1 概況

　　機(jī)械加工發(fā)展的總趨勢是高效率、高精度弯予、高柔性和強(qiáng)化環(huán)境意識戚宦。在機(jī)械加工領(lǐng)域，切(磨)削加工是應(yīng)用最廣泛的加工方法锈嫩。高速切削是切削加工的發(fā)展方向受楼，已成為切削加工的主流。它是先進(jìn)制造技術(shù)的重要共性關(guān)鍵技術(shù)呼寸。推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)將大幅度提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量并降低成本艳汽。高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用決定于機(jī)床和刀具技術(shù)的進(jìn)步，其中刀具材料的進(jìn)步起決定性的作用对雪。研究表明骚灸，高速切削時(shí)，隨著切削速度的提高恤诀，切削力減小热跨，切削溫度上升很高，達(dá)到一定值后上升逐漸趨緩碑肚。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機(jī)械摩擦悍暴、粘結(jié)、化學(xué)磨損尔芯、崩刃汽心、破碎以及塑性變形等磨損和破損，因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時(shí)的力學(xué)性能拓嗽、熱物理性能熏疾、抗粘結(jié)性能、化學(xué)穩(wěn)定性(氧化性、擴(kuò)散性葵昂、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等桶淡。基于這一要求寥掐，近20多年來靴寂，發(fā)展了一批適于高速切削的刀具材料，可在不同切削條件下召耘，切削加工各種工件材料百炬。目前，可以 2500～5000m/min的高速切削鋁合金(Si含量≤12%污它，大于12%的為500～1500m/min)：以500～1500m/min切削鑄鐵：300～1000m/min切削鋼：100～400m/min切削淬硬鋼剖踊、耐熱合金：90～200m/min切削鈦合金等。當(dāng)然人們還期待著以超高切削速度進(jìn)行加工而獲得更好的效果衫贬。

　　2 國外高速切削刀具材料的進(jìn)展和應(yīng)用

　　高速切削時(shí)德澈，對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件，才能獲得最佳的切削效果祥山。據(jù)此圃验，針對目前生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的鋁合金掉伏、鑄鐵缝呕、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削，已發(fā)展的刀具材料主要有：金剛石斧散、立方氮化硼诚咪、陶瓷刀具、涂層刀具和TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具(金屬陶瓷)等啸席。

　　金剛石刀具

　　金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具搭肠。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。但由于價(jià)格昂貴币皂，加工眯华、焊接都非常困難，除少數(shù)特殊用途外 (如手表精密零件筋擒、光飾件和首飾雕刻等加工)拇掺，很少作為切削工具應(yīng)用在工業(yè)中。隨著高技術(shù)和超精密加工日益發(fā)展破卜，例如微型機(jī)械的微型零件赚毫，原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、導(dǎo)彈或火箭中的導(dǎo)航陀螺廷前，計(jì)算機(jī)硬盤芯片筹柠、加速器電子槍等超精密零件的加工，單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發(fā)了多種化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)适袜，使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易柄错，因此，在超精密鏡面切削的高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域痪蝇，天然金剛石起到了重要作用鄙陡。

　　20世紀(jì)50年代利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉以后，70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石 (PCD)躏啰，PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)趁矾，不具方向性，因而硬度均勻给僵。它有很高的硬度(8000～12000HV)和導(dǎo)熱性毫捣，低的熱脹系數(shù)，高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)帝际，刀刃非常鋒利蔓同。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁蹲诀、銅斑粱、鎂及其合金、硬質(zhì)合金管员、纖維增塑材料褂省、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等溅逃。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同葵稚，對性能產(chǎn)生的影響也不同，晶粒尺寸越大少锭，其耐磨性越高洁席。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小谎躁，則刃口質(zhì)量越好值唉。例如，選用晶粒尺寸10～25?m的PCD刀具疮肿，可以500～1500m/min的高速粒尺寸8～9?m的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金：晶粒尺寸4～5?m的PCD加工塑料港赂、木材等。而超精密加工宗商，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具衰拄。通常PCD刀具是燒結(jié)成金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置裕照，在5～6萬個(gè)大氣壓攒发，1400～1600℃的高溫下调塌，可人工合成形狀整齊、雜質(zhì)非常少的單晶金剛石惠猿，質(zhì)量均勻穩(wěn)定羔砾，結(jié)晶面非常清晰，識別容易偶妖。它具有所有物質(zhì)中最高的導(dǎo)熱率及與天然金剛石同等以上的強(qiáng)度姜凄。目前最大尺寸可達(dá)8mm。這種單晶金剛石的尺寸趾访、形狀和性能的良好一致性态秧，在天然金剛石產(chǎn)品中是不可能實(shí)現(xiàn)的。它具有比PCD更好的耐磨性扼鞋。PCD的耐磨性超過700℃時(shí)會減弱申鱼，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，它會促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變云头。但有較好的斷裂韌性捐友，可以進(jìn)行斷續(xù)切削。例如锁澡，可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金埋吊。當(dāng)前，人工合成單晶金剛石刀具材料的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展神翁，其新應(yīng)用領(lǐng)域是木材加工業(yè)愈苛。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時(shí)女骗，木板耐磨層會引起刃口鈍化景顷，導(dǎo)致氧化鋁耐磨層碎裂誓籽，必須經(jīng)常磨刀或更換刀片镣逃，而人工單晶金剛石性能顯著優(yōu)于PCD刀具。

　　目前正在研究和開發(fā)化學(xué)氣相沉積 CVD金剛石洪业，沉積出的是交互生長極好的PCD撼遵，呈柱狀結(jié)構(gòu)且非常致密。隨著生長條件的不同峭桅，CVD金剛石也呈現(xiàn)不同的晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)甜杰，它不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石吵护。根據(jù)不同的應(yīng)用要求盒音，可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應(yīng)用不同馅而，要求有多種不同的晶粒尺寸祥诽。CVD金剛石制成兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30?m的薄層膜(CVD薄膜)：另一種是沉積厚度達(dá)1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應(yīng)用不多。

　　CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術(shù)釬焊在基體上雄坪，但要保證釬焊點(diǎn)的強(qiáng)度厘熟。它與PCD相比，熱穩(wěn)定性好但脆性較高维哈，且不導(dǎo)電绳姨。不能用于放電加工(EDM)技術(shù)中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應(yīng)用阔挠。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩(wěn)定性飘庄，在高耐磨性材料的高速切削加工領(lǐng)域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的 CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功购撼，還有待于繼續(xù)試驗(yàn)和評價(jià)资担。CVD厚膜金剛石目前的成本較高，隨著技術(shù)的發(fā)展炬费，成本逐漸降低踱孕，它將是PCD有力的競爭對手。

　　三種主要金剛石刀具材料——PCD艾蜓、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點(diǎn)為：PCD焊接性将窗、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中零反，抗腐蝕性最差泻畏。CVD厚膜抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性迫讨、刃口質(zhì)量和斷裂韌性和抗磨損性居中委丈，可焊接性差。人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量凤阱，抗磨損性和抗腐蝕性最好什偷，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差芹枷。

　　金剛石刀具是目前高速切削(2500～5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料衅疙，但由于碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下鸳慈，金剛石能與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)饱溢，因此它不宜于切削鐵及其合金工件。

　　立方氮化硼

　　立方氮化硼(CBN)是純?nèi)斯ず铣傻牟牧献哂蟆Ｋ?0世紀(jì)50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉绩郎。由于CBN的燒結(jié)性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼燒結(jié)塊(聚晶立方氮化硼PCBN)翁逞，它是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co肋杖、Ni或TiC次舌、TiN、Al2O3) 在高溫高壓下燒結(jié)而成兽愤。CBN是氮化硼的致密相彼念，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性(遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石)和導(dǎo)熱性浅萧，低的摩擦系數(shù)逐沙。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料版挣。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列蔓酣，硬度均勻，沒有方向性婆裹，具有一致的耐磨性和抗沖擊性载甸，克服CBN易解理和各向異性缺點(diǎn)。CBN含量乱险、晶粒尺寸和粘結(jié)相等會影響PCBN的性能齐犀。CBN含量高，PCBN的硬度和導(dǎo)熱性高石检，CBN晶粒尺寸大滥捣，其抗破損性就弱，刀刃鋒利性就差惯斥，金屬材料Co沦昆、Ni作粘結(jié)相時(shí)，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性病趋，陶瓷材料作粘結(jié)相時(shí)愿凶，則有較好的熱穩(wěn)定性。目前多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結(jié)或釬焊在硬質(zhì)合金基體上存哲，做成PCBN復(fù)合片因宇，有利于提高強(qiáng)度，可焊性也好宏胯，便于制造PCBN刀具羽嫡。

　　PCBN刀坯從組織上看本姥，大致有兩種肩袍。一種是高含量PCBN(CBN，質(zhì)量80%～90%)婚惫，以CBN晶粒之間直接結(jié)合為主氛赐，具有高硬度、高導(dǎo)熱性先舷。另一種是低CBN含量的PCBN艰管，它是用少量金屬或陶瓷粘結(jié)相牢固地結(jié)合起來的滓侍，有較好的強(qiáng)度和韌性。一般較低CBN含量 (50%～65%)的PCBN刀具適于精加工45～65HRC的淬硬鋼牲芋，高含量(80%～90%)的適于加工鎳鉻鑄鐵撩笆，粗和半粗?jǐn)嗬m(xù)切削淬硬鋼，高速切削鑄鐵情庐，加工硬質(zhì)合金筷疹、燒結(jié)金屬和重合金等。選擇合適CBN含量的PCBN刀具可以在500～1500m/min高速下加工鑄鐵辙资，在 100～400m/min下加工45～65HRC的淬硬鋼瞳竖，在100～200m/min下加工耐熱合金。但不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼癌雷、合金鑄鐵乡捧、耐熱合金，特別不宜于加工35HRC以下的工件魄仙。涂層CBN刀具尚在研究中牵观。

　　陶瓷刀具

　　陶瓷刀具為高速切削最重要的刀具材料之一。目前各國陶瓷刀片生產(chǎn)數(shù)量占可轉(zhuǎn)位刀片的比例約為：美國3%～5%水惑，俄羅斯5%～7%世蕴，日本7%～9%，德國9% ～12%再拴，英國塘丝、法國、瑞典等也在大力推廣應(yīng)用诞外。由于現(xiàn)代陶瓷刀具原材料澜沟、組分和制備工藝取得了長足進(jìn)步，近5年來峡谊，陶瓷刀具的銷售額增長率達(dá)20%茫虽。國際上現(xiàn)已發(fā)展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4)兩大系列，添加各種各樣的氧化物既们、氮化物濒析、碳化物、硼化物啥纸，形成不同品種的氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具『判樱現(xiàn)有40多個(gè)品種，200多個(gè)牌號斯棒，其中氧化鋁基為25種多盾致，氮化硅基的近15種。

　　陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性荣暮，其硬度達(dá)93～95HRA庭惜，耐磨性好仇钞，適于加工50～65HRC的高硬度材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼籽钝。高溫性能好毯甘，在1200℃的高溫下仍能進(jìn)行切削。具有良好的抗粘結(jié)性能航赦，Al2O3與金屬的親和力小撇熬，它與多種金屬的相互反應(yīng)能力比很多碳化物、氮化物仓煌、硼化物都低烧已，不容易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，化學(xué)穩(wěn)定性好熔徊，Al2O3在鐵中的溶解率約為WC的1/5烘牌，擴(kuò)散磨損小，Al2O3的抗氧化能力特別好朽晓，即使刀刃處于熾熱狀態(tài)撮点，也能長時(shí)間連續(xù)使用，適于高速切削方仿。陶瓷刀具的摩擦系數(shù)也低于硬質(zhì)合金固棚。Al2O3基陶瓷刀具的主要缺點(diǎn)是強(qiáng)度和斷裂韌性較低，脆性較大仙蚜，導(dǎo)熱性差此洲，抗熱震性不高。但幾十年來委粉，在提高陶瓷刀具的力學(xué)性能上做了大量卓有成效的研究工作呜师，如采用熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補(bǔ)強(qiáng)相贾节，如在Al2O3中加入金屬碳化物汁汗、氮化物、硼化物及純金屬和晶須等栗涂，如Al2O3+TiC知牌、Al2O3+ZrO2、Al2O3+SiCw(晶須)斤程、Al2O3+TiN角寸，Al2O3+TiCN等，有的在這些組合陶瓷刀具中加入少量Mo暖释、Ni等金屬和稀土元素改善陶瓷刀具的性能窗蠕。氧化鋁基陶瓷刀具可以高速切削鋼、鑄鐵及其合金等在摔，Al2O3+SiCw適于加工鎳基合金骏疆。

　　氮化硅(Si3N4)基陶瓷與Al2O3基陶瓷比較，其最顯著的特點(diǎn)為強(qiáng)度和斷裂韌性較高唤吐，熱脹系數(shù)低潜佑，彈性模量也低，故其抗熱震性能高诫幼。Si3N4基陶瓷刀具適于加工鑄鐵镐准，連續(xù)和斷續(xù)切削都優(yōu)于Al2O3基陶瓷刀具，也可以用于冷硬鑄鐵翅殃、高硬軋輥等高硬度材料的精加工和半精加工诈金。但因其與鐵的化學(xué)親和性明顯超過Al2O3基陶瓷，化學(xué)反應(yīng)生成的低熔點(diǎn)化合物會使刀刃在短時(shí)間內(nèi)破壞臊娩，因此Si3N4基陶瓷刀具加工鋼件就比Al2O3基的差得多拐棺。Si3N4基陶瓷刀具也是在Si3N4中加入各種增韌補(bǔ)強(qiáng)相形成多品種的陶瓷刀具。

　　Si3N4-Al2O3(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品種框全，它是在Si3N4基礎(chǔ)上通過用氧部分置換Si3N4中的氮察绷，并以鋁部分置換其中的硅的方法研制成功的，是由Si-Al-O-N各種構(gòu)成的多種化合物群的總稱津辩。Sialon陶瓷刀具的強(qiáng)度和斷裂韌性較高拆撼，化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力和高溫抗蠕變能力都很好喘沿，導(dǎo)熱性高闸度，熱脹系數(shù)小，故有很高的抗熱震性能蚜印。由于其抗蠕變強(qiáng)度高筋岛，因而在刀尖處受到反復(fù)集中的高應(yīng)力和熱的作用時(shí)，也沒有因塑性變形而明顯增大損壞的現(xiàn)象晒哄，它是高速粗加工鑄鐵及鎳基合金優(yōu)良的刀具材料睁宰。在精車和半精車鎳基合金等難加工材料時(shí)，晶須增韌陶瓷刀具有優(yōu)越性寝凌。粗車和銑削時(shí)柒傻，Sialon陶瓷刀具更具適應(yīng)性，但它的溶解磨損速率比Al2O3基陶瓷刀具高很多央颈，因而不適于加工鋼件藻清。
陶瓷刀具選擇合適的品種可以用500～1000m/min的高速切削鑄鐵，用300～800m/min的速度切削鋼件械耙，用100～200m/min的速度切削高硬材料(50～65HRC)诗差，用100～300m/min的速度切削耐熱合金。

　　TiC(N)基硬質(zhì)合金

　　TiC (N)基硬質(zhì)合金的主要成分是TiC(碳化鈦)袖蝙、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦)搪狈，它們是以高耐磨性的TiC+Ni或Mo剪碱、高韌性的TiC+WC +TaC+Co、強(qiáng)韌的TiN為主體延幻，以高強(qiáng)韌的TiCN+NbC等TiC(N)為基的硬質(zhì)合金穆递。與WC硬質(zhì)合金相比，硬度林品、強(qiáng)度词惭、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能得到顯著改善增队，主要是高溫強(qiáng)度扣墩、高溫硬度、導(dǎo)熱性扛吞、抗氧化性和抗熱震性能都有提高呻惕，與鋼的親和力小，摩擦系數(shù)也小喻粹，抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力強(qiáng)蟆融，現(xiàn)在已發(fā)展成獨(dú)立系列的刀具材料。近幾年來發(fā)展的高氮含量守呜、均勻微細(xì)硬質(zhì)組織的TiC(N)基硬質(zhì)合金型酥，由于抗磨損性能和抗崩刃性良好，適于在 200～400m/min的高速下切削一般鋼和合金鋼查乒，也可用于鑄鐵的精加工弥喉。

　　涂層刀具

　　涂層刀具發(fā)展很快，目前80%以上都是涂層刀具玛迄。廣泛應(yīng)用的是在硬質(zhì)合金和高速鋼刀體上涂敷不同的氮化物由境、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁(Al2O3)蓖议、碳氮化鈦(TiCN)虏杰、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等毁几，有優(yōu)異的高溫性能撕擂。從單涂層發(fā)展為多涂層，涂層工藝有化學(xué)氣相沉積法 (CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)陵租。PVD法主要用于高速鋼刀具泉蠢，CVD法和PVD法均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。PVD法的硬質(zhì)合金刀具有較好抗破損性能育床，適于斷續(xù)切削诡语，但耐磨性不如CVD法的硬質(zhì)合金刀具。涂層刀具隨涂層物質(zhì)不同，其性能也有差別窑竖，涂層硬質(zhì)合金刀具具有：高的硬度和耐磨性 (2100～4200HV)擅啸、高的耐熱性(1000～1200℃)、高的抗粘結(jié)性能奠拢、高的化學(xué)穩(wěn)定性和摩擦系數(shù)低等镣学，優(yōu)異的WC基歌淹、TiC(N)基硬質(zhì)合金和陶瓷都可作為涂層刀具的基體瘟则。目前適于高速切削的涂層硬質(zhì)合金刀具的涂層物質(zhì)主要有CVD的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3枝秤、TiCN+Al2O3+HfN醋拧、TiN+Al2O3和TiCN 以及PVD的復(fù)合涂層TiAlN/TiN、TiAlN等淀弹。單涂層的TiC或TiN已經(jīng)不用了丹壕。選擇不同涂層物質(zhì)的涂層硬質(zhì)合金刀具可以 200～500m/min的速度加工鋼、合金鋼薇溃、不銹鋼菌赖、鑄鐵和合金鑄鐵等。近年來開發(fā)的氮化碳(CNx)沐序、氮化物(TiN/NbN琉用、TiN/VN)等，在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性策幼，適合于高速切削邑时。軟涂層刀具(如MoS2、WS2涂層的高速鋼刀具)主要用于加工高強(qiáng)度鋁合金特姐、鈦合金或貴重金屬等晶丘。日本最近開發(fā)的納米TiN/AlN復(fù)合涂層銑刀片，涂層達(dá)2000層裁鸦，每層厚度為2.5nm象体，可在高速下進(jìn)行切削。目前復(fù)雜刀具(鉆頭肮脱、齒輪刀具档改、拉刀等)主要是在高性能高速鋼基體上涂層TiCN、TiN等硬涂層攒置。涂層刀具不適于特別重載下的粗加工和沖擊大的斷續(xù)切削以及高硬度材料(如淬硬鋼粹岁、冷硬鑄鐵)，涂層刀具低速切削時(shí)尖坦，容易產(chǎn)生剝落骂领、崩碎等，表面涂層的刀具重磨后，涂層效果降低怒晕。

　　粉末冶金高速鋼(PM HSS)

　　近幾年來擒欢，工業(yè)發(fā)達(dá)國家大力發(fā)展粉末冶金高速鋼，它是從高壓氬氣或純氮霧化熔融的高速鋼鋼液中直接得到的細(xì)小高速鋼粉末嚼吞，然后在高溫高壓下熱等靜壓成鋼錠盒件，從而再制成高速鋼材。與熔融法制造的高速鋼相比舱禽，它的優(yōu)點(diǎn)是：無碳化物偏析炒刁，晶粒粉細(xì)小均勻，可達(dá)2～3?m誊稚，熱處理后翔始，硬度可達(dá)67～70HRC，抗彎強(qiáng)度高0.5～1倍里伯，在600℃時(shí)的高溫硬度高出2～3HRC城瞎，同樣的切削條件，刀具壽命提高0.5～2倍疾瓮。由于物理力學(xué)性能各向同性脖镀，可減小熱處理變形與應(yīng)力，適于制造鉆頭狼电、拉刀和齒輪刀具等復(fù)雜刀具蜒灰。這類高速鋼刀具，其切削速度可成倍增加惯篇，在其表面PVD涂層TiN反俱、TiCN、TiAlN后辱囤，切削速度可達(dá)150～200m/min炸一。在復(fù)雜刀具高速切削領(lǐng)域，粉末冶金高速鋼涂層刀具將會進(jìn)一步發(fā)展而占有重要地位牢介。

　　3 國內(nèi)高速切削刀具材料面臨的挑戰(zhàn)

　　國內(nèi)高速切削刀具材料與國外差距較大校槐，目前在進(jìn)口的和國內(nèi)生產(chǎn)的高速機(jī)床上使用的刀具主要依靠進(jìn)口，所以國內(nèi)高速切削刀具材料面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)泳厌。

　　目前國內(nèi)最常用的通用刀具主要是高速鋼(W18Cr4V)另焕，多由較小廠家生產(chǎn)，高性能高速鋼如鋁高速鋼起驱、鈷高速鋼品質(zhì)較差惦鄙，也很少用。粉末冶金高速鋼刀具仍在研究鹊获，切削速度一般在25～40m/min喧久。車追城、銑、鏜和端銑刀普遍應(yīng)用硬質(zhì)合金燥撞，但焊接刀居多座柱，主要是普通硬質(zhì)合金(TG、YT)物舒∩矗可轉(zhuǎn)位刀片雖然有 WC加TaC、NbC或Hf-Nb冠胯，以及超細(xì)硬質(zhì)合金的產(chǎn)品火诸，但應(yīng)用仍不普遍，切削速度在100～200m/min涵叮。硬質(zhì)合金如深孔鉆惭蹂、螺紋刀具等近年也有產(chǎn)品伞插，但應(yīng)用較少割粮，加工效率普遍偏低。

　　國內(nèi)高速切削刀具最具有優(yōu)勢的是陶瓷刀具媚污，研究開發(fā)的水平與國際相當(dāng)舀瓢。目前已有陶瓷刀具30多個(gè)品種，其中氧化鋁基20多個(gè)皿掂，氮化硅基近10個(gè)瓣车，包括帶孔和不帶孔陶瓷刀具的生產(chǎn)能力也很大。

　　我們幾十年來把切削學(xué)和刀具材料學(xué)緊密結(jié)合在一起般供，經(jīng)過深入研究菠贡，已建立了基于切削可靠性，融合陶瓷刀具切削理論與刀具材料研究開發(fā)于一體的陶瓷刀具研究新體系≌じ妫現(xiàn)在可以以切削可靠性為優(yōu)化目標(biāo)睛至，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)異性能的陶瓷刀具材料域抚，并正在邁向陶瓷刀具材料的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和熱壓工藝過程仿真相結(jié)合的國際前沿陣地治部，突破了“炒菜式”的研究開發(fā)傳統(tǒng)模式，加速了陶瓷刀具研究開發(fā)的進(jìn)程涵蔓〔昨龋基于這種理論，我們已開發(fā)成功6個(gè)品種12個(gè)牌號的Al2O3基陶瓷刀具材料滋遗，先后投放市場蟀思，其中包括鋁鈦(LT)、晶須(JX)溉跃、硼鈦(LP)村刨、添加特殊粉末與稀土LD系列门粪、梯度功能(FG)和陶瓷-硬質(zhì)合金復(fù)合片 (FH)系列。FG和FH系列的力學(xué)性能和抗磨損與抗破損性能有顯著提高烹困，延長了刀具壽命玄妈。在6個(gè)品種中的晶須與顆粒協(xié)同增韌的JX-2，LP-2髓梅，梯度功能FG拟蜻，陶瓷-硬質(zhì)合金復(fù)合片(FH)和添加特殊粉末的LD-1不僅填補(bǔ)了國內(nèi)空白，國外也未見報(bào)導(dǎo)枯饿。國內(nèi)的陶瓷刀具產(chǎn)品的力學(xué)性能和切削性能與國外相當(dāng)酝锅，有的還好一些。國內(nèi)陶瓷刀具可在300～1000m/min的高速下車削或銑削鋼奢方、合金鋼搔扁、鑄鐵和合金鑄鐵等，在這些Al2O3基品種中蟋字，SG-4遇冶、FG-2和FH-2三種是目前國內(nèi)外高速加工淬硬鋼(55～65HRC)的理想刀具材料。國內(nèi)研制的氮化硅基陶瓷刀片性能優(yōu)異枫须，在加工鑄鐵方面顯出了優(yōu)越性涧智。Sialon陶瓷刀具也有產(chǎn)品。陶瓷刀具存在的主要差距是高精度陶瓷刀片精度和外觀質(zhì)量還欠佳新俗，有的品種還沒有誊桅，推廣應(yīng)用也遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國家普遍。

　　國內(nèi)高速切削用的立方氮化硼(PCBN)于1973年都鸳、聚晶金剛石(PCD)于1980年研制成功难踱，發(fā)展較快，已開發(fā)出可分別用于車猪楣、鏜刷络、銑削等加工領(lǐng)域的多種不同CBN含量的PCBN刀具和不同晶粒尺寸的PCD刀具。其中PCBN刀具目前主要用于加工淬硬鋼滤填、高硬鑄鐵和某些難加工材料锌烫。PCD刀具主要用于高硅鋁合金加工。目前主要是國內(nèi)的多家合資公司研究和生產(chǎn)的超硬刀具(PCBN认扼、PCD和天然金剛石ND)主導(dǎo)著市場啸盏。兩類刀具應(yīng)用還不普遍。人工合成單晶金剛石和涂層金剛石還在研究中骑祟。

　　碳化鈦(TiC(N))基硬質(zhì)合金國內(nèi)于60年代末開始研制回懦，最早的是TiC基硬質(zhì)合金，最近幾年研制成功含TiN的TiC-TiN和TiCN的TiC(N)基硬質(zhì)合金幾種產(chǎn)品次企，可用于200～400m/min高速精和半精加工鋼怯晕、合金鋼和不銹鋼潜圃。近來國內(nèi)初步研制成功加入TiN納米粉的TiC+TiN納米改性Ti(C，N)基硬質(zhì)合金舟茶。試驗(yàn)表明谭期，在 200m/min速度下加工45鋼，比未加納米改性的刀具提高壽命1倍吧凉，目前尚無產(chǎn)品隧出。Ti(C，N)基刀具材料存在的主要問題是品種較少阀捅，應(yīng)用也不多胀瞪。

　　國內(nèi)在20世紀(jì)70年代初開始研制涂層刀具，最初研制CVD TiC單涂層硬質(zhì)合金芳倒，80年代初研究PCD TiN單涂層高速鋼刀具领明。經(jīng)過多年的努力。從國外進(jìn)口了一批涂層設(shè)備姓赂，近年來開發(fā)成功CVD TiC-TiN袋凶、Al2O3-TiN 多涂層硬質(zhì)合金刀片和PVD TiN、TiCN揖蜒、TiAlN怨瑰、TiAlCN復(fù)合多涂層高速鋼復(fù)雜刀具。低溫(<600℃)的外熱式直流脈沖等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù) (PCVD)也開發(fā)成功升诡，具有設(shè)備簡單、涂層厚度均勻皇铝、結(jié)合強(qiáng)度高页函、涂層材料種類多、工件不變形等優(yōu)點(diǎn)锡胡。但目前市場上涂層刀具的主要產(chǎn)品是CVD Al2O3和TiN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀片以及PVD TiN涂層高速鋼刀具庭四。TiCN、TiAlN和TiAlCN商品化涂層產(chǎn)品由于技術(shù)原因绘雁，難于及時(shí)供應(yīng)橡疼，質(zhì)量與國外還有差距。PVD硬質(zhì)涂層如氮化碳(CNx)庐舟、Al2O3欣除、氮化物[TiN(NbN)、TiN/VN等]以及金剛石PCD膜涂層和軟涂層(MoS2挪略，WS2)和納米涂層等有待開發(fā)历帚。國外在國內(nèi)的代理公司大力熱銷涂層刀具，劇烈沖擊著國內(nèi)市場杠娱。

　　4 高速切削刀具材料的未來

　　未來超高速切削的目標(biāo)是：銑削鋁為10000m/min挽牢，鑄鐵為5000m/min谱煤，普通鋼為2500m/min：而鉆削鋁、鑄鐵和普通鋼分別為 30000禽拔、20000與10000r/min刘离。因此，今后要發(fā)展具有更加優(yōu)異高溫力學(xué)性能睹栖、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及高抗熱震性的刀具材料寥闪。

　　PCD 刀具將繼續(xù)發(fā)展提高性能，廣泛使用于加工鋁合金和高硬度非金屬材料钮药，但人工合成單晶金剛石和金剛石厚膜涂層將發(fā)展更快椭梁，視其成本，將逐步取代PCD尺果。高速超精密鏡面切削領(lǐng)域捻奉，天然金剛石刀具仍有重要作用，但部分將被人造單晶金剛石代替捌秩。目前限制PCD刀具加工鋁合金切削速度的主要是機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速及其功率九站。

　　Al2O3基與Si3N4基陶瓷刀具和CBN刀具為高速切削鋼、鑄鐵及其合金的首選刀具材料脓大，但各有其使用范圍屋骇，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展。Al2O3基陶瓷刀具高速加工鋼及其合金有更廣泛的應(yīng)用前景过桌，與CBN刀具相比殷彰，它既有成本優(yōu)勢，又適于加工淬硬鋼和未淬硬鋼與鐵素體材料诚摹，但耐熱性與抗熱震性能還不夠哺肘。發(fā)展耐高溫1400～1500℃以上并提高其高溫強(qiáng)度與抗熱震性的、添加CBN的納米復(fù)合型Al2O3基陶瓷刀具是今后的主攻方向渗稍。在高速加工耐熱合金領(lǐng)域發(fā)展具有更大的高溫強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性的Al2O3+Si3N4基的添加CBN的復(fù)合型刀具材料是一個(gè)重要研究方向佩迟。

　　涂層刀具材料在高速切削領(lǐng)域有巨大潛力，繼續(xù)研究新的涂層技術(shù)和涂層物質(zhì)竿屹，提高性能报强，擴(kuò)大使用。但主要發(fā)展粉末涂層拱燃，即在硬質(zhì)合金與粉末冶金高速鋼粉體(晶粒)上涂層高性能耐磨材料的新一代涂層刀具秉溉，可以重磨而不影響其性能，對復(fù)雜刀具特別有意義扼雏。我們初步研制成功的坚嗜、在硬質(zhì)合金粉末上涂層Al2O3的涂層刀片說明其可行性和優(yōu)越性。

　　對于某些很難加工而應(yīng)用又多的工件材料(如鈦合金)诗充，因其切削時(shí)苍蔬，即使在中速下诱建，溫度也很高，研究不污染環(huán)境的氣冷(如氮?dú)?方法碟绑，降低切削溫度以實(shí)現(xiàn)高效切削武骆，是一個(gè)可行而具有應(yīng)用前景的方向。

　　5 結(jié)束語

　　高速切削技術(shù)已成為切削加工的主流溃杖，加快其推廣應(yīng)用硝锨，將會創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益。高速切削刀具材料對發(fā)展和應(yīng)用高速切削技術(shù)具有決定性作用卢圈。超硬刀具材料 (PCD與.CBN)储佣、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具(金屬陶瓷)和涂層刀具等四大類高速切削刀具材料各有其特性和應(yīng)用范圍借衅，它們相互配合位蓉，彼此競爭，推動(dòng)高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用鹊属。國內(nèi)在這方面也有一定基礎(chǔ)冶媚，取得很大進(jìn)步，特別是陶瓷刀具我國占有突出優(yōu)勢危劫，但總體來說與國外差距較大彭旬。我們抓住經(jīng)濟(jì)全球化和改革開放的大好機(jī)遇，勇敢地去迎接面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)容诬。在以不同方式利用國外已成熟的技術(shù)娩梨，加快發(fā)展我國高速切削刀具材料工業(yè)的同時(shí)，重點(diǎn)發(fā)展我國新一代陶瓷基添加CBN的復(fù)合型刀具材料和涂層刀具材料技術(shù)放案，以促進(jìn)我國高速和超高速切削技術(shù)的迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用姚建。

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