21世纪刀具材料的新发展 www.tool-tool.com

北京理工大学机械与车辆工程学院 于启勋

在 21世纪未来的岁月里，切削加工仍将是机械加工最主要的方法。其中，刀具材料起着至关重要的作用。刀具材料性能的优劣，直接影响切削加工能否正常进行。为 了保证提高加工效率和加工质量，同时降低加工费用，刀具材料的性能必须优良，并向更高水平发展。 在切削加工中，刀具费用约占加工总费用的5%。加工效率和机床、人工等费用受到刀具工作状况的严重制约。只有在刀具正常工作和运转的情况下，加工 效率才能得到提高，加工总费用才能保持正常或减少；反之，切削加工不能正常进行，甚至被迫停止。本文从加工对象的新要求、有关科学技术的新发展和材料的资 源状况 3个方面，阐述刀具材料新的发展趋势。

加工对象的新要求推动刀具材料新发展

刀具材料和工件材料交替发 展，相互促进，是推动切 削加工不断发展进步的历史规律。随着各种机械产品的使用性能不断提高和生产批量的加大，工件材料的机械、物理性能及其加工难度日益提高，高效加工和高速切 削的应用更为广泛，加工精度的要求不断提高。刀具材料必须适应工件材料新品种的出现及其加工新要求向前发展。现就几种主要的工件材料分述于下。 1 黑色金属是最主要的结构材料和加工对象 过去，碳素结构钢用得最多，其加工多在正火或高温调质（淬火，高温回火）状态下进行。屈服强度 σs和抗拉强度σb分别为40～ 50MPa和 60～ 70MPa，硬度约为 HRC20，故加工难度不大。后来随着产品使用性能的不断提高，合金结构钢得到广泛应用，经过中温调质，有些成为高强度钢和超高强度钢。一般来说， σs>800～ 1000MPa和 σb>1000～1200MPa为高强度钢， σs>1200MPa和σb>1500MPa为超高强度钢。高强度钢和超高强度钢调质后的硬度为 35～ 45H RC。高强度钢的合金元素总含量一般不超过6%，有 Cr钢、Cr -Ni钢、Cr-Si钢、Cr-Mo钢、Si-Mn钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Ni -M o钢等，多用于机器中的关键承载零件，如高负荷砂轮轴、高压鼓风机叶片、重要的齿轮与螺栓、发动机曲轴、连杆和花键轴等。超高强度钢分低合金（合金元素总 含量小于6%）、中合金和高合金（合金元素含量多）3种，如飞机大梁、飞机发动机轴件、飞机起落架、某些火箭壳体、部分大炮炮管和炮弹弹体都采用超高强度 钢制造。如35CrMnSiA和40CrNi2Mo是传统的低合金超高强度钢，4Cr5MoVSi属于中合金超高强钢，1Cr12Mn5Ni4Mo3Al 和00Ni18Co8Mo5TiAl为高合金超高强度钢。对高强度钢和超高强度钢进行切削加工，因其强度高，导热性较差钢中还存在一些硬质化合物，故加工 难度较大或很大。 与切削中碳钢（正火状态）相比，切削力需加大 25%～50%，切削温度提高 100℃以上，刀具寿命势必降低。 切削中碳钢行之有效的各种刀具材料，都能够加工高强度钢和超高强度钢，但是为了保持一定的刀具寿命，必须降低切削速度。如果要对高强度钢和超高强 度钢进行高效、高速切削，必须选用性质优良的新型刀具材料。根据笔者多年的工作经验，认为不应选用普通的高速钢和硬质合金，而应选用高性能高速钢、粉末冶 金高速钢、表面涂层高速钢刀具以及添加钽或铌的硬质合金、细晶粒硬质合金和表面涂层硬质金刀具。半精加工和精加工时，也可选用金属陶瓷（TiC基和 TiCN基）和陶瓷（Al 2O3基）。金属陶瓷和 Al2O3基陶瓷的切削效果优于硬质合金。Si3N4基陶瓷切削高强度钢和超高强度钢，效果不好，PCBN刀具切削 HRC45以下的钢材时效果也不够好。研制用于高效切削高强度、超高强度钢的新型PCBN刀具是一项极有意义的工作。 淬硬钢主要用于工具、模具、轴承及其他耐磨件，在淬火和低温回火后，硬度常在HRC60以上，故加工难度很大。P类硬质合金不宜用于切削淬硬钢， 而应当用M类与K类硬质合金，但效率不够高。Al2O3基和Si3N4基的陶瓷切削淬硬钢的效果好于硬质合金，PCBN更好。 2 航空航天工业的主要难加工对象——高温合金与钛合金 高温合金中含有较多的 Ni、Co及W、Mo、Ti、Mn、Si等元素，强度高，塑性大，制成的零件能在高温下长时间工作。钛合金的密度小（重量轻），比强度高，耐高温，耐腐 蚀。这2类合金都在航空、航天、造船工业有广泛的应用，属于难加工材料。高温合金的切削变形和硬化明显，切削力大，切削温度高，工件中有与刀具材料相同或 相近的化学成分（如 Ti、W、Co等），从而使刀具易产生粘结或扩散磨损。 钛合金的切削力虽不大，但切削变形与导热系数特别小，切削刃和刀尖附近温度很高，且钛的化学性能活泼，易与氧、氮等气体化合成为硬、脆物质。加工 高温合金和钛合金应采用高性能高速钢、粉末冶金高温钢、S类和 K类的添加钽铌和细晶粒的硬质合金。涂层高速钢和涂层硬质合金因涂层材料中一般有 Ti元素而不宜使用。Sialon陶瓷可以有效地加工高温合金，PCD金钢石可以有效地加工钛合金。有资料推荐，PCBN刀具能高效加工高温合金，较多的 外国工厂推荐用涂覆 TiAlN的硬质合金加工高温合金，但实践表明尚存在问题。笔者认为，研制适合加工高温合金的 PCBN刀具和涂层硬质合金刀具是刀具材料新发展中的重要任务。人造金刚石刀具能够加工钛合金，也是刀具材料进一步发展的一项内容。 3 新兴的复合材料 复合材料由金属、高分子聚合物和陶瓷 3种材料中任意 2种或多种人工合成，具有重量轻、比强度高、抗疲劳和减振能力强、耐磨性好等优点，近年来已成为航空、航天、汽车、船舶等行业重要的结构材料。复合材料可 分为纤维增强和颗粒增强两大类，以聚合物或金属为基体，增强纤维有碳纤维、玻璃纤维、硼纤维等，增强颗粒多用 SiC。纤维增强复合材料可以用硬质合金刀具加工，但要求刀具切削刃锋利，且耐磨性强，一般首选金刚石为刀具材料。颗粒增强复合材料的颗粒材料极强，加工 难度很大，除超硬刀具材料外，其他刀具材料均难以胜任其加工。这类材料曾因加工困难而使其应用受到限制。研制加工颗粒增强复合材料的金刚石与 PCBN刀具是一项重要任务。

科学技术发展推动刀具材料新发展

刀具材料应具有良好力学性能，即高硬度、高耐磨和高弹 性模量，并能耐高温，具有较好的韧性。而硬度、耐磨性与韧性之间常有矛盾，前者提高，后者不可避免地会降低。如能使其得到一定程度的兼顾，就能成为性能良 好的刀具材料。改进刀具材料性能通常采用以下几种方法。 1 改进刀具材料的组分 长期以来，刀具材料的主体成分常为C、N或 O的二元化合物，如WC、TiC、Al2O3、Si 3N4等。尚有很多新的二元化合物有待开发用。近年开发出的一些多元化合物，在刀具材料，特别是在刀具表面涂层中得到了应用，如 TiCN、TiAlN、AlTiN、TiCrN、AlCrN、TiAlSiN等，它们的性能优于传统的二元化合物。除此之外，还有金属间化合物可资利用。 新的材料组分需有可行的材料工艺作为保证。 2 添加某些元素或化合物 在基体组分中，添加某些少量的化学元素或化合物，可以提高刀具材料的性能。如在 W C基硬质合金中添加 TaC和 NbC，可以显著提高耐磨性；在硬质合金中添加稀土元素，可以强化其硬质相、粘结相，并能净化晶界，从而提高其韧性；在Al 2O3基陶瓷中添加ZrO2可以增加韧性；在陶瓷中添加 TiB 2可以提高强度与韧性，等等。 3 采用热压工艺 用液压设备，在高于 1500℃的温度和高于 5GPa的压力下，可使石墨转化成金刚石，六方氮化硼转化成立方氮化硼，形成超硬刀具材料。热压设备和工艺尚有待改进，以形成性能更好的 CBN与金刚石。 4 采用表面涂层工艺 在韧性较好的刀具基体上，用涂层工艺涂覆具有高强度、高耐磨、耐高温材料的薄层，使刀具的综合性能得到兼顾，这是提高刀具使用性能的最有效的方 法。 刀具表面涂层工艺分两大类：物理气相沉积（PVD）和化学气化沉积 (CVD)。PVD方法一般用真空等离子镀工艺和真空磁控溅射工艺，用于高速钢和硬质合金刀具的表面涂层。还有直流反应磁控溅射工艺，可涂覆出氮化碳（C xN y）超硬薄膜。CVD方法中包括高温化学气相沉积（HTV CD），工艺温度约为 1000℃；还有等离子体化学气相沉积（PCVD），工艺温度约为 700～800℃。HTVCD和 PCVD多用于硬质合金刀具表面涂层。另有热丝CVD沉积工艺，可以沉积金刚石膜。涂覆金刚石膜和 C xN y膜是重要发展方向并有良好应用前景。 涂层材料以往多用C、N或 O的二元化合物，如 TiC、TiN、Al 2O3等。后发展多层沉积，并使用了新的多元化合物，如 TiCN、TiAlN、TiCrN等。新的涂层材料，其性能优于二元化合物，是重要发展方向，并必将得到广泛应用。 5 采用细化材料结构的工艺 目前，刀具材料晶粒尺寸多为微米级，方向是发展到纳米级。晶粒细化后，能够提高刀具材料的硬度和耐磨性，采取一定措施，还能提高韧性。粉末冶金高 速钢和硬质合金如采用“放电烧结”，可使晶粒细化，并能提高硬度和韧性。另有离子束增强 PVD辅助沉积工艺，可以沉积出纳米级涂层材料。这些都是刀具材料的发展方向。

为节约资源发展新刀具材料

在现代刀 具材料中，含有多种金属成分和非金属成分。有些在大自然中蕴藏丰富，取之不尽，用之不竭；但也有些储藏量有限，制约着刀具材料的发展。 高速钢和硬质合金是目前用得最多的 2种材料，其成分为W、Mo、Cr、V、Ti、Co等。如传统的钨高速钢 W18Cr4V中含 W达18%，钨钴类硬质合金含 W C92%～97%，钨钛钴类硬质合金合 WC66%～85%，通用类硬质合金含 WC82%～85%，普通高速钢中不含 Co，高性能钴高速钢中含 Co量高达 8%～10%，各类硬质合金中含 C o量为 3～10%。中国 W资源丰富，除本国使用外，还大量出口。全世界使用的 W原料，约 75%～ 80%来自中国。中国 W的蕴藏量尚够用 50年，半个世纪后将发生枯竭。Co的情况与 W不同，中国 Co资源缺少，大部分依赖进口，价格昂贵。故在刀具材料的应用与发展中应十分注意节约 W和 Co，具体建议是： （1）发展钨钼和钼钨高速钢，用Mo代替一部分W。如W6Mo5Cr4V2高速钢中W只占6%，Mo占5%。其使用性能与W18Cr4V相当。 （2）发展无钴或少钴的高性能高速钢。目前中国在这方面已做出了很大贡献。如自行研发的 W6Mo5Cr4V2Al(M2Al)、 W12Mo3Cr4V3N(V3N)和W12M o3Cr4V3Co5Si(C o5Si)，都节约了 Co资源，而使用性能均能完全可与美国的知名产品110W1.5Mo9.5Cr4VCo8(M42)相媲美。M42的综合性能很好，但 Co含量高，价格贵，不适合中国国情。 （3）发展金属陶瓷，用 TiCN或TiC作基体，不含 WC或少含 WC，粘结剂用 Ni、Mo。这样就节约了W和 Co。与 WC基硬质合金相比，金属陶瓷的硬度较高，与工件材料之间的摩擦系数较小，耐磨性更强；不足之处是抗弯强度和冲击韧性稍低，故其使用受到一定限制。用 Ni、Mo作粘结剂，可节约Co；若能成功地用Fe作粘结剂，则意义更大。发展金属陶瓷对节约资源有重要意义。 PCBN。在它们的组分中，都没有贵重金属，使用性能常优于硬质合金；唯韧性不足，可加工性不好，在使用上受到限制；另外，由于工艺成本的原因，其价格竞 争力尚不够强。应改变组分，改进工艺，降低价格，使陶瓷和 PCBN刀具进一步推广使用。 （4）发展陶瓷和P C B N。在它们的组分中，都没有贵重金属，使用性能常优于硬质合金；唯韧性不足，可加工性不好，在使用上受到限制；另外，由于工艺成本的原因，其价格竞争力尚 不够强。应改变组分，改进工艺，降低价格，使陶 瓷和PCBN 刀具进一步推广使用。 （5）发展人造金刚石。金刚石的原料并不贵重，且是最硬的刀具材料，可用以代替硬质合金加工高硬的非铁金属和非金属材料，从而节省了W、Wo资源。对有色 金属进行精密切削，更是非金刚石莫属。

结束语

21世纪刀具材料必定有更快的发展。（1）刀具材 料的发展要适应加工对象的需要，尤其是难加工材料应用的需要。航空、航天工程材料应当处于领头的位置。（2）刀具材料的新发展不断对它们的制造工艺提出新 要求，而制造工艺的进步推动着刀具材料的新发展。（3）刀具材料的发展要考虑资源的储有量，应当优先发展储存量大的刀具材料，节约贵重资源的刀具材料。



Bewise Inc. www.tool-tool.com Reference source from the internet.

引用出處：

http://www.lut.cn/kejijie/xsjl/xsjl2.html

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、複合式再研磨機、PCD地板專用企口鑽石組合刀具、粉末造粒成型機、主機版專用頂級電桿、PCD V-Cut刀、捨棄式圓鋸片組、粉末成型機、航空機械鉸刀、主機版專用頂級電感、’汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具、銑刀與切斷複合再研磨機、銑刀與鑽頭複合再研磨機、銑刀與螺絲攻複合再研磨機等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool.com/ / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Compound Sharpener’Milling cutter、INDUCTORS FOR PCD’CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool. INDUCTORS FOR PCD . POWDER FORMING MACHINE ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’POWDER FORMING MACHINE’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、Staple Cutter’PCD diamond cutter specialized in grooving floors’V-Cut PCD Circular Diamond Tipped Saw Blade with Indexable Insert’ PCD Diamond Tool’ Saw Blade with Indexable Insert’NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills’end mill grinder’drill grinder’sharpener、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

Bewise Inc. www.tool-tool.com

ようこそＢｅｗｉｓｅ　Ｉｎｃ.の世界へお越し下さいませ、先ず御目出度たいのは新たな

情報を受け取って頂き、もっと各産業に競争力プラス展開。

弊社は専門なエンド・ミルの製造メーカーで、客先に色んな分野のニーズ、

豊富なパリエーションを満足させ、特にハイテク品質要求にサポート致します。

弊社は各領域に供給できる内容は：

（１）精密ＨＳＳエンド・ミルのＲ＆Ｄ

（２）Carbide Cutting tools設計

（３）鎢鋼エンド・ミル設計

（４）航空エンド・ミル設計

（５）超高硬度エンド・ミル

（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

（７）医療用品エンド・ミル設計

（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計

弊社の製品の供給調達機能は：

（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計

（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給

（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給

（４）オートメーション整備調達

（５）スポット対応～流れ生産対応

弊社の全般供給体制及び技術自慢の総合専門製造メーカーに貴方のご体験を御待ちしております。

Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.