1、新型刀具的發展方向今年來，為把我國打造成為制造業的強國，發展大型、精密，高速數控設備和功能部件成為國家重要的目標之一。隨著高精密、高轉速數控機床大量應用，刀具在材料、結設計理念與方法上不斷創新和發展，發生了巨大的變革。常用刀具材料分為以下幾類：（1）高速鋼材料；（2）硬質合金材料；（3）陶瓷刀具材料；（4）超硬刀具材料1，它們的力學性能比較如表1。本文就上述內容進行敘述和分析。表1 幾種刀具材料的力學性能比較2材料性能刀具材料高速鋼WC硬質合金納米改性金屬陶瓷非金屬陶瓷立方氮化硼硬度83-86HRA89-95HRA92.9HRA91-95HRA8000-9000HV抗彎強度/Gpa1.96-5

2、.880.73-2.541.360.29-0.680.2941 高速鋼 高速鋼是一種加入了較多的鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、釩（V）等元素的高合金工具鋼。熱處理后能在溫度500650時進行切削，而硬度無明顯下降，具有良好的熱硬性3。用其制造的刀具切削速度是普通刀具鋼的13倍，可達60m/min以上（故而得其名），提高刀具耐用度1040倍以上。高速鋼的類型有通用型高速鋼和高性能高速鋼。1.1 通用型高速鋼（1）鎢系高速鋼 1900年美國發明，典型牌號W18Cr4V，切削中碳鋼速度達30m/min ，熱處理硬度達6366HRC，抗彎強度達3500MPa，可以滿足一般性能的要求，生產工藝成熟，

3、通用性強，在工業上應用十分廣泛。但碳化物偏析比較嚴重，熱塑性差，不便于熱加工成型，在加工特硬材料時不能滿足對刀具硬度和紅硬性的要求。由于鎢和其他合金元素的含量較多，成本亦較高。國內市場比例約16.5%。（2）鎢鉬系高速鋼 1937 年美國發明，典型牌號為W6Mo5Cr4V2，其碳化物分布細小均勻，韌性和高溫塑性比W18Cr4V高50%，抗彎強度達4700MPa，熱處理硬度和切削性能與W18Cr4V基本相同，成本低，目前正在取代鎢系高速鋼。常用于制造鉆頭、絲錐、銑刀、鉸刀、拉刀、齒輪刀具等刀具。但耐磨性略遜于W18Cr4V，脫碳敏感性稍強，國內市場比例約69%。我國近年發展的新品種W9Mo3Cr

4、4V，它強度及熱塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度為6364HRC，容易軋制、鍛造，熱處理工藝范圍廣，脫碳敏感性小，成本更低，國內市場比例約11%。1.2 高性能高速鋼 通過調整高速鋼的化學成分和添加其它合金元素，使其性能進一步得到提高。具有更好的硬度和熱硬性，切削溫度在650時，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用度為普通高速鋼的1.53 倍，適用于加工奧氏體不銹鋼、高溫合金、鈦合金和超高強度鋼等難加工材料。只是在中等速度加工軟材料時，優越性不明顯。主要品種有：（1）高碳系高速鋼 1939年美國發明高碳高釩高速鋼，淬回火硬度達6768HRC，耐磨性好。典型牌號有碳含量高達0.9%的9W18C

5、r4V，其硬度、耐磨性及熱硬性都比較好。在切削不銹鋼、耐熱合金等難加工材料時，刀具壽命能夠顯著提高。但抗彎強度只有3000MPa，沖擊韌性較低，熱處理工藝要求嚴格。(2) 鈷高速鋼 19581963年美國發明M40系高速鋼，硬度達70HRC。典型牌號有釩含量僅為1%、鈷含量達8% 的W2Mo9Cr4Vco8。其硬度、熱硬性、耐磨性及可磨性都很好，熱處理硬度達6770HCR，適于制成各種刀具和復雜刀具，用于切削難加工材料，國際上應用很普遍。在我國，因鈷資源缺乏，其成本約為通用型高速鋼的58倍，使用受到一定影響。(3)鋁高速鋼 我國研制出無鈷、含鋁的高性能高速鋼，典型牌號有W6Mo5Cr4V2Al

6、、W6Mo5Cr4V5SiNbAl等，在W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V5中加入鋁（Al）和硅（ Si）、鈮（Nb）元素，并增碳（C）來提高熱硬性、耐磨性。切削溫度600時，硬度達68HRC，抗彎強度3700MPa。他是立足于我國資源情況的無鈷高速鋼，性能好成本低。但它易氧化及脫碳，可塑性、可磨性比鈷高速鋼稍差，仍需改進。（4）粉末冶金高速鋼 高速鋼的質量性能受到多方面因素的影響，其中碳化物分布的均勻性及其大小的控制，是對其性能影響較大而又難以改善的因素。1965 年美國Crucible Steels 公司發明了粉末冶金法生產高速鋼，使得高速鋼發展產生了大變革。目前國際市場上高性能高速

7、鋼使用量已經超過通用型高速鋼25%30%，粉末冶金高速鋼在各類刀具中占的百分比為齒輪刀具中占70%，拉刀中占50%，立銑刀中占20%，鉆頭中占1%。2 硬質合金 硬質合金是高硬度、難熔的金屬碳化物（WC、TiC等）的微米數量級粉末，用Co、Mo、Ni 等作粘結劑燒結而成的粉末冶金制品，其中高溫碳化物含量超過高速鋼，允許的切削溫度高達8001000，常溫硬度達8993HRA，760時硬度達7785HRA，切削速度可達100300 m/min，遠遠超過高速鋼，壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍，但強度和韌性僅為高速鋼的1/81/30，承受振動和沖擊能力差?，F在已成為主要的刀具材料之一4。過去，國際標準化組

8、織（ ISO）曾將刀具、刀具用硬質合金分為三類：P 類（我國的 YT 類），由WC、TiC和Co 組成，也稱鎢鈦鈷類硬質合金，主要用來加工鋼材；K 類（我國的 YG 類），由WC和Co組成，也稱鎢鈷類硬質合金，主要用來加工鑄鐵、有色金屬及其合金；M 類（ 我國的 YW 類），在WC、TiC 和Co的基礎上再加入TaC（或NbC）組成，可以用來加工鑄鐵、有色金屬和鋼料，還可以加工高溫合金、不銹鋼等難加工材料，有通用型硬質合金之稱。近年，被加工材料的種類不斷增多，ISO又增設3類硬質合金，即：H 類，主要用于切削高硬材料，如淬硬鋼、冷硬鑄鐵等；立方氮化硼PCBN被列入了 H 類；S 類，用于切削耐

9、熱材料、高溫合金等；N 類，用于切削有色金屬；聚晶金剛石PCD被列入了 N 類。目前新型硬質合金材料不斷涌現，例如：（1）細晶粒和超細晶粒硬質合金 碳化物的晶粒細化后可提高合金的硬度和耐磨性，但抗彎強度有所降低；適當增加粘結劑鈷含量后，可提高抗彎強度。晶粒尺寸：微米晶粒硬質合金0.10.3m；亞微晶粒硬質合金0.60.9m；超細微晶硬質合金0.40.5m；納米系列微晶硬質合金0.10.3m；我國硬質合金刀具已達細晶粒和亞微細晶粒的水平。（2）TiC基硬質合金 以TiC為主體，以Ni-Mo作粘結劑，并添加少量其他碳化物的合金，不含或少含WC；與,WC基合金相比，D9( 在碳化物中硬度最高，對金屬

10、的摩擦系數較小，切削時抗粘附磨損能力強，高溫硬度下降較少，有較好的耐磨性；但韌性較差。（3）添加稀土元素的硬質合金 稀土硬質合金是在各種硬質合金刀具材料中，添加了少量的稀土元素，使硬質合金的組織比較致密；改善室溫和高溫硬度；提高斷裂韌性和抗彎強度（20%和10%以上）；耐磨性和使用壽命也有不同程度的提高；稀土硬質合金刀片表層的富鈷現象，能有效減小切屑、工件與刀具間的摩擦系數，減小切削力。（4）表面涂層硬質合金 由于硬質合金的硬度和耐磨性較好，韌性較差，通過在硬質合金表面上涂覆一層（512m）硬度好耐磨性很高的物質（TiC、TiN），形成涂層硬質合金，使其既有高硬度和高耐磨性的表面，又有強韌的基

11、體；故可提高刀具壽命和加工效率，減小切削力，降低切削溫度，提高已加工表面質量5。（5）梯度硬質合金 這是近年來發展起來的新品種，各層成分可根據需要加以調節。3 陶瓷材料陶瓷是以氧化鋁（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等為主要成分，加微量添加劑，經冷壓制成形后燒結而成，是一種廉價的非金屬刀具材料。它具有很高硬度和高溫硬度，在1200時硬度達58HRC，可加工硬度高達65HRC的高硬度難加工材料；化學性能穩定，耐氧化6，摩擦因數低，刀具耐用度比硬質合金提高幾倍至幾十倍，切削效率提高310倍，廣泛用于高速切削加工中。由于其強度低、韌性差，主要用于精加工。使用陶瓷刀具，可節約大量的貴重金屬W、Co及

12、Ti等7。種類有：（1）氧化鋁陶瓷刀具 一種是幾乎純成分Al2O3的陶瓷，它硬度高但抗彎強度低；一種是以Al2O3為主且添加少量其它元素（ 如MgO、NiO、SiO2、TiO2和Cr2O3）的陶瓷材料，其抗彎強度雖有所提高，但高溫性能有所降低，因此還是以純氧化鋁陶瓷材料為佳。（2）氧化鋁-金屬系陶瓷 在Al2O3陶瓷基體中加入10% 以下的金屬元素（ 如Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等），可改善Al2O3陶瓷刀具韌性。這樣材料密度、抗彎強度及硬度均有提高，但由于其抗蠕變強度低、抗氧性差，耐磨性不足，后來推廣使用情況不佳。（3）氧化鋁-碳化物系陶瓷 在 Al2O3 陶瓷基體中加入一定比例的碳化

13、物（Mo2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等），可進一步改善Al2O3陶瓷刀具的性能。其中以Al2O3 TiC復合陶瓷用得最多，TiC含量為30%50%，陶瓷的熔點達3250，使陶瓷刀具的耐用度顯著提高，熱裂紋深度也較小，而抗彎強度、抗氧化性和耐熱沖擊性等均優于Al2O3 陶瓷刀具。（4）氧化鋁-碳化物金屬陶瓷刀具 在Al2O3 TiC 陶瓷材料中，加入Mo、Ni（或Co、W）等金屬作為粘結相熱壓而成的陶瓷刀具材料，可改善Al2O3 TiC陶瓷刀具韌性、強度和硬度。它最適用于加工淬硬鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鑄鋼，鎳基或鎳鉻合金、鈷基合金等，另外還可用于非金屬材料如纖維玻璃、塑料

14、夾層及陶瓷材料的切削加工。由于氧化鋁6 碳化物金屬陶瓷抗熱震性能良好，故可適用于銑削、刨削、反復短暫切削或其它間斷切削等，亦可采用切削液進行濕式切削等。（5）氧化鋁-氮化物金屬陶瓷 它是在TiC基金屬陶瓷基礎上發展起來的一種具有高硬度、高強度、優良的高溫和耐磨性能、良好的韌性以及密度小、導熱率高的新型金屬陶瓷刀具材料。由于以氮化物取代碳化物，其保持了Al2O3碳化物金屬陶瓷材料具有的基本性能，還具有更好的抗熱震性能，更適用于間斷切削。但其抗彎強度與硬度都比添加Al2O3 TiC 的金屬陶瓷有所降低。（6）氮化硼陶瓷刀具 最近，日本開發研制出一種粘合性立方晶氮化硼陶瓷（CBN）燒結體的陶瓷刀具材

15、料氮化硼陶瓷，它的硬度更高，切削加工硬度甚高的鑄鐵時，刀具頭端不會發生常見的受熱龜裂與缺屑。氮化硼陶瓷刀具與含有其它結合材料的CBN燒結體相比較，壽命可延長10 倍以上，可作為一種斷續切削的陶瓷材料。在機械加工方面有廣闊的用途?？傊?，陶瓷刀具是人類首次通過運用陶瓷材料改革機械切削加工的一場技術革命的成果。隨著陶瓷材料的不斷發展，陶瓷刀具在金屬切削加工業中將發揮越來越大作用。4 超硬刀具材料 超硬刀具材料,主要指金剛石刀具和立方氮化硼(CBN)刀具,屬于刀具材料的新產品,在解決難加工材料的切削、提高生產率、保證加工精度、降低生產成本方面具有明顯的優勢。4.1 金剛石材料金剛石材料的成分是碳，切削

16、過程中，金剛石的導熱性優越，散熱快，但是要注意切削熱不宜高于700，否則會發生石墨化現象，刀具會很快磨損。因為金剛石與鐵系有親和力，在高溫下和W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt 等會發生反應，與黑色金屬（ 鐵碳合金）在加工中會發生化學磨損。所以，金剛石不能用于加工黑色金屬，只能用在有色金屬和非金屬材料上。能夠制成切削刀具的金剛石材料有以下幾種。（1）天然單晶金剛石 是一種各向異性的單晶體。硬度達900010000HV，是自然界中最硬的物質。它耐磨性極好，有很長的刀具壽命。但在不同晶面上硬度和耐磨性有較大差異，材料韌性很差，抗彎強度很低，熱穩定性差（700800時就會失去硬

17、度），溫度再高就會碳化。另外，它與鐵有很強的親和力，不適于加工鋼鐵。（2）人造單晶金剛石 除硬度比天然金剛石稍差外，其它性能都與天然金剛石接近。由于是人工制造，其解理方向和尺寸變得可控和統一，材料中晶體有相對較好的一致性，且成本較低，作為替代天然金剛石的新材料，人造單晶金剛石必將會有廣闊的應用前景。（3）人造聚晶金剛石 是將粒度為微米級的金剛石微粉與少量金屬粉末溶劑混合后在高溫（1400）、高壓（6000MPa）下燒結而成的聚晶體。它的硬度達6000HV左右，耐磨性好，抗彎強度、抗沖擊和抗震性能比天然金剛石高很多；高導熱性和低熱膨脹系數，切削時散熱快，切削溫度低，熱變形小；摩擦系數小，切削效率

18、高、加工精度穩定，粗糙度可達到Ra0.05m。與硬質合金相比，硬度高出34倍；耐磨性和壽命高50100倍；切削速度可提高520倍。（4）金剛石燒結體 是在硬質合金基體上燒結一層0.50.7m厚的聚晶金剛石（ PCD），它兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬質合金的良好強度與韌性。能進行斷續切削，可多次刃磨。但刃磨相當困難，主要體現在材料磨除率小、效率低、砂輪損耗大、刃口呈鋸齒狀。因此刃磨工藝性已成為其推廣應用的主要障礙之一。（5）CVD 金剛石膜 是一種化學氣相沉積法制成的金剛石材料。其硬度高于$&，不含金屬結合劑，有很高的熱傳導率和抗高溫氧化性能。但韌性比較差，刃口極難磨出象天然金剛石

19、和人造單晶金剛石一樣鋒利，作為切削刀具有待進一步研究和開發。4.2 立方氮化硼立方氮化硼是上世紀70年代人工合成的材料，硬度高達80009000HV，僅次于金剛石，在12501350的熱穩定性很好，在1400仍然保持其硬度。對鐵系金屬元素有較大的化學惰性，抗粘結能力強，十分有利于加工黑色金屬，也可加工脆硬鋼、冷硬鑄鐵等各種難加工材料，其硬切削能力優于陶瓷材料；而且還能對高溫合金、熱噴涂材料、硬質合金及其它難加工材料進行高速切削和高速干切削；另外，在加工鎳基合金時，立方氮化硼刀具比硬質合金刀具壽命長百倍以上。5 刀具材料技術的發展5.1 高性能高速鋼刀具材料的發展一是鈷高速鋼的應用面擴大，從制造

20、復雜刀具擴大到通用刀具。二是粉末冶金高速鋼的性能得到進一步提高，使用量和切削效率也相應提高8。5.2 硬質合金刀具材料發展一方面是采用細顆粒（10.5m）和超細顆粒（<0.5m）材料的硬質合金，具有硬度與強度完美結合（強度高達4300MPa），另外，加壓燒結等新工藝使硬質合金的內在質量得以進一步提高。另一方面是優質整體硬質合金刀具開發的通用刀具，使切削速度、切削效率和刀具壽命比高速鋼提高幾倍。5.3 先進的涂層技術涂層技術1從20世紀70年代初問世以來，已進入了開發厚膜、復合和多元涂層的新階段，其21 世紀的發展方向有：（1）薄膜的多元化及服務的個性化。21 世紀的PVD技術，已從單一的TiN、TiCN、TiAlN發展到現在的幾十種涂層牌號，并可對不同的應用選擇薄膜成分和結構。（2）高速及干式切削涂層技術的