

表4 各種硼化物的性質 [1,2]

如碳素工具鋼，其主要成分是Fe3C，合金工具鋼中有復合碳化物，如合金滲碳體（Fe，Cr）3C等。高速鋼中有更多的復合碳化物.硬質合金的硬質相主要為WCT 和TiC，但經常加入Ta，Nb等元素而形成復合的固溶體，且須用Co，Ni等為黏結材料。陶瓷的基體材料常用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。立方氮化硼則是一種非金屬氮化物。
在刀具材料中，碳化物用得最多。各種金屬碳化物分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，均遵循一定規律。它們也可形成復合碳化物，但其物理、力學性質難以查到確切的數據。～
近年中，氮、碳和金屬（一種或二種）的復合化合物在刀具涂層中用得較多。根據巴爾查斯（Balzer）涂層公司的資料，列出幾種涂層材料的物理、力學性能，以資參考。
表5 幾種涂層材料的性能

碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的種類如此眾多，在刀具材料的研制和使用中發揮了很大作用。但已被用上并為人們所熟知的還只是其中的少數，多數未付諸應用，這一情況從表1～表5中可以看出。因此，人們在研制新刀具材料時，在化學組分上尚有選擇余地和很大潛力可挖。當然，表中所列的化合物并非都有用上的可能，因為不能僅考慮物質的性能，還應顧及資源、價格和工藝等因素。
四、刀具材料與工件材料的匹配
軍工產品多用難加工材料，如高強度、超高強度鋼、高錳鋼、淬硬鋼和冷硬鑄鐵、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、復合材料等。刀具、工件兩方面材料的力學、物理和化學性能必須得到合理的匹配，切削過程方能正常進行，并獲得正常的刀具壽命；否則，刀具就可能會急劇磨損，刀具壽命很短。例如，硬度高的工件材料，就必須用更硬的刀具來加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質合金和陶瓷刀具則能勝任，CBN刀具更佳。加工硬脆材料，不僅要求刀具有很高的硬度，還要求有高的彈性模量，否則刃部難以支撐。用硬質合金刀具加工淬硬鋼及其它硬脆材料，必須采用彈性模量較高（WC成分較多）的K類或M類牌號。以上是力學性能的匹配。不僅考慮刀具材料的常溫力學性能，還應考慮其高溫性能。
在加工導熱性差的工件時，應采用導熱性較好的工具，以使切削熱得以傳出。從而降低切削溫度。這是物理性能匹配的例子。
工件、刀具雙方材料中的化學元素如有容易化合、相互發生化學作用或擴散作用者，應設法回避。例如，含鈦的金屬材料——鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等，不能用含鈦元素的刀具進行切削。也就是說，P類硬質合金、TiC基與Ti（C，N）基硬質合金、涂層硬質合金（多數涂層材料含鈦）均不能使用；應采用K類硬質合金或高速鋼。凡加工塑性材料出長切屑且與前刀面發生摩擦者，應特別注意刀-屑雙方元素的相互擴散，故加工非淬硬鋼材應當采用P類硬質合金或Al2O3基陶瓷，而不能采用K類合金與Si3N4基陶瓷。金剛石在600～700 ℃以上時將轉化為石墨，Fe元素將起催化作用而加速這種轉化，故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN最適合加工鋼鐵，但只能進行干切削，水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學性能匹配的例子?；瘜W作用在低溫條件下一般進行緩慢，高溫下加劇。力學、物理、化學作用有時是綜合影響而且是相互關聯的，對它們的規律尤其是對化學作用的機理尚認識不夠深入，有待進一步研究。
五、結語
工件與刀具雙方交替進展、相互促進，成為切削技術不斷向前發展的歷史規律。20世紀前半、后半時期分別是高速鋼、硬質合金大發展的年代。近50年中，硬質合金不斷提高自身的性能，發展了許多新品種，從高速鋼的領域中占領了大片陣地，成為當前用量超過一半的刀具材料，這是當年人們所未能估計到的。預計到21世紀，硬質合金的使用范圍將進一步擴大；高速鋼憑借其綜合性能的優勢，仍將占有一定的陣地。由于資源、價格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發展，代替一部分硬質合金刀具。然而，由于陶瓷的切削性能與硬質合金相比，差距不是那么巨大，加上其強度、韌性和可加工性的不足，未來陶瓷刀具的發展不會像過去硬質合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應用。新刀具材料的研制周期會越來越短，新品種、新牌號的推出將越來越快。在刀具材料發展中，硬度、耐磨性與強度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾。有可能在21世紀中研制出既具有高速鋼、硬質合金的強度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種涂層刀具和復合結構都能在一定程序上克服上述矛盾，故極有發展前景。在未來，刀具材料將接受工件一方及制造系統更新、更嚴峻的挑戰。新品種的出現、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補充的局面，將成為未來刀具材料發展的特點。
目前，碳化物、氮化物、氧化物和硼化物是刀具材料的主體成分。用石墨合成為人造聚晶金剛石已跳出了這個圈子。近年武漢大學采用RF-PECVD法在麻花鉆上涂覆C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，鉆頭使用壽命大為提高[5]。在21世紀里，刀具材料將有出人意料的新的飛躍發展。

[參考文獻]
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[4] 韓榮第，于啟勛.難加工材料切削加工.北京：機械工業出版社，1996.
[5] 吳大雄，何孟兵，范煒，等.RF-PECVD法合成氮化碳超硬薄膜及其在麻花鉆上的應用.工具技術，1997（增刊）：188-192.
作者簡介：于啟勛（1930-），男，北京理工大學教授，全國高校切削與先進制造技術研究會名譽理事長。