20世紀(jì)是刀具材料大發(fā)展的歷史時期——各種難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，先進(jìn)制造系統(tǒng)杰打、高速切削献鬼、超精密加工、綠色制造的發(fā)展和付諸實現(xiàn)捉为，對刀具提出了全新要求离览，令刀具的品種、類型焚趴、數(shù)量和性能均比過去有了長足發(fā)展蝶锋。反過來陆爽，刀具技術(shù)的革新又有力推動機(jī)械制造工業(yè)的一次又一次騰飛。

　　21世紀(jì)扳缕，刀具材料將有大發(fā)展慌闭。刀具材料與工件雙方交替發(fā)展和相互促進(jìn)，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律躯舔。在未來驴剔，刀具材料必將面臨工件材料性能提高、加工批量加大和制造精度提升的更嚴(yán)峻挑戰(zhàn)粥庄。材料科學(xué)的進(jìn)步丧失，推動了刀具材料的發(fā)展；而刀具材料的發(fā)展惜互，應(yīng)考慮原材料資源的制約布讹。新品種的出現(xiàn)，新舊品種各自所占比重的變化以及它們之間相互競爭和相互補充的格局训堆，將成為未來刀具材料發(fā)展的新特點描验。

　　材料資源并非“取之不盡”

　　縱觀各種刀具材料，除人造金剛石的原料為石墨（碳元素）外坑鱼，其它品種都離不開碳化物帘染、氮化物、氧化物和硼化物谅璧。在現(xiàn)代刀具中耕疟，碳化物用得最多。在刀具材料的各個組份中拆鹉，以Fe3C上互、WC、TiC舷翰、Mo2C翼毡、TiN、Al2O3拿豺、Si3N4等用量最大既感，此外還須用到金屬Co。在發(fā)展各種新型刀具材料時咱缭，主要考慮機(jī)械挂悲、物理性能的進(jìn)步和適應(yīng)工件加工的需要以及刀具材料與工件材料的匹配。而在很長一段時間里俊戳，人們忽略了資源的儲存揖赴。

　　高速鋼和硬質(zhì)合金都以W和Co為主要原料，其價格昂貴抑胎。中國富W少Co燥滑，而W資源除國內(nèi)使用外渐北，還大量出口，當(dāng)今全球使用的W中約有75~80％來自中國铭拧，可是中國的W資源只夠用50年赃蛛。中國使用的Co主要向國外購買，價格昂貴搀菩，況且全世界Co資源的儲存量也是有限的呕臂。這就警示我們在發(fā)展新型刀具材料時，還需充分考慮如何節(jié)約貴重資源肪跋。有些刀具材料組份歧蒋，如Al2O3、Sl2O3州既、Si3N4谜洽、TiC等，雖然蘊藏豐富芜溪，但要付出工藝和制造的成本囱叼，故其價格亦不菲。

　　現(xiàn)代新型材料及其應(yīng)用展望

　　1. 高速鋼

　　在現(xiàn)代切削加工中灯烤，高速鋼的性能已不夠先進(jìn)，但因其穩(wěn)定性好闻街，能接受成形加工欧蠢，目前在刀具材料總消耗量中高速鋼刀具仍占到40％。傳統(tǒng)的普通高速鋼以鎢系的Wl8Cr4V和鎢鉬系的W6Mo5Cr4V2為代表架讳。所有的高速鋼中榴烦，鉻含量均保持在3.5~4.5％，它是增大高速鋼淬透性的主要元素文饱。而如若釩含量分類增加绝壹，鋼的耐磨性將隨之提高，但會使刀具接受刃磨困難融吓，且脆性增加判阀。鋁元素在鋼中能生成AL2O3、AlN箩绍；且起釘扎作用孔庭，阻止位錯，從而提高了材料的硬度和強(qiáng)度材蛛。

　　加入鈷元素后圆到，可形成超硬高速鋼，鈷不形成碳化物卑吭，但能提高淬火溫度芽淡，增強(qiáng)二次硬化效果马绝，提高高溫硬度。中國缺鈷資源挣菲，鈷價昂貴富稻，因而研制了無鈷或少鈷的超硬高速鋼——它們的性能都能達(dá)到M42的水平〖旱ィ可以說唉窃，中國在發(fā)展無鈷、少鈷超硬高速鋼方面纹笼，做出了很大貢獻(xiàn)纹份。值得一提的是，用粉末冶金方法制造高速鋼炫允，可減少有害雜質(zhì)培幽，消除碳化物偏析，提高鋼的硬度和韌性睛村。粉末高速鋼的切能性能優(yōu)于熔煉高速鋼绎编，國內(nèi)也掌握這方面的技術(shù)。

　　今后川骗，中國應(yīng)發(fā)展和使用性能優(yōu)良的鎢鉬系或鉬鎢系高速鋼演穗，少用鎢系高速鋼以節(jié)約W；發(fā)展和使用無鈷和少鈷超硬（高性能）高速鋼伍恼，盡量不用高鈷高速鋼（如M42垛墙，HSP-15）。

　　中國已大量使用涂層高速鋼刀具羡雷，亦已掌握涂層工藝携喳，但粉末合金高速鋼刀具尚屬空白。在工業(yè)先進(jìn)國家热品，粉末冶金高速鋼刀具已占高速鋼總量的10％巍糯，因其性能優(yōu)越，可有效提高刀具壽命和設(shè)備利用率客扎，所以盡管這種刀具的價格較貴祟峦，仍能在總體上降低加工成本。近年徙鱼，國內(nèi)個別鋼廠和工具廠已能制造粉末冶金高速鋼搀愧，如能保證質(zhì)量且性能穩(wěn)定，應(yīng)推薦機(jī)械制造廠采用疆偿。筆者認(rèn)為咱筛，中國應(yīng)大力研制粉末冶金高速鋼。

　　2. 硬質(zhì)合金

　　硬質(zhì)合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品迅箩，新型硬質(zhì)合金有下列6種溉愁。

　　①添加TaC和NbC的硬質(zhì)合金：添加后能有效地提高常溫硬度饲趋、高溫強(qiáng)度和高溫硬度拐揭，細(xì)化晶粒，提高抗擴(kuò)散和抗氧化的能力奕塑。此外愧陈，還能增強(qiáng)抗塑性變形的能力。

　〈畛场②細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金：晶粒細(xì)化后可提高合金的硬度和耐磨性煮啡，適當(dāng)增加鈷含量后還可提高抗彎強(qiáng)度。普通刀具牌號和合金平均晶粒尺寸為2~3mm棒论，細(xì)晶粒合金為1~2mm馁祈，亞微細(xì)晶粒合金為0.5~1mm，超細(xì)晶粒合金為0.5mm以下委董。我國硬質(zhì)合金刀具已達(dá)細(xì)晶粒和亞微細(xì)晶粒的水平银薪。

　　③TiC基和Ti（C血明，N）基硬質(zhì)合金金屬陶瓷：在YT夫石，YG，YW合金中腊尤，WC是主要成分鸭僧，并以Co為黏結(jié)劑；TiC基合金則以TiC為主要成分缤弦，不含或少含WC领迈，以Ni-Mo作黏結(jié)劑彻磁。

　“濉④添加稀土元素的硬質(zhì)合金：添加少量稀土元素，可有效提高合金的韌性和抗彎強(qiáng)度衷蜓，耐磨性亦有一定提高累提。這類合金最適于粗加工刀具牌號，亦可用于半精加工牌號磁浇；在礦山工具斋陪、頂錘、拉絲模用硬質(zhì)合金中亦有廣闊發(fā)展前景置吓。我國稀土元素資源豐富无虚，在硬質(zhì)合金中添加稀土的研究有所領(lǐng)先。P，M友题，K類合金都已研制出添加稀土的牌號嗤堰。

　　⑤表面涂層硬質(zhì)合金：涂層硬質(zhì)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面镣，故可提高刀具壽命和加工效率卒抖，降低切削力，提高已加工表面質(zhì)量甩宣。近20年來栏葬，涂層硬質(zhì)合金刀具有了很大發(fā)展，在工業(yè)先進(jìn)國家已在可轉(zhuǎn)位刀具中占50~60％以上杯削。

　「а浴⑥梯度硬質(zhì)合金：這是近年來發(fā)展起來的新品種，各層成分可根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)煮肋。

　　綜述可知逸茅，各種硬質(zhì)合金全都在提高水平，擴(kuò)大其使用范圍响友。在21世紀(jì)中详不，硬質(zhì)合金刀具材料將重點在兩方面發(fā)展：一是細(xì)化晶粒，提高韌性與抗彎強(qiáng)度扳辉，從而擴(kuò)大應(yīng)用妖救，進(jìn)一步代替高速鋼刀具。將晶粒尺寸達(dá)到納米級粒梦，抗彎強(qiáng)度可達(dá)到2.5~3.0GPa以上亮航。二是發(fā)展金屬陶瓷，用TiC和Ti（C匀们，N）代替WC缴淋，以節(jié)約W資源；用Ni和Mo代替Co泄朴，節(jié)約Co資源≈囟叮現(xiàn)在的問題是，金屬陶瓷的韌性尚遜于WC基硬質(zhì)合金祖灰，在這方面要加強(qiáng)研究钟沛，爭取突破。

　　3. 陶瓷

　　陶瓷刀具材料分為3類：氧化鋁基陶瓷局扶；氮化硅基陶瓷恨统；復(fù)合氮化硅－－氧化鋁陶瓷。陶瓷的高溫性能優(yōu)于硬質(zhì)合金三妈，故適用于高速切削畜埋。Al2O3基和Si3N4基復(fù)合陶瓷都適合切削淬硬鋼、高硬鑄鐵及一般鑄鐵；Al2O3基復(fù)合陶瓷亦能有效地切削未淬硬鋼料镀材，而Si3N4基陶瓷切削一般鋼材時磨損迅速素司。

　　陶瓷的硬度稍高于硬質(zhì)合金，但其脆性很大赌置，韌性不足押逾，可加工性很差，故應(yīng)用受到限制蓝捌。今后的發(fā)展方向在于增韌眶洗，用細(xì)化原料的粒度，添加ZrO2饵朱、TiB2或SiC晶須等方法堤网，可在一定程度上提高陶瓷材料的韌性。

　　4.超硬刀具材料

　　超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN）椰完，它們的硬度比其它刀具材料高出好幾倍贫肌。金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，CBN的硬度僅次于金剛石辨批。近年來怔匣，超硬刀具材料發(fā)展迅速。

　　金剛石刀具材料分為5類：天然金剛石（ND）桦沉；人造聚晶金剛石（PCD）和人造單晶金剛石每瞒；人造聚晶金剛石復(fù)合片（PCD/CC）；金剛石薄膜涂層刀具（CD）纯露；金剛石厚膜刀具（FCD）剿骨。ND的結(jié)晶各向異性，在進(jìn)行刀磨的使用時必須選擇適宜的方向埠褪。人造金剛石各向同性浓利，其硬度低于ND，但強(qiáng)度與韌性高于ND钞速。

　　金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料贷掖，如銅、鎢等有色金屬及其合金玉工、陶瓷羽资、硬質(zhì)合金淘菩、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料诫痹、塑料悍暴、橡膠、石墨、玻璃和木材等络骤，但金剛石忌切鋼鐵及其它鐵族金屬劣领。

　　TFD綜合性能很好，兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優(yōu)點，與基底結(jié)合牢固衍康，便于多次重磨，故有良好應(yīng)用價值和發(fā)展前景衔密。CBN的制造方法與PCD或PCD/CC相似鞍票。以六方氮化硼為原料，經(jīng)高溫高壓制成聚晶CBN或復(fù)合片CBN/CC找蝗。CBN主要用于加工淬硬鋼岖佛、高硬鑄鐵及其它硬金屬與非金屬材料。

　　可以預(yù)見渊输，金剛石刀具在21世紀(jì)將有大發(fā)展用虚，它除了不能加工鋼鐵和鐵族金屬以外，在非鐵金屬和非金屬材料的加工方面奸误，有非常優(yōu)越的應(yīng)用價值粤蝎。如汽車工業(yè)中的鋁硅活塞和航空航天工業(yè)中的有色金屬精密零件的加工都離不開金剛石刀具。筆者認(rèn)為袋马，今后人造單晶金則石刀具和CD初澎、TFD金剛石鍍膜（涂層）刀具將有較大發(fā)展。

　　近年虑凛，CBN的制造工有了改進(jìn)谤狡，成本有所降低；同時卧檐，通過改硬質(zhì)相和黏結(jié)相的配比和黏結(jié)材料的種墓懂，使其韌性顯著提高。近年霉囚，在汽剎轂（灰鑄）和冶金工輥（淬硬和高硬）的加工捕仔，得到了廣泛應(yīng)用。我相信盈罐，CBN刀具將有大發(fā)展榜跌，到21世紀(jì)末，可能將替代相當(dāng)數(shù)量的硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具盅粪，成為應(yīng)用最廣的刀具材料之一邪胳。從技術(shù)角度說，CBN應(yīng)改進(jìn)在加工一般硬度和中硬材時效果不顯著的缺陷像得。

　　近年肪尾，還出現(xiàn)了一種嶄新的超硬刀具材料。用磁控濺射法在高速或硬質(zhì)合金刀具上可沉積氮化碳（CxNy）薄膜轨醒，根據(jù)體彈模量計算催蓄，它能達(dá)到甚至超過金剛石的硬度夸截。其它性能也與金剛石十分相似。在高速刀具（如麻花鉆）上涂覆這種薄膜來加工鋼件乱来，刀具命比涂前可提高8~10倍儒淌。在硬質(zhì)合金刀片涂覆亦有一定的效果，但不如高速刀具顯著荡担。因此品客，CxNy涂層刀具也是未來刀具的重要展方向。

　　刀具材料發(fā)展簡史

　　遠(yuǎn)古時代准瘪，曾用石材和銅合金作為刀具材料助店。18世紀(jì)中葉歐洲工業(yè)革命以后，切削刀具一直由碳素工具鋼制造佛吓；1865年發(fā)明了合金工具鋼宵晚。但隨著對加工效率的要求日益提升，上述兩種工具鋼材料的性能已不敷要求维雇。

　　高速鋼在1898年被發(fā)明出來淤刃，這種新材料的出現(xiàn)使切削速度和切削效率較碳素工具鋼、合金工具鋼分別提高4倍和2.5倍以上吱型。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初逸贾，高速鋼曾使切削水平出現(xiàn)了一個飛躍，推動了美國及世界各國機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展津滞，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益铝侵。

　　人們尋求更高性能的新型刀具材料的努力從未停步，20世紀(jì)20年代中期到30年代初触徐，出現(xiàn)了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金咪鲜。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于大批量撞鹉、高效率生產(chǎn)兵器的需要疟丙，美英蘇德各國已部分使用硬質(zhì)合金刀具。在我國藻礁，解放后曾從蘇聯(lián)引進(jìn)少量硬質(zhì)合金聋遮。20世紀(jì)50年代中期以后，開始自行生產(chǎn)并廣泛使用庆率。

　　20世紀(jì)后半期仪丛，工件材料的機(jī)械性能不斷提高，產(chǎn)品的品種和批量逐漸增多软殿，加工精度的要求日益提高卒粮，工件的結(jié)構(gòu)和形狀不斷復(fù)雜化和多樣化，硬質(zhì)合金刀具在應(yīng)對這些新挑戰(zhàn)中發(fā)揮了重大作用缸秀。而且钢囚，硬質(zhì)合金本身也涌現(xiàn)出許多新品種，性能不斷提高唯碗。但它較脆鸟氨，韌性不足，可加工性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高速鋼铐向，開始時只能用于車刀和銑刀集炭，后來才擴(kuò)大到其它刀具，難以用于所有的刀具复斥。正因為高速鋼能制造各種類型的刀具营密，其始終占領(lǐng)很大一塊陣地，而且目锭，高速鋼也發(fā)展了很多新品種评汰，切削性能較原有品種有了很大提高。

　　直至近年痢虹，高速鋼和硬質(zhì)合金仍是用得最多的兩種刀具材料被去，但硬質(zhì)合金的占比已擴(kuò)大到60％〗蔽ǎ可以看到惨缆，經(jīng)過半個世紀(jì)的“攻城掠地”，硬質(zhì)合金竟然占領(lǐng)了如此廣闊的陣地丰捷，應(yīng)該也是當(dāng)初人們始料不及的坯墨。但它仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是在20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷病往，后來又有氮化硅陶瓷捣染。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，它們的硬度明顯高于其它刀具材料饭糊。陶瓷的硬度稍高于硬質(zhì)合金血沦，但其韌性和可加工性則又遜于硬質(zhì)合金。

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