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军工产品加工中所用刀具材料的新发展(上)

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:23:58

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5～8 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。

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

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。

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。

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。

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。
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。
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。
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。
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。
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。

陶瓷

陶瓷刀具材料分为3类。

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。
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。
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。
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。

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。

天然金刚石(ND)。
人造聚晶金刚石(PCD)。以石墨为原料，经高温高压制成。
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。
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。
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。


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。
粉末高速钢

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