1.引言  

    切削加工是現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一备蚓。據(jù)統(tǒng)計(jì)课蔬，國(guó)外切削加工在整個(gè)制造加工中所占比例約為80％～85％囱稽，而在國(guó)內(nèi)這一比例則高達(dá)90％郊尝。  

    刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無(wú)論是普通機(jī)床卡围，還是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床(NC)艺扑、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工外秋。刀具的發(fā)展對(duì)提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響米法。材料、結(jié)構(gòu)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(guān)鍵性作用短户。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)在一項(xiàng)研究報(bào)告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)荐呵，允許的切削速度每隔l0年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀(jì)初的高速鋼唇锡、硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷蔬聚、超硬材料等，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上矗绅，允許切削速度已超過(guò)1000m／min墙违，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時(shí)間內(nèi)提高了100多倍。因此可以說(shuō)叼枝，刀具材料的發(fā)展歷程實(shí)際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史诽表。  

    本文回顧了常規(guī)刀具材料的基本性能，綜合評(píng)述了硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀隅肥，提出采用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)竿奏、納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)制備高性能硬質(zhì)合金材料的研究發(fā)展思路。  

    2.常規(guī)刀具材料的基本性能  

   (1)高速鋼  
   1898年由美國(guó)機(jī)械工程師泰勒(F. W. Taylor)和冶金工程師懷特(M．White)發(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料腥放。高速鋼是一種加人了較多w议双、Mo、Cr捉片、V等合金元素的高合金工具鋼平痰，其含碳量為0.7％～1.05％。高速鋼具有較高耐熱性伍纫，其切削溫度可達(dá)6000℃宗雇，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，其切削速度可成倍提高莹规。高速鋼具有良好的韌性和成形性赔蒲，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐良漱、麻花鉆库樊、齒輪刀具、拉刀忆和、小直徑銑刀等数壤。但是，高速鋼也存在耐磨性龟聊、耐熱性較差等缺陷趣闻，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對(duì)刀具材料越來(lái)越高的要求；此外暑吹，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲(chǔ)藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭存学，據(jù)估計(jì)其儲(chǔ)量只夠再開(kāi)采使用40～60年码承，因此高速鋼材料面臨嚴(yán)峻的發(fā)展危機(jī)。  

    (2)陶瓷  
    與硬質(zhì)合金相比优生，陶瓷材料具有更高的硬度城离、紅硬性和耐磨性。因此泪确，加工鋼材時(shí)那惜，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的l0～20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍梧油，且化學(xué)穩(wěn)定性苫耸、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點(diǎn)是脆性大儡陨、橫向斷裂強(qiáng)度低褪子、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來(lái)人們不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的重點(diǎn)骗村。  

    陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷嫌褪。通常是在Al2O3基體材料中加人TiC、WC胚股、SiC笼痛、TaC、ZrO2等成分琅拌，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷刀具缨伊，其硬度可達(dá)93～95HRA，為提高韌性进宝，常添加少量Co刻坊、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷佩嘀。常用的氮化硅基陶瓷為SiN+TiC+Co復(fù)合陶瓷易祖，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當(dāng)沫杜。③氮化硅一氧化鋁復(fù)合陶瓷悍写。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學(xué)成分為77％Si3N4+13％A12O3+10％Y2O3垛岛，硬度可達(dá)1800HV暴艘，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵翠笛。  

    (3)金屬陶瓷  
    金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同由饵，主要由陶瓷顆粒狈榛、TiC和TiN桦徘、粘結(jié)劑Ni故咽、Co、Mo等構(gòu)成橄文。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金化刻，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強(qiáng)度大于陶瓷材料上陕，小于硬質(zhì)合金桩砰；化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好，耐剝離磨損释簿，耐氧化和擴(kuò)散亚隅，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強(qiáng)度。  

    金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金庶溶、涂層硬質(zhì)合金刀具煮纵，加工出的工件表面粗糙度小偏螺；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低行疏，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時(shí)，切屑形成較穩(wěn)定套像，在自動(dòng)化加工中不易發(fā)生長(zhǎng)切屑纏繞現(xiàn)象酿联，零件棱邊基本無(wú)毛刺。金屬陶瓷的缺點(diǎn)是抗熱震性較差夺巩，易碎裂贞让，因此使用范圍有限。  

 3．硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀  

    由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強(qiáng)韌性不易兼顧右木，因此使用者只能根據(jù)具體加工對(duì)象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號(hào)中選擇適用的刀具材料共撰，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來(lái)諸多不便。為進(jìn)一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能故碱，目前的研究熱點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：  

    (1)細(xì)化晶粒  
    通過(guò)細(xì)化硬質(zhì)相晶粒度鞋夹、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力炎殃，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性均得到提高孕炒。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時(shí)，材料的硬度件牧、韌性仪但、強(qiáng)度、耐磨性等均可提高侮压，達(dá)到完全致密化所需溫度也可降低呀净。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5μm，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為l～1.5μm(微米級(jí))蠕膀，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5μm以下(亞微米好猪、納米級(jí))胀茵。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比，硬度可提高2HRA以上挟阻，抗彎強(qiáng)度可提高600～800MPa琼娘。  

    常用的晶粒細(xì)化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法附鸽、等離子體沉積法脱拼、機(jī)械合金化法等。等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細(xì)化工藝方法坷备。該方法是將粉體置于模具中熄浓，并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出，且擠壓時(shí)的橫截面積不變省撑。經(jīng)過(guò)ECAE工藝加工的粉體晶劣褡椋可明顯細(xì)化。  

    由于上述晶粒細(xì)化工藝方法仍不夠成熟丁侄，因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程中納米晶粒容易瘋長(zhǎng)成粗大晶粒惯雳，而晶粒普遍長(zhǎng)大將導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個(gè)的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素鸿摇。另一方面曾罕，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價(jià)格較為昂貴，對(duì)其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用皮卸。  

   (2)涂層硬質(zhì)合金  

    在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上礼文，通過(guò)CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)猿池、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物繁惦，可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。  

   涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性罚蛾，特別適合高速切削越匕；由于其耐用度高、通用性好缩笤，用于小批量煎敢、多品種的柔性自動(dòng)化加工時(shí)可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率殿恤；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強(qiáng)盲趟，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠慎陵，有利于加工過(guò)程的自動(dòng)控制眼虱；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過(guò)鈍化、精化處理后尺寸精度較高席纽，可滿足自動(dòng)化加工對(duì)換刀定位精度的要求捏悬。  

    上述特點(diǎn)決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS撞蚕、CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動(dòng)化加工設(shè)備。但是邮破，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問(wèn)題诈豌。  

    (3)表面仆救、整體熱處理和循環(huán)熱處理  
    對(duì)強(qiáng)韌性較好的硬質(zhì)合金表面進(jìn)行滲氮抒和、滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性彤蔽。對(duì)耐磨性較好但強(qiáng)韌性較差的硬質(zhì)合金進(jìn)行整體熱處理摧莽，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度顿痪，從而提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性镊辕。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能蚁袭。  

    (4)添加稀有金屬  
    在硬質(zhì)合金材料中添加TaC掸柏、NbC等稀有金屬碳化物，可使添加物與原有硬質(zhì)相WC淆逛、TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)椒玖，從而進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時(shí)可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長(zhǎng)大倒你、增強(qiáng)組織均勻性等作用胯夏，對(duì)提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P鼓宿、K豆出、M類硬質(zhì)合金牌號(hào)中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號(hào)中較多)情键。  

    (5)添加稀土元素  
    在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素吵淌，可有效提高材料的韌性和抗彎強(qiáng)度，耐磨性亦有所改善钢墩。這是因?yàn)橄⊥猎乜蓮?qiáng)化硬質(zhì)相和粘結(jié)相榕每，凈化晶界，并改善碳化物固溶體對(duì)粘結(jié)相的潤(rùn)濕性雪猪。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適合粗加工牌號(hào)栏尚，亦可用于半精加工牌號(hào)。此外只恨，該類硬質(zhì)合金在礦山工具译仗、頂錘、拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景官觅。我國(guó)稀土資源豐富纵菌，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平阐污。 

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