在 21世紀未來的歲月裡，切削加工仍將是機械加工最主要的方法。其中，刀具材料起著至關重要的作 用。刀具材料性能的優劣，直接影響切削加工能否正常進行。為了保證提高加工效率和加工質量，同時降低加工費用，刀具材料的性能必須優良，並向更高水平發 展。 在切削加工中，刀具費用約佔加工 總費用的5%。加工效率和機床、人工等費用受到刀具工作狀況的嚴重製約。< 只有在刀具正常工作和運轉的情況下，加工效率才能得到提高，加工總費用才能保持正常或減少；反之，切削加工 不能正常進行，甚至被迫停止。本文從加工對象的新要求、有關科學技術的新發展和材料的資源狀況3個 方面，闡述刀具材料新的發展趨勢。
加工對象的新要求推動刀具材料新發展
刀 具材料和工件材料交替發展，相互促進，是推動切削加工不斷發展進步的歷史規律。隨著各種機械產品的 使用性能不斷提高和生產批量的加大，工件材料的機械、物理性能及其加工難度日益提高，高效加工和高速切削的應用更為廣泛，加工精度的要求不斷提 高。刀具材料必須適應工件材料新品種的出現及其加工新要求向前發展。現就幾種主要的工件材料分述於下。1 黑色金屬是最主要的結構材料和加工對象 過去，碳素結構鋼用得最多，其加工多在正火或高溫調質（淬火，高溫回火）狀 態下進行。屈服強度σs和抗拉強度σb分別為40～ 50MPa和60～ 70MPa，硬度約為HRC20，故加工難度不大。後來隨著產品使用性能的不斷提高，合金結構鋼得 到廣泛應用，經過中溫調質，有些成為高強度鋼和超高強度鋼。一般來說， σs>800～ 1000MPa和σb>1000～1200MPa為高強度鋼， σs>1200MPa和σb>1500MPa為超高強度鋼。高強度鋼和超高強度鋼調質 後的硬度為35～ 45H RC。高 強度鋼的合金元素總含量一般不超過6%，有Cr鋼、Cr -Ni鋼、Cr-Si鋼、Cr-Mo鋼、Si-Mn鋼、Cr-Mn-Si鋼、Cr-Ni -M o鋼等，多用於機器中的關鍵承載零件，如高負荷砂輪軸、高壓鼓風機葉片、重要的齒輪與螺栓、發動機曲軸、連桿和花鍵軸 等超高強度鋼分低合金（合金元素總含量小於6%）、中合金和高合金（合金元素含量多）3種，如飛 機大梁、飛機發動機軸件、飛機起落架、某些火箭殼體、部分大砲砲管和砲彈彈體都採用超高強度鋼製 造。如35CrMnSiA和40CrNi2Mo是傳統的低合金超高強度鋼，4Cr5MoVSi屬於 中合金超高強鋼，1Cr12Mn5Ni4Mo3Al和00Ni18Co8Mo5TiAl為高合金超高強度 鋼。對高強度鋼和超高強度鋼進行切削加工，因其強度高，導熱性較差鋼中還存在一些硬質化合物，故加 工難度較大或很大。 與切削中碳鋼 （正火狀態）相比，切削力需加大25%～50%，切削溫度提高100℃以上，刀具壽命勢必降低。 切削中碳鋼行之有效的各種刀具材料，都能夠加工高強度鋼和超高強度鋼，但是 為了保持一定的刀具壽命，必須降低切削速度。如果要對高強度鋼和超高強度鋼進行高效、高速切削，必 須選用性質優良的新型刀具材料。根據筆者多年的工作經驗，認為不應選用普通的高速鋼和硬質合金，而 應選用高性能高速鋼、粉末冶金高速鋼、表面塗層高速鋼刀具以及添加鉭或鈮的硬質合金、細晶粒硬質合金和表面塗層硬質金刀 具。半精加工和精加工時，也可選用金屬陶瓷（TiC基和TiCN基）和陶瓷（Al 2O3基）。金屬陶瓷和Al2O3基陶瓷的切削效果優於硬質合金。Si3N4基陶瓷切削高強度鋼和超高強度鋼，效果不好，PCBN刀具切削HRC45以下 的鋼材時效果也不夠 好。研製用於高效切削高強度、超高強度鋼的新型PCBN刀具是一項極有意義的工作。 淬硬鋼主要用於工具、模具、軸承及其他耐磨件， 在淬火和低溫回火後，硬度常在HRC60以上，故加工難度很大。P類硬質合金不宜用於切削淬硬鋼， 而應當用M類與K類硬質合金，但效率不夠高。Al2O3基和Si3N4基的陶瓷切削淬硬鋼的效果好 於硬質合金，PCBN更好。 2 航空航天工業的主要難加工對象——高溫合金與鈦合金 高溫合金中含有較多的Ni、Co及W、Mo、Ti、Mn、Si等元素，強度 高，塑性大，製成的零件能在高溫下長時間工作。鈦合金的密度小（重量輕），比強度高，耐高溫，耐腐 蝕。這2類合金都在航空、航天、造船工業有廣泛的應用，屬於難加工材料。高溫合金的切削變形和硬化明顯，切削力大，切削溫度高，工件中有與刀具材料相同或 相近的化學成分（如Ti、 W、Co等），從而使刀具易產生粘結或擴散磨損。 鈦合金的切削力雖不大，但切削變形與導熱係數特別小，切削刃和刀尖附近溫度 很高，且鈦的化學性能活潑，易與氧、氮等氣體化合成為硬、脆物質。加工高溫合金和鈦合金應採用高性 能高速鋼、粉末冶金高溫鋼、S類和K類的添加鉭鈮和細晶粒的硬質合金。塗層高速鋼和塗層硬質合金因 塗層材料中一般有Ti元素而不宜使用。Sialon陶瓷可以有效地加工高溫合金，PCD金鋼石可以 有效地加工鈦合金。有資料推薦，PCBN刀具能高效加工高溫合金，較多的外國工廠推薦用塗覆 TiAlN的硬質合金加工高溫合金，但實踐表明尚存在問題。筆者認為，研製適合加工高溫合金的 PCBN刀具和塗層硬質合金刀具是刀具材料新發展中的重要任務。人造金剛石刀具能夠加工鈦合金，也 是刀具材料進一步發展的一項內容。 新興的複合材料複合材料由金屬、高分子聚合物 和陶瓷3種材料中任意2種或多種人工合成，具有重量輕、比強度高、抗疲勞和減振能力強、耐磨性好等優點，近年來已成為航空、航天、汽車、船舶等行業重要的 結構材料複合材料可分為纖維增強和顆粒增强两大類，以聚合物或金屬為基體，增強纖維有碳纖維、玻 璃纖維、硼纖維等，增強顆粒多用SiC。纖維增強複合材料可以用硬質合金刀具加工，但要求刀具切削 刃鋒利，且耐磨性強，一般首選金剛石為刀具材料顆粒增強複合材料的顆粒材料極強，加工難度很大， 除超硬刀具材料外，其他刀具材料均難以勝任其加工。這類材料曾因加工困難而使其應用受到限 制。研製加工顆粒增強複合材料的金剛石與PCBN刀具是一項重要任務。
科學技術發展推動刀具材料新發展
刀 具材料應具有良好力學性能，即高硬度、高耐磨和高彈性模量，並能耐高溫，具有較好的韌性。而硬度、 耐磨性與韌性之間常有矛盾，前者提高，後者不可避免地會降低。如能使其得到一定程度的兼顧，就能成 為性能良好的刀具材料。改進刀具材料性能通常採用以下幾種方法。1 改進刀具材料的組分 長期以來，刀具材 料的主體成分常為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開髮用。近年開發出的一些多元化合物，在刀具材料，特別是在刀具表面塗層中得到了應用，如TiCN、TiAlN、 AlTiN、TiCrN、AlCrN、TiAlSiN等，它們的性能優於傳統的二元化合物。除此之 外，還有金屬間化合物可資利用。新的材料組分需有可行的材料工藝作為保證。2 添加某些元素或化合物 在基體組分中， 添加某些少量的化學元素或化合物，可以提高刀具材料的性能。如在WC基硬質合金中添加TaC和 NbC，可以顯著提高耐磨性；在硬質合金中添加稀土元素，可以強化其硬質相、粘結相，並能淨化晶界，從而提高其韌性；在Al 2O3基陶瓷中添加ZrO2可以增加韌性；在陶瓷中添加TiB 2可以提高強度與韌性，等等。3 採用熱壓工藝 用液壓設備，在高於 1500℃的溫度和高於5GPa的壓力下，可使石墨轉化成金剛石，六方氮化硼轉化成立方氮化硼，形成超硬刀具材 料。熱壓設備和工藝尚有待改進，以形成性能更好的CBN與金剛石。4 採用表面塗層工藝 在韌性較好的刀具基 體上，用塗層工藝塗覆具有高強度、高耐磨、耐高溫材料的薄層，使刀具的綜合性能得到兼顧，這是提高刀具使用性能的最有效的方 法。 刀具表面塗層工藝分兩大類：物理 氣相沉積（PVD）和化學氣化沉積(CVD)。PVD方法一般用真空等離子鍍工藝和真空磁控濺射工 藝，用於高速鋼和硬質合金刀具的表面塗層。還有直流反應磁控濺射工藝，可塗覆出氮化碳（C xN y）超硬薄膜。CVD方法中包括高溫化學氣相沉積（HTV CD），工藝溫度約為1000℃；還有等離子體化學氣相沉積（PCVD），工藝溫度約為 700～800℃。HTVCD和PCVD多用於硬質合金刀具表面塗層。另有熱絲CVD沉積工藝，可以沉積金剛石膜。>塗覆金 剛石膜和C xN y膜是重要發展方向並有良好應用前景。 塗層材料以往多用C、N或O的二元化合物，如TiC、TiN、Al 2O3等。後發展多層沉積，並使用了新的多元化合物，如TiCN、TiAlN、TiCrN 等。新的塗層材料，其性能優於二元化合物，是重要發展方向，並必將得到廣泛應用。5 採用細化材料結構的工藝 目前，刀具材 料晶粒尺寸多為微米級，方向是發展到納米級。晶粒細化後，能夠提高刀具材料的硬度和耐磨性，採取一 定措施，還能提高韌性。粉末冶金高速鋼和硬質合金如採用“放電燒結”，可使晶粒細化，並能提高硬度 和韌性。另有離子束增強PVD輔助沉積工藝，可以沉積出納米級塗層材料。這些都是刀具材料的發展方向。
為節約資源發展新刀具材料
在 現代刀具材料中，含有多種金屬成分和非金屬成分有些在大自然中蘊藏豐富，取之不盡，用之不竭；但 也有些儲藏量有限，制約著刀具材料的發展。 高速鋼和硬質合金是目前用得最多的2種材料，其成分為W、Mo、Cr、 V、Ti、Co等。如 傳統的鎢高速鋼W18Cr4V中含W達18%，鎢鈷類硬質合金含W C92%～97%，鎢鈦鈷類硬質合金合WC66%～85%，通用類硬質合金含WC82% ～85%，普通高速鋼中不含Co，高性能鈷高速鋼中含Co量高達8%～10%，各類硬質合金中含C o量為3～10%。中國W資源豐富，除本國使用外，還大量出口。全世界使用的W原料，約75%～ 80%來自中國。中國W的蘊藏量尚夠用50年，半個世紀後將發生枯竭。Co的情況與W不同，中國Co資源缺少，大部分依賴進口，價格昂貴。故在刀具材料的 應用與發展中應十分注意節約W和Co，具體建議是：（1）發展鎢鉬和鉬鎢高速鋼，用Mo代替一部分W。如W6Mo5Cr4V2高速鋼中W只佔6%，Mo佔 5%。其使用性能與W18Cr4V相當。（2）發展無鈷或少鈷的高性能高速鋼。< /span> 目前中國在這方面已做出了很大貢獻。如自行研發的 W6Mo5Cr4V2Al(M2Al)、 W12Mo3Cr4V3N(V3N)和W12M o3Cr4V3Co5Si(C o5Si)，都節約了Co資源，而使用性能均能完全可與美國的知名產品110W1.5Mo9.5Cr4VCo8(M42)相媲 美。M42的綜合性能很好，但Co含量高，價格貴，不適合中國國情。（3）發展金屬陶瓷，用TiCN或TiC作基體，不含 WC或少含WC，粘結劑用Ni、Mo。這樣就節約了W和Co。與WC基硬質合金相比，金屬陶瓷的硬度較高，與工件材料之間的摩擦係數較小，耐磨性更強；不 足之處是抗彎強 度和衝擊韌性稍低，故其使用受到一定限制。用Ni、Mo作粘結劑，可節約Co；若能成功地用Fe作 粘結劑，則意義更大發展金屬陶瓷對節約資源有重要意義。PCBN。在它們的組分中， 都沒有貴重金屬，使用性能常優於硬質合金；唯韌性不足，可加工性不好，在使用上受到限制；另外，由於工藝成本的原因，其價格競爭力尚不夠 強。應改變組分，改進工藝，降低價格，使陶瓷和PCBN刀具進一步推廣使用。 （4）發展陶瓷和PCBN。在它們的組分中，都沒有貴重金屬，使用性能常優於硬質合金；唯韌性不足，可加工性不好，在使用上受到限制； 另外，由於工藝成本的原因，其價格競爭力尚不夠強。應改變組分，改進工藝，降低價格，使陶瓷和 PCBN 刀具進一步推廣使用。（5）發展人造金剛 石。 金剛石的原料並不貴重，且是最硬的刀具材料，可用以代替硬質合金加工高硬的非鐵金屬和非金屬材 料，從而節省了W、Wo資源。對有色金屬進行精密切削，更是非金剛石莫屬。
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