军工产品加工中所用刀具材料的新发展

HEATS

 

刀具材料的发展在人类的生活、生产和战争中有着很大的重要性。在古代，“刀”和“火”是两项最伟大的发明，它们的发明和应用是人类登上历史舞台的重要标志。刀具材料的进步曾推动着人类社会文化和物质文明的发展。例如，在人类历史中曾有过旧石器时代、新石器时代、青铜器时代和铁器时代等。

% N$ u9 }" K5 \! @, p0 c

材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素。其中，刀具材料的性能起着关键作用。20世纪是刀具材料大发展的历史时期。各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实用，都对刀具提出了更高、更新的要求，预计，在今后很长时期内，切削加工工艺不会衰退，刀具和刀具材料将有更新的发展。 % i( }+ R7 |4 F, n6 A

1 刀具材料的发展历史

用石料或铜合金来作为刀具材料，那是古代的事。18世纪中叶，在欧洲出现了工业革命以后，切削刀具一直是用碳素工具钢制造，其成分与现代的T10、T12相近。碳素工具钢有较高的硬度，切削刃能够磨得很锋利，但只能承受200～250 ℃的切削温度，用以切削普通钢材只能用5～8 m/min的切削速度，故切削效率很低。1865年，英国罗伯特·墨希特(Robert Mushet)发明了合金工具钢，其牌号有9CrSi、CrWMn等，能承受350 ℃的切削温度，切削速度可提高到8～12 m/min。随着机器生产规模的扩大，对加工效率的要求日益提高，上述两种工具钢材料的性能已不敷要求。1898年，美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明了高速钢。当时的成分是：C0.67%，W18.91%，Cr5.47%，Mn0.11%，V0.29%，Fe余量。它能承受550～600 ℃切削温度，切削普通钢材，可采用25～30 m/min的切削速度。高速钢的出现，使切削速度和切削效率比碳素工具钢、合金工具钢分别提高了4倍和2.5倍以上。从19世纪末到20世纪初，高速钢曾使切削水平出现了一个飞跃，使美国和世界各国的机械制造业得到迅速发展，并取得了巨大的经济效益。

随着人类生活、生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高加工效率和高加工质量的新要求。人们寻求性能更高的新型刀具材料。20世纪20年代中期到30年代初，出现了钨钴类和钨钛钴类硬质合金。硬质合金常温硬度达HRA 89～93，能承受800～900 ℃以上的切削温度，切削速度为高速刀具的3～5倍，因而逐渐得到应用。第二次世界大战期间，由于大批量、高效率生产兵器的需要，美、英、苏、德各国已部分使用硬质合金刀具：二战后逐步扩大使用。解放后，我国从苏联引进少量硬质合金。20世纪50年代中期以后，开始自行生产并广泛使用。20世纪后半期，工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和形状不断复杂化和多样化，对刀具提出了更新、更高的要求，硬质合金刀具在这些新的要求中发挥了重大作用。而且硬质合金本身也有发展，出现了许多新品种，其性能不断提高。但硬质合金较脆，韧性不足，可加工性远远低于高速钢，开始时只能用于车刀和铣刀，后扩大到其他刀具，但不能用于所有的刀具。正因如此，高速钢能制造各种类型的刀具，始终占领着很大的阵地。而高速钢也发展了很多新品种，切削性能比起初的普通高速钢有了很大提高。到近年，高速钢和硬质合金仍是用得最多的两种刀具材料，硬质合金稍过半数。经过半个世纪，硬质合金竟然占领了如此广阔的阵地，是人们在当初所预料不到的。 ) w, I+ G/ z& O7 U: _ {/ O1 J

硬质合金刀具仍不能满足现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继出现。20世纪30年代出现了氧化铝陶瓷，后来又有氮化硅陶瓷。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钢石，它们的硬度大幅度地高于其他刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬质合金，但其韧性和可加工性则逊于硬质合金。

综上所述，20世纪中，刀具材料发展的速度比过去快得多。百花齐放，推陈出新，令人眼花缭乱，目不暇接。其品种、类型、数量和性能均比过去有大幅度的发展，推动着人类物质文明迅速前进。 m$ q% g9 n6 E. O9 M! z0 g& X. g

2 现代新型刀具材料

5 I. p1 ^3 P8 d- L# C* }

0 y$ G7 h9 }) O/ a& d
1. 高速钢
   在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受成形加工，故能用以制造各种刀具。在刀具材料总消耗量中高速钢几近一半。传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。在钨系高速钢中，除MC，M₂C，M₂₃C外，M₆C是其主要的碳化物，即Fe₃W₃C和Fe₄W₂C。在钨钼系高速钢中，M₆C为Fe₃(W，Mo)₃C和Fe₄(W，Mo)₂C。所有的高速钢中，铬含量分数均保持在3.5%～4.5%，它是增大高速钢淬透性的主要元素。在钢中形成Cr23C6。钒含量分类增加，钢的耐磨性随之提高，但使刀具接受刃磨困难，且脆性增加。钒的碳化物为VC与V₄C₃。含V 1%～2%的高速钢用得最多；V＞3%者用得较少，且忌作形状复杂的刀具。加入钴元素后，可形成超硬高速钢。钴不形成碳化物，但能提高淬火温度，增强二次硬化效果，提高高温硬度。美国的M42(110W1.5Mo9.5Cr4VCo8)和瑞典的HSP-15(W9Mo3Cr4VCo10)都是性能优良的高钴超硬高速钢。中国缺钴资源，钴价昂贵。因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢。Co5Si(W12Mo3Cr4V3Co5Si)是属于少钴者，新研制的Co3N(W12Mo3Cr4VCo3N)亦为少钴，性能都不错。铝元素在钢中能生成Al₂O₃、AlN；且起钉扎作用，阻止位错，从而提高了材料的硬度和强度。中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面，做出了较大贡献。
     * u, ^4 Q; G9 E' N5 x( X5 K& N3 p0 b2 B0 A2 W% R/ }* D3 J- B# D! ~# ^7 @

   : }/ ?* Y- c( v2 D; q4 K& _ 粉末高速钢

   * M" ], W' c! }9 u' U
   用粉末冶金方法制造高速钢，可消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性，钒含量高时亦能较好地刃磨。粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢。国内掌握这方面的技术。国外有粉末高速钢产品，钒含量高达6%～8%。
   在高速钢的基体上，用物理气相沉积(PVD)法涂覆耐磨材料薄层(如TiN，TiAlN等)，可显著提高刀具寿命和加工表面质量，降低切削力。这种涂层高速钢刀具已得到广泛应用。
2. 硬质合金
   硬质合金是碳化物(WC、TiC等)的粉末冶金制品，通常分为：切削铸铁的钨钴系列(K类，YG类)，切削钢材的钨钛钴系列(P类，YT类)，还有通用系列(M类，YW类)。新型硬质合金有下列6类。 , y6 w# O% l5 c+ N) z: b

   ; w- V. f5 C; I) _
   1. 添加TaC和NbC的硬质合金 添加后能有效地提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化的能力。此外，还能增强抗塑性变形的能力。在合金中形成(W，Ta，Nb)C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。在新型P，M，K类硬质合金中形成(W，Ta，Nb)C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。在新型P，M，K类硬质合金中，很多是添加了TaC、NbC的。 O8 ?3 P6 I- ]3 K! o7 m- N
   2. 细晶粒和超细晶粒硬质合金 粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性，适当增加钴含量后还可以提高抗弯强度。普通刀具牌号和合金平均晶粒尺寸为2～3μm，细晶粒合金为1～2μm，亚微细晶粒合金为0.5～1μm，超细晶粒合金为0.5μm以下。早先的细晶粒和超细晶粒结构多用于K类合金，近年来P类、M类合金也向细化晶粒的方向发展。我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。 9 q r- y. n; Y/ G5 R5 V) g# w
   3. TiC基和Ti(C，N)基硬质合金金属陶瓷 YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量达65%～97%，并以Co为黏结剂，TiC基合金则以TiC为主要成分，占60%～80%以上，仅含少量WC，以Ni-Mo作黏结剂。与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削钢材时摩擦因数小，抗黏结与抗扩散的能力较强，但其韧性的抗塑变的能力稍弱。Ti(C，N)基合金具有与TiC基合金相同的优点，但其韧性和抗塑变能力高于TiC基合金。这类合金多用以加工未淬火的钢材。 , i: s) r& Q) _- p. C' n
   4. 添加稀土元素的硬质合金 加少量铈、钇等稀土元素，可以有效地提高合金的韧性与抗弯强度，耐磨性亦有一定提高。这是因为稀土元素强化了硬质相和黏结相，净化了晶界，并改善了碳化物固溶体对黏结相的湿润性。这类合金最适用于粗加工刀具牌号，亦可用于半精加工牌号；在矿山工具、顶锤、拉丝模用硬质合金中亦有广阔发展前景。我国稀土元素资源丰富，在硬质合金中添加稀土的研究有所领先。P，M，K类合金都已研制出添加稀土的牌号。 . _$ d, L: H; v- g" M+ a
   5. 表面涂层硬质合金 CVD或PVD等方法，在硬质合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti(C，N)，Al₂O₃等薄层，形成涂层硬质合金。非涂层硬质合金的力学、物理性能是硬质相和黏结相的综合性能，故其硬度和耐磨性低于硬质相自身的性能。而少层硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂层材料自身的性能，故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面质量。近20年来，涂层硬质合金刀具有了很大发展，在工业先进国家已在可转位刀具中占50%～60%以上。涂层硬质合金的基体仍为WC基的硬质合金，要求有较高的韧性。随着基体的不同，这类合金可作P类、M类或K类硬质合金使用，且适用范围较宽。 ( D1 T, k$ l# T8 `* E, u
   6. 梯度硬质合金 是近年来发展起来的新品种，各层成分可根据需要加以调节。
   8 y' x+ V# r5 X8 s/ E2 ]8 L# P
3. 陶瓷
   陶瓷刀具材料分为3类。

   * w2 u" ~1 ^- r1 i* u9 X& P1 C
   1. 氧化铝基陶瓷 一般在Al₂O₃基体中加入TiC，WC，SiC，TaC和ZrO₂等成分，经热压制成复合陶瓷。硬度达HRA 93～95，抗弯强度达0.7～0.9 GPa。为提高韧性，常添加少量的Co，Ni等金属。 - B2 ]) k/ Y4 j. x. U( D& v
   2. 氮化硅基陶瓷 用的是Si₃N₄+TiC+Co的氮化硅基复合陶瓷，其韧性常高于Al₂O₃基陶瓷。硬度相当。 3 {3 ?9 E* d" n
   3. 复合氮化硅-氧化铝陶瓷 化学成分约为Si₃N₄ 77%，Al₂O₃ 13%，Y₂O₃ 10%，硬度可达HV1800，?抗弯强度可达1.20 GPa。这种陶瓷称赛阿龙(Sialon)，最适宜切削高温合金与铸铁。 7 I1 s, _% @! } E% d
      陶瓷的高温性能优于硬质合金，故适合用于高速切削。Al₂O₃基和Si₃N₄基复合陶瓷都适合切削淬硬钢、高硬铸铁及一般铸铁；Al₂O₃基复合陶瓷亦能有效地切削未淬硬钢料，而Si3N4基陶瓷切削一般钢材开始时磨损迅速。
4. 超硬刀具材料 % D/ E0 `! m x$ I' ~, ~5 @
   超硬材料是指金刚石和立方氮化硼(CBN)。它们的硬度比其他刀具材料高出好几倍。金刚石是自然界中最硬的物质，CBN的硬度仅次于金刚石。近年来，超硬刀具材料发展迅速。
   金刚石刀具材料分为5类。 # w' i& o1 a4 D0 p

   1. 天然金刚石(ND)。
   2. 人造聚晶金刚石(PCD)。以石墨为原料，经高温高压制成。 , e+ W- f8 H* k2 M6 @
   3. 人造聚晶金刚石复合片(PCD/CC)。以硬质合金为基底，表面有一层金刚石(约0.5mm)，制造方法与PCD相同。
   4. 金刚石薄膜涂层刀具(CD)。用CVD工艺，在刀具表面涂覆一层约10～25μm的薄膜。
   5. 金刚石厚膜刀具(TFD)。亦采用CVD工艺，在另一基体上涂出0.2 mm以上的厚膜，再将厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬质合金刀片上使用。
   ND的结晶各向异性，在进行刀磨的使用时必须选导致适宜的方向。人造金刚石各向同性，其硬度低于ND，但强度与韧性高于ND。
   金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、硬质合金、各种纤维和颗粒加强复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和木材等，但金刚石忌切钢铁及其他铁族金属。
   TFD有很好的综合性能，它兼有天然金刚石和人造聚晶金刚石的优点，与基底结合牢固，便于多次重磨，故有良好的应用价值和发展前景。
   CBN的制造方法与PCD或PCD/CC相似。以六方氮化硼为原料，经高温高压制成聚晶CBN或复合片CBN/CC。CBN主要用于加工淬硬钢、高硬铸铁及其他硬金属与非金属材料。用硬质合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料，寿命很短，或根本不能胜任，而超硬材料对之则轻而易举。金刚石刀具能对有色金属实行超精密切削，是其独到之处。

3 刀具材料的化学成分

古代人类所用的刀具材料多为天然物质，如石材料、天然金刚石等，甚至还用过陨铁。到现代，绝大多数刀具材料使用人造的材料，可保证大量供应，并使质地均匀、可靠。?

纵观各种刀具材料，除人造金刚石的原料为石墨(碳元素)外，其他品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量(见表1～表4)，这正是刀具材料所需要的性质。 : i' c! N3 C: d( z [, Y: p2 V4 g" j( I T, Y1 s2 F9 d5 k8 n: j& B9 y8 W( l6 [# z: s( @* L7 z* X( l; M( k9 }1 w5 O% N, A' Z- n8 g& G% M3 s* p- o Y+ j3 P. U/ n, }$ M' d. @! V+ q1 `0 _7 k, c8 U& f& f- O" Y$ A% T! x% z0 ~, O# i$ d/ o- C# r8 v( e2 n! X, v3 I( c9 A- l g5 p2 `3 t- _( B; j2 l# Z+ }/ }# |: a' T q5 J5 e+ h. j2 L% T/ _ Y" E5 R/ K' N. c* a6 e w# b* S _% P1 V" G e0 M3 c% i+ j5 L/ ?0 S; x( \) e0 j, \/ P: p& a, u( p4 Q0 n# T8 k4 Z# |) d& W8 X- C0 W/ M$ ~; k" g. [9 k4 H* n2 k! i) [$ ~2 W( J' h) P& o. ~9 h* z# p# }. w# Z# J6 R# q) \8 ?) H* {3 j; y/ n# \* T3 b9 c( r6 v! o/ O, l' n$ b: s8 r1 U- u7 m! v# u+ ~9 j# X$ n( f" H: }! R- ^- u. h' O1 N9 I- E) |) H) D6 k4 g" h: k1 T" J r8 z8 Q5 x; z* t8 X, d4 V4 G; {8 P, R0 g% P0 ~/ `# C, G; r1 A$ C. n+ h/ L0 G6 ~8 Q3 T" m2 p& }8 Q9 U$ t7 [( ~/ I+ ?- |8 m4 x, C( H" S5 \, _! V& _- ^/ D6 i L3 |8 X9 L3 y( C% X! P" q5 ~ E- f" v! Y5 ]6 P4 L$ n6 } R8 [* N. B% s) A- B. `3 y8 O( L# |+ U$ ]6 }1 H8 K. t2 Q: o; r4 W/ @% ^4 ~) ^7 @9 m# p1 C: o" F8 P6 T* p7 C1 e6 A H' j! G7 }8 u' G$ J8 U0 S* g. N5 X, B; m7 a7 z9 x' h8 E+ }: {7 l: z- U

表1 各种碳化物的性质

碳化物性质	TiC	ZrC	HfC	VC	TaC	NbC	WC
密度r(g/cm3)	4.85～4.93	6.44～6.90	12.20～12.70	5.36～5.77	14.48～14.65	7.82	15.60～15.70
熔点q(℃)	3180～3250	3175～3540	3885～3890	2810～2865	3740～3880	3500～3800	2627～2900
硬度(HV)	2900～3200	2600	2533～3202	2800	1800	2400	2400
弹性模量E (GPa)	316～448	323～489	433	260～274	371～389	344	536～721
碳化物性质	MO2C	B4C	SiC	Cr3C2	Cr7C3	Cr23C6	Fe3C
密度r(g/cm3)	8.9	2.50～2.54	3.21～3.22	6.68	6.92	6.97～6.99	-
熔点q(℃)	2 690	2350～2470	2200～2700 分解	1895	1782	1518	1650
硬度(HV)	1 500	2400～3700	3000～3500	1800	1882	1663	860
弹性模量E(GPa)	544	295～458	345～422	380	-	-

% e1 f5 ?8 V! S3 \5 h9 I5 B8 z5 p' ?: h% r( a+ Q. H/ Z. s, o# U7 W, g: {0 e. H4 Y; J. W4 v* w8 _# J( j) N; U6 k5 {* S# s5 [ }7 P6 x4 B0 \9 y9 i3 z% _8 \( g' P/ J8 D- r1 Z9 c) V% I7 b" C6 S A8 Q g: [$ B: U+ u/ L2 Q2 z2 R+ l9 |- N N: P9 `2 \. I# f# c4 r7 k* ]5 v% Q! e. a( D" g! o& @; w# C$ e% H+ x$ I1 G2 ~/ O0 z) q. S3 G& |' S" i7 _! r. A7 J5 e' [( H1 J, @; A8 W; \* ^3 o; y$ @0 w7 o# H( p. q% I% r) ^) h1 u' u3 T* U# m: f0 I! m) K1 }8 V8 T$ b% D! E* ^# u1 n7 z9 `+ J: e' `6 p! W. |( k! t1 n' k! `& E8 L+ Y6 @/ r+ e5 @/ e2 `4 F4 {) @: S4 n6 Y l1 V! B( @+ ~3 h" |7 T# m* V0 t0 R/ e S- m6 t, I5 b: g$ i' a5 k! H6 e6 A9 R( @/ o7 K' l3 K2 G q$ Z5 l# { F( A/ k& E3 v5 g+ b) K/ }, [( G$ Z4 Z/ Y# g( T& S* Q1 @$ [! x& [$ n' ] i' h: S" M) s8 N, _# n( J3 v! ^* S6 w9 ]9 p& Z1 B5 S; |) K, v! \9 y9 Q0 `# ^' t; I: i( [/ Z6 d! [( u- ^; l( ]8 `. X5 @# h* r) F7 b, o7 i$ N7 g; r) ^+ T9 v+ q, T# R- v1 T: ?' N- i1 ]0 v; |7 f7 u b' |! z5 i/ l+ ~! s$ w" c1 V6 a4 t4 Z \% K7 f8 N" w) w+ y; v8 `1 X0 w! m) s6 c8 X) d/ \, U# {+ C/ A! z. y+ L' K4 B" k' P) c. ?. m1 ^ f/ S* V' l7 t; G' G: a' [! X

表2 各种氮化物的性质

碳化物性质	TiN	ZrN	HfN	VN	TaN	NbN	WN
密度r(g/cm3)	5.44	7.35	13.94	6.08	14.1	8.26～8.40	8.33
熔点q(℃)	2900～3220	2930～2980	3300～3307	2050～2360	2980～3360	2050	2420
硬度(HV)	1800～2100	1400～1600	1500～1700	1500	1060	1400	1720
弹性模量E (GPa)	616	-	-	-	587	493	-
碳化物性质	NB(立方)	Si3N4	AlN	CrN	Cr2N	Mo2N	WN
密度r(g/cm3)	3.48～3.49	3.18～3.19	3.25～3.30	6.10	6.51	8.04	-
熔点q(℃)	2720～3000 分解	1900分解	2200～2300分解	1500	-	-	800
硬度(HV)	7000～8000	2670～3260	1225～1230	1000～1188	1522～1629	630	-
弹性模量E (GPa)	720	470	281～352	-	-	-	-

, {. a9 O* m0 h5 f( L9 G% q+ z* r1 Q/ E& o, G" h- l( ~- @# A# t6 s7 I# O- N* u& T1 U) E; ]4 C' u$ P5 {* {6 j& R* L! _0 m& i/ b. b" B' c3 Q6 {, @1 [7 B( v+ |: l* G( X! ^5 U) z8 c, c' v! |; t& Y. Q- h$ g* E! h) T% z9 v; w5 U0 B9 f; W9 w' u0 H. R8 y7 R& E2 b- L! P, I6 C$ }% f( L, N; R1 r R8 j" N& G* W$ j N6 Z! r- @9 ^# J+ F9 o, @$ c) \- b( w: ^0 H) y$ P( I: U% k W4 S% p7 p' r9 Y3 f3 A u& O T3 ?6 D% L) }, R* h+ @9 j5 S- j V" h8 t- K7 E5 K3 l5 V$ p" G* x. x: N/ x' F1 e3 z4 E6 }$ z# M: b7 ?( d; S1 @9 d+ I1 ]$ h n6 f' P t0 ?$ l/ K8 d: h8 i6 h- t0 E+ N% d: R4 J9 o" v( s1 {- W. o# o, s% [) S+ Y4 e' [. i0 g. ~$ V8 c2 c4 q' ^0 H( o/ v8 F3 l

表3各种氧化物的性质

碳化物性质	TiO2	ZrO2	HfO2	V2O5	Ta2O5	Nb2O5	WO3	Al2O3	Cr2O3
密度r(g/cm3)	4.24	6.27	9.68	3.36	8.73	4.95	6.47	3.97	5.21
熔点q(℃)	1855～1885	2900	2780～2790	670～685	1755～1815	1473～2130	2050	2420	2309～2359
硬度(HV)	1000	1300～1500	940～1100	-	890～1290	-	2300～2700	1720	2915
弹性模量E (GPa)	240～290	250	-	-	-	-	-	370	-

: n( R. @5 t% u5 k- A8 `, C' k; N8 L# I4 Q0 S, E @3 y* D2 Y/ W! D4 }0 G/ h0 z! k: {9 w4 L7 n6 R. O w* k3 t: q' m7 I5 i U% B* k+ u: n) w' W0 n6 f) v& w4 C6 z" u# X% w% C. R: m7 k7 p0 B" f) q8 t! X) i/ [2 r' f: W$ B: I! { J4 r- p5 v y' a2 x2 B# S9 E1 ^9 B) Z- M% ]3 P3 a+ c: s; T8 o% f9 L+ U* C. p) m( Y" c1 e* c" E: p% Y7 @! s/ _+ y* C: l1 l; s( ~0 v& j$ N ~0 h( [; v' K0 G0 Q( ^/ t. z& f, |5 H$ P6 x: s2 d0 U o* T, H- O3 w2 W! u1 H- k9 ]5 i( C' s. S2 f, Q/ [3 S, r: N9 r6 P; O1 a* T- o; w6 i. c( j& k' |1 L6 y1 ^" D! D; Q$ r/ B( p0 T" y [: l1 x3 m) O6 p( V- q$ }4 b. r/ Z. C4 W8 J- [8 O. c: Z( d" I* Y9 j6 U, {( m6 D4 I: }$ d& l2 Y$ l( c' b' h5 |/ E" W0 b" p( Q4 a- a4 C! P; M" M. X) h3 h3 f( Q8 z2 z' E1 b& z, K3 u, y# X; S, G8 W6 `6 u! J$ S% Y/ X, N7 J1 |+ r% ]' X6 n' n) K( \1 q0 I* F1 c" \* G+ E7 S4 I f2 b! y2 [0 u" S0 d. R

表4 各种硼化物的性质

碳化物性质	TiB2	ZrB2	HfB2	VB2	TaB2	NbB2	W2B5	CrB2	FeB	Fe2B
密度r(g/cm3)	4.38	6.17	10.50	5.06～5.28	12.38	6.97	11.0	5.22	7.15	7.34
熔点q(℃)	2790	3200	3250	2400	3037	3000	2370	2200	1650	1410
硬度(HV)	3310～3430	2230～2274	2400～3400	2797～2813	2460～2540	2600	2650～2675	2020～2180	1600～1700	1290～1390
弹性模量E (GPa)	540	350	-	273	262	650	790	215	350	290

如碳素工具钢，其主要成分是Fe₃C，合金工具钢中有复合碳化物，如合金渗碳体(Fe，Cr)₃C等。高速钢中有更多的复合碳化物.硬质合金的硬质相主要为WCT 和TiC，但经常加入Ta，Nb等元素而形成复合的固溶体，且须用Co，Ni等为黏结材料。陶瓷的基体材料常用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。立方氮化硼则是一种非金属氮化物。 - D' s2 W+ X8 ^8 |% H5 x

在刀具材料中，碳化物用得最多。各种金属碳化物分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，均遵循一定规律。它们也可形成复合碳化物，但其物理、力学性质难以查到确切的数据。?

近年中，氮、碳和金属(一种或二种)的复合化合物在刀具涂层中用得较多。根据巴尔查斯(Balzer)涂层公司的资料，列出几种涂层材料的物理、力学性能，以资参考。 # ~( D( g/ p5 W. I& |; Y' j, B- t" o: @6 g' K1 g/ }, i5 C, D+ F( {8 ?) d# x8 N8 B( R: J5 b8 ^1 L" j7 o- N; r/ p% u3 J7 K4 u7 j& C7 G" t5 `0 Y. x! g. V. ]2 m( p1 C: ^0 ]- F) q& o& [" G; L& s' a1 _2 \. S5 K/ X1 s( r7 i% `& n$ X0 g- m% ^4 p7 X+ H; ]- o" R. B# |4 x K8 {* W: d. R: W5 P3 N2 f& B; N/ x" I# ?6 G4 R9 [* g5 i& d, m! C4 {6 Y1 H/ q4 U' N* a, H" V5 J/ f! p! |6 m4 C

表5 几种涂层材料的性能

材料名称	显微硬度(HV)	与钢的干摩擦因数	最高适用温度(℃)	颜色
TiCN	2300	0.4	400	蓝灰色
AlCrN	3200	0.35	1100	蓝灰色
TiAlN	3300	0.4	900	蓝灰色或紫灰色

碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的种类如此众多，在刀具材料的研制和使用中发挥了很大作用。但已被用上并为人们所熟知的还只是其中的少数，多数未付诸应用，这一情况从表1~表5中可以看出。因此，人们在研制新刀具材料时，在化学组分上尚有选择余地和很大潜力可挖。当然，表中所列的化合物并非都有用上的可能，因为不能仅考虑物质的性能，还应顾及资源、价格和工艺等因素。? ! t. Q0 P& C3 d5 T4 E

4 刀具材料与工件材料的匹配

* G! h3 e& S( _1 f4 A5 ]% b1 O

军工产品多用难加工材料，如高强度、超高强度钢、高锰钢、淬硬钢和冷硬铸铁、不锈钢、高温合金、钛合金、复合材料等。刀具、工件两方面材料的力学、物理和化学性能必须得到合理的匹配，切削过程方能正常进行，并获得正常的刀具寿命；否则，刀具就可能会急剧磨损，刀具寿命很短。例如，硬度高的工件材料，就必须用更硬的刀具来加工；高速钢刀具硬度不够，不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁，硬质合金和陶瓷刀具则能胜任，CBN刀具更佳。加工硬脆材料，不仅要求刀具有很高的硬度，还要求有高的弹性模量，否则刃部难以支撑。用硬质合金刀具加工淬硬钢及其它硬脆材料，必须采用弹性模量较高(WC成分较多)的K类或M类牌号。以上是力学性能的匹配。不仅考虑刀具材料的常温力学性能，还应考虑其高温性能。 # a& a) H% h2 X& }! V

在加工导热性差的工件时，应采用导热性较好的工具，以使切削热得以传出。从而降低切削温度。这是物理性能匹配的例子。

工件、刀具双方材料中的化学元素如有容易化合、相互发生化学作用或扩散作用者，应设法回避。例如，含钛的金属材料——钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等，不能用含钛元素的刀具进行切削。也就是说，P类硬质合金、TiC基与Ti(C，N)基硬质合金、涂层硬质合金(多数涂层材料含钛)均不能使用；应采用K类硬质合金或高速钢。凡加工塑性材料出长切屑且与前刀面发生摩擦者，应特别注意刀-屑双方元素的相互扩散，故加工非淬硬钢材应当采用P类硬质合金或Al₂O₃基陶瓷，而不能采用K类合金与Si₃N₄基陶瓷。金刚石在600~700 ℃以上时将转化为石墨，Fe元素将起催化作用而加速这种转化，故金刚石刀具不能加工钢铁材料。CBN最适合加工钢铁，但只能进行干切削，水基切削液在高温下将使CBN分解。这些是化学性能匹配的例子。化学作用在低温条件下一般进行缓慢，高温下加剧。力学、物理、化学作用有时是综合影响而且是相互关联的，对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深入，有待进一步研究。 3 Y6 K; C5 d' T) J% O

5 结语

工件与刀具双方交替进展、相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年代。近50年中，硬质合金不断提高自身的性能，发展了许多新品种，从高速钢的领域中占领了大片阵地，成为当前用量超过一半的刀具材料，这是当年人们所未能估计到的。预计到21世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大；高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的阵地。由于资源、价格和性能的原因，陶瓷材料亦将得到发展，代替一部分硬质合金刀具。然而，由于陶瓷的切削性能与硬质合金相比，差距不是那么巨大，加上其强度、韧性和可加工性的不足，未来陶瓷刀具的发展不会像过去硬质合金替代高速钢那样迅猛。超硬材料将得到更多的应用。新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出将越来越快。在刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是主要矛盾。有可能在21世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各种涂层刀具和复合结构都能在一定程序上克服上述矛盾，故极有发展前景。在未来，刀具材料将接受工件一方及制造系统更新、更严峻的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面，将成为未来刀具材料发展的特点。

目前，碳化物、氮化物、氧化物和硼化物是刀具材料的主体成分。用石墨合成为人造聚晶金刚石已跳出了这个圈子。近年武汉大学采用RF-PECVD法在麻花钻上涂覆C₃N₄薄膜，膜的硬度接近超硬材料，钻头使用寿命大为提高。在21世纪里，刀具材料将有出人意料的新的飞跃发展。