魔高一尺修诈，道高一丈 
 
柯博士刀具漫談系列之二：
                                                    魔高一尺瘸劳，道高一丈
                                                    - 漫談刀具材料發(fā)展的不平之路
 
                                     阿諾（蘇州）刀具有限公司  柯亞仕 博士

在人類文明發(fā)展的歷史長河中，刀具的進步也起到了舉足輕重的作用投沃⊙蓿可以這么說，刀具材料的推陳出新往往是一個新社會制度的變更基礎绞艘！不是嗎足沥？在遠古時代人類主要以石頭為工具，有舊石器時代妈削、新石器時代之分轿跌。但石器畢竟只是對天然石頭的外形加工，思維簡單逮碾，所以對應的是人類的原始社會汪兢。青銅材料的出現(xiàn)讓刀具性能大大提高，同時也開發(fā)出更多種類的刀具涡相，如青銅銼哲泊、青銅鋸等等。對應青銅器時代的是人類的奴隸社會。鐵材料的開發(fā)成功使人類的發(fā)展進入歷史快車道切威，鐵制刀具大大提高了人類的加工能力育特，改善了人們的生活方式，同時也促使社會進入封建社會先朦。工具鋼的出現(xiàn)揭開了現(xiàn)代金屬加工的序幕缰冤，同時也為人類進入資本主義社會鋪平了道路！高速鋼的廣泛應用掀起了資本主義的高速發(fā)展喳魏。而硬質合金材料和超硬材料的開發(fā)成功直接驅使現(xiàn)代金屬加工業(yè)進入黃金時代棉浸，同時也為人類進入現(xiàn)代化社會生活奠定了物質基礎。
 
    人類從很早開始就認識到刀具和刀刃材料的重要性刺彩。據(jù)考證迷郑，在原始社會就有人把堅硬的石刃緊固在木把上制成石刃木把刀具。這種重要性后來被概括為“好鋼用到刀刃上”的千古名言创倔，到了上世紀中期刀具工程師們繼承了原始人的這一思路嗡害，開始大力推廣焊接式或夾持式硬質合金刀具。
 
    隨著人類文明的進步却值，人們總是不斷地開發(fā)出新材料以滿足需要卑竹。為了能對開發(fā)出來的新材料進行切削加工，人類總是在努力開發(fā)出比工件材料更硬的刀具材料私闭。正所謂“魔高一尺砾漓，道高一丈”。現(xiàn)代切削刀具材料經(jīng)歷了從碳素工具鋼宽用、合金工具鋼闭榛、高速鋼、硬質合金到陶瓷和超硬材料等一百多年的發(fā)展歷史阁陌。
 
    理想的刀具材料應當具有“硬如金剛石腊拍，韌如高速鋼”的性能。無奈奖朴，符合這種要求的材料至今還沒有找到。很硬的材料往往很脆汇径，韌性差曼刀。而韌性好的材料其硬度往往不夠高。另外史隆，由于在金屬切削過程中要產(chǎn)生大量熱量魂务、溫度很高，所以要求刀具材料必須具備良好的耐熱性泌射，或稱紅硬性粘姜，即要求在高溫下還能保持高的硬度。
 
    早在值得驕傲的“春秋”、“戰(zhàn)國”和秦朝的時期孤紧，我們的祖先已進人封建社會豺裆，鋼、鐵工具開始出現(xiàn)号显，碳素工具鋼就開始得到應用臭猜。據(jù)文獻報道，那時的碳素工具鋼與現(xiàn)代的T10押蚤、T12等鋼種已十分接近蔑歌，能承受200-250℃的切削溫度。但遺憾的是揽碘，我們的祖先過分“重文輕理”次屠，“重農(nóng)輕工”，先進的刀具材料除了鑄就寶劍外并沒能發(fā)揮出其金屬切削領域的優(yōu)秀潛能稀掠，所以焕徽，也沒能創(chuàng)造出燦爛的工業(yè)文明。一次讓中國順利進入資本主義社會的機遇就這樣錯過了怕事！
 
    錯過機遇的后果十分嚴重：由于缺少工業(yè)機加工的相應需求竹恃，我們的工具材料發(fā)展在此后多少個世紀里幾乎進入了停滯的境地。在那時期旅测，西方的文明本來發(fā)展就很慢肘勾，也沒有大的建樹。直到十九世紀下葉開始兆布，歐洲開始引領風騷：工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展帶動了材料工業(yè)的迅速發(fā)展箫废。各種高性能的合金鋼不斷地被開發(fā)成功，但對這些材料的加工也越來越難佛或。人們對碳素工具鋼刀具的加工效率就越來越不滿意譬功，所以，必須研發(fā)出性能更優(yōu)的刀具材料弧跑。
 
    1865年奋隶，英國的Rohert Mushet發(fā)明了合金工具鋼，能承受350℃的切削溫度悦荒，加工一般鋼材時切削速度可提高到10-12m/min唯欣。

                                            1982年德國某著名刀具公司的高速鋼鉆頭

在1898年（也說1906年），美國的W.Taylor和M.White終于成功研制了所謂的高速鋼搬味。由于其中加入了硬質的碳化鎢境氢，使之在高溫條件下（能夠承受550-600℃的切削溫度）硬度也不降低，所以可以高速加工（切削鋼材可達25m/min）碰纬，故稱為高速鋼萍聊。
 
    高速鋼的出現(xiàn)立即引起了切削加工的一次革命问芬。它不但大大提高了金屬切削的效率，并要求完全改變機床的結構寿桨，以適應這種新刀具材料的高切削性能要求此衅。一百多年來人們對這種材料的性能一直進行著孜孜不倦的改進（現(xiàn)代高速鋼切削鋼材的速度可達40 m/min以上）。直至今日牛隅，高速鋼還是金屬切削業(yè)中不可缺少的刀具材料炕柔。
 
    但是，用高速鋼刀具來加工鎳基合金媒佣、模具鋼等材料時触法，其加工速度和壽命又讓人感到無法忍受。硬質合金的出現(xiàn)再一次改變了這樣無奈的局面据伏。
 
    目前已占據(jù)刀具市場半壁江山的硬質合金材料(英文：Carbide展稼，德文：Hartmetall)是1923年德國人K.Schroeter發(fā)明的（順便提一下：Schroeter當時得出的關于硬質合金材料的結論至今還有效！）骏庙。德國Krupp公司于1926年獲得此專利并開始開發(fā)俩堡、推廣。由于其出色的硬度辣棉，當時就把公司冠名為“WIDIA”-Wie Diamant(德語氏诽，意為“硬似金剛石”），成分為: 94%WC+6%Co狰赘。
 
    作為硬質合金刀具發(fā)展中赫赫有名的先鋒壳凳，德國Widia公司為硬質合金刀具初期的迅速發(fā)展以及刀具的涂層（1962年）作出了很大貢獻。2002年Widia公司被美國刀具巨頭肯納所收購扮人。
 
    最初研制的WC-Co硬質合金的耐熱性達到800 ℃ 浆左，切削速度提高到40 m/min以上。但存在沖擊強度低训措、性脆易破損等缺點伪节。在隨后的八十年里，人們通過添加不同碳化物绩鸣、減小晶粒的大小怀大、改善涂層等措施使硬質合金刀具的切削速度達到200m/min以上。
 
    我國的硬質合金發(fā)展事業(yè)始于上世紀50年代全闷，不算太晚叉寂，比歐美才晚起步20年。由于軍工生產(chǎn)的需要总珠，美、英勘纯、蘇局服、德各國在第二次世界大戰(zhàn)期間開始部分使用硬質合金刀具。二戰(zhàn)結束后，開始民用淫奔。50年代初山涡，我國才從蘇聯(lián)少量引進硬質合金，替代高速鋼刀具在生產(chǎn)中應用（如果我們能早些引進硬質合金刀具并能在軍工生產(chǎn)中發(fā)揮出作用斜擎，這樣爱饲，打擊日本鬼子也許要痛快些）。接著宿闯，在蘇聯(lián)援助下乳嘁，我國建設了株洲硬質合金廠。后又自力更生危厕，建成了自貢硬質合金廠寻适。經(jīng)過國人半世紀斷斷續(xù)續(xù)的努力，目前生產(chǎn)硬質合金材料的廠家已經(jīng)很多稻扔。中國硬質合金材料的產(chǎn)量已居世界之首凤婆，成為名副其實的生產(chǎn)大國，但遺憾的是伞下，我們不是硬質合金生產(chǎn)強國非畜！
 
    在高端硬質合金領域，如二孔辛蕊、三孔的螺旋內冷棒料亦弛、超細晶粒和納米晶粒棒料及特殊用途的硬質合金材料方面，我們幾乎全部依賴進口章母！
 
    硬質合金材料的出現(xiàn)與發(fā)展母蛛，進一步完成了從高速鋼開始的金屬切削革命，并使切削速度和效率有了跳躍性的提高乳怎，所以被稱為“刀具技術的第一次革命”彩郊。
 
    但隨著玻璃、玻璃纖維蚪缀、耐火材料秫逝、石墨、強化塑料询枚、高硅鋁合金等材料的逐步應用违帆，硬質合金刀具的壽命又無法滿足生產(chǎn)的需要。另外金蜀，硬質合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料和超精密加工的要求刷后。所以，人們又必須開發(fā)出更硬渊抄、更耐磨的刀具材料以滿足這種需求尝胆。

                          2005年阿諾刀具的硬質合金強力鉆

20世紀中期市場上出現(xiàn)了氧化鋁及氧化鋁基復合陶瓷丧裁，稍后又出現(xiàn)了氮化硅及氮化硅基復合陶瓷。陶瓷刀具在近幾年有很大發(fā)展环壳，應用也越來越廣央嘱。利用陶瓷刀具加工鋼、鑄鐵乞瑰、淬硬鋼馏纱、高錳鋼和鎳基高溫合金時，刀具壽命可比硬質合金長幾倍排击。然而素牌，陶瓷與硬質合金相比，盡管其切削性能也有很大的提高舔伴，但其強度滨靴、韌性和可加工性的不足畢竟會影響陶瓷刀具的未來發(fā)展前景。
 
    天然金剛石是迄今為止世界上最硬的材料溃柑，也很早就被用于加工高硬度的材料巴疾。無奈這種材料不但價格昂貴，而且供應也受局限稀境。所以玲躯，材料工程師們一直在尋求一種替代品。
 
    的確是不負眾望鳄乏，1954年美國通用電氣公司采用高溫高壓的方法成功地合成了人造金剛石跷车。這個消息對刀具工程師們而言無疑是振奮人心的。我國的工程師們自然不會服輸橱野，知道“落后就要挨打”的道理朽缴。所以，中國在1961年開始設計制造超高壓高溫裝置水援，于1963年合成出第一顆人造金剛石密强，并于1965年投入工業(yè)生產(chǎn)。
 
    人造金剛石聚晶的發(fā)展始60年代初期蜗元，1964年美國GE公司首次申請了以某些金屬添加劑使金剛石之間產(chǎn)生結合的美國專利或渤。1966年，英聯(lián)邦De Beers公司用金屬作粘結劑制成了金剛石聚晶奕扣。但一般認為薪鹦，GE公司1970年公布，1972-1973年正式商品生產(chǎn)的Compax具有劃時代的意義惯豆。自此以后池磁，聚晶金剛石得到了快速的發(fā)展。
 
    人造金剛石刀具主要用于加工有色金屬和非金屬葬籽，如鋁珍催、高硅鋁合金督赡、銅哭逻、錳禾底、鎂、鉛躬筐、鈦等有色金屬和硬紙板据鼓、木材、陶瓷帅忌、玻璃弦银、玻璃纖維花崗巖、石墨此幕、尼綸宦衡、強化塑料等費磨非金屬材料。例如签缸，用金剛石刀片加工玻璃纖維時尼荆，其壽命比硬質合金刀片要提高150倍！
 
    適用于加工黑色金屬的超硬材料主要是CBN唧垦。CBN最適合于加工各種硬度在HRC45以上的淬硬鋼(碳素鋼捅儒、軸承鋼、模具鋼振亮、高速鋼等）和高溫合金巧还。
 
    在現(xiàn)代化金屬加工車間，例如汽車發(fā)動機生產(chǎn)車間坊秸，你會看到不同材料的刀具都在發(fā)揮其最大的作用：高速鋼的絲錐和拉刀麸祷、硬質合金的鉆頭和銑刀、PCD和CBN的鉸刀褒搔、銑刀及刀片阶牍、陶瓷鉆頭和陶瓷刀片等等。

                                             2006年著名刀具公司的金剛石刀具

工件材料與刀具材料的交替進展站超、相互促進荸恕，成為切削技術不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀前半死相、后半時期分別是高速鋼洪洪、硬質合金大發(fā)展的年代。近50年中丘三，硬質合金不斷提高自身的切削性能极谚，發(fā)展了許多新品種，從高速鋼的領域中占領了大片陣地许辖，成為當前用量超過一半的刀具材料疲些，這是當年人們所未能估計到的通肋。目前，二者一起已占有90%以上的刀具市場份額眷抠×睿可以這樣預計，硬質合金的使用范圍將進一步擴大漏踊；高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢想祝，仍將占有一定的傳統(tǒng)陣地。由于資源娱畔、價格和性能的原因览讳，陶瓷材料亦將得到發(fā)展，代替一部分硬質合金刀具部凑。隨著鎂鋁合金等材料的廣泛應用露乏，金剛石刀具的份額將會不斷提高。
 
    總結刀具材料的發(fā)展歷程涂邀，我們看到瘟仿，常規(guī)刀具材料的主體成分是碳化物、氮化物必孤、氧化物和硼化物猾骡。一般的方法是在這些化合物里添加特別元素，讓其性能符合我們的需要敷搪。例如兴想，在硬質合金里添加稀土元素以提高沖其韌性和耐磨性等等。用石墨合成為人造聚晶金剛石則已跳出了這個常規(guī)方法赡勘，而C-13嫂便，C-60的驚人性能無疑又為刀具材料的研發(fā)工作注入了一針興奮劑。怎樣創(chuàng)新闸与？是否需要跳出常規(guī)思路毙替？人類到底能否找到一種理想的刀具材料？“Nothing is impossible!”的廣告詞正是我們的心聲喳卢。

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