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现代新型刀具材料新发展

现代新型刀具材料新发展

于启勋，张京英

（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081）

摘要：

论述了刀具和刀具材料在人类历史发展中所起的重要作用.回顾了早期机械制造中曾经用过的刀具材料。

重点阐述了现代军工产品加工中所用新型刀具材料（高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料）的化学成分、制造方法、性能和应用范围。

对21世纪中刀具材料的发展动向也作出了预测与展望。

关键词：

刀具；刀具材料；切削加工；军工产品

TheNewDevelopmentofCuttingToolMaterialsforMachiningMilitaryProducts

Abstract：

Theimportantroleofcuttingtoolandtoolmaterialinthehuman'shistoryisexpounded.Thetoolmaterialsusedintheearlystagearelookedback.Thechemialcontends,manufacturingmethods,cuttingperformancesandapplicationareaofmordentoolmaterialsformachiningMilitaryproducts（highspeedsteel,cementedcarbide,ceramics,superhardmaterials）areexpounded.Thedevelopmenttrendofnewtoolmaterialsinthecomingcenturyalsobecalculatedandprospected.

Keywords：

cuttingtoo,toolmaterial,cuttingprocess,militaryproducts

中图分类号：

TG506文献标示码：

A

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。

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。

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5~8m/min的切削速度，故切削效率很低。

1865年，英国罗伯特·墨希特（RobertMushet）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8~12m/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25~30m/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HRA89~93，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。

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。

2现代新型刀具材料

2.1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V1%~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。

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。

2.2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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

2.3陶瓷

陶瓷刀具材料分为3类。

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HRA93~95，抗弯强度达0.7~0.9GPa。

为提高韧性，常添加少量的Co，Ni等金属。

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）复合氮化硅-氧化铝陶瓷化学成分约为Si3N477%，Al2O313%，Y2O310%，硬度可达HV1800，抗弯强度可达1.20GPa。

这种陶瓷称赛阿龙（Sialon），最适宜切削高温合金与铸铁。

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。

2.4超硬刀具材料

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。

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。

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0.2mm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。

表1各种碳化物的性质

碳化物

性质

TiC

ZrC

HfC

VC

TaC

NbC

WC

密度ρ/g·cm-3

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θ/℃

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ρ/g·cm-3

8.9

2.50~2.54

3.21~3.22

6.68

6.92

6.97~6.99

-

熔点θ/℃

2690

2350

~2470

2200~2700分解

1895

1782

1518

1650

硬度（HV）

1500

2400~

3700

3000~3500

1800

1882

1663

860

弹性模量E/GPa

544

295~458

345~422

380

-

-

表2各种氮化物的性质[1,2]

碳化物

性质

TiN

ZrN

HfN

VN

TaN

NbN

WN

密度ρ/g·cm-3

5.44

7.35

13.94

6.08

14.1

8.26~8.40

8.33

熔点θ/℃

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ρ/g·cm-3

3.48~3.49

3.18~3.19

3.25~3.30

6.10

6.51

8.04

-

熔点θ/℃

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

-

-

-

表3各种氧化物的性质[1,2]

碳化物

性质

TiO2

ZrO2

HfO2

V2O5

Ta2O5

Nb2O5

WO3

Al2O3

Cr2O3

密度ρ/g·cm-3

4.24

6.27

9.68

3.36

8.73

4.95

6.47

3.97

5.21

熔点θ/℃

1855~

1885

2900

2780~

20790

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

-

表4各种硼化物的性质[1,2]

碳化物

性质

TiB2

ZrB2

HfB2

VB2

TaB2

NbB2

W2B5

CrB2

FeB

Fe2B

密度ρ/g·cm-3

4.38

6.17

10.50

5.06~

5.28

12.38

6.97

11.0

5.22

7.15

7.34

熔点θ/℃

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。

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。

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。

4刀具材料与工件材料的匹配

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。

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。

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