刀具材料及发展趋势

刀具材料及发展趋势[摘要]本文重点阐述了高速钢、硬质合金、陶瓷刀具、超硬刀具材料等的切削性能和应用范围。并对刀具材料的发展动向也作出了预测与展望。[关键词]刀具材料切削加工发展趋势0.引言切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。据统计，国外切削加工在整个制造加工中所占比例约为80％～85％，而在国内这一比例则高达90％。刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，无论是普通机床，还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC)，都必须依靠刀具才能完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。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性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔l0年几乎提高一倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由500～600℃提高到1200℃以上，允许切削速度已超过1000m／min，使切削加工生产率在不到100年时间内提高了100多倍。因此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。我们应当重视刀具材料的选择和使用，关注新型刀具材料的研制和发展趋势。1.刀具材料应具备的性能性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求：一是高硬度和高耐磨性；二是足够的强度与韧性；三是高耐热性、导热性和小的膨胀系数；四是良好的工艺性和经济性。2.刀具材料的种类常用刀具材料有工具钢(包括碳素工具钢、合金工具钢)、高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬刀具材料（金刚石、立方氮化硼）以及涂层刀具材料。碳素工具钢和合金工具钢因其耐热性很差，仅用于手工工具。陶瓷和超硬刀具材料则由于性质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，目前尚在有限的范围内使用。当今，用得最多的为高速钢和硬质合金，几乎各占一半。涂层刀具材料是最近几十年才发展起来的。2.1工具钢工具钢刀具材料在机械加工中虽然已经基本不用，但作为刀具材料发展过程中的一个重要环节不可不提。它可分为碳素工具钢和合金工具钢，碳素工具钢只能承受200～250℃的切削温度，用以切削一般钢材只能适用5～8m／rain的切削速度。1865年，英国人罗伯特·黑希特发明了合金工具钢，其牌号有CrWMn、9CrSi等，能承受350℃的切削速度，加工一般钢材时切削速度可达10～12m／min。目前，工具钢仅使用在一些手动工具上。2.2高速钢1898年由美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)发明的高速钢至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加人了较多w、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，其含碳量为0.7％～1.05％。高速钢具有较高耐热性，其切削温度可达6000℃，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素(如钨)的储藏资源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40～60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危机。2.3硬质合金硬质合金由Sehroter于1926年首先发明。经过几十年的不断发展，硬质合金刀具的硬度已达89～93HRA，在1000℃的高温下仍具有较好的红硬性，其耐用度是高速钢刀具的几十倍。硬质合金是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁族金属用粉末冶金方法制备而成。与高速钢相比，它具有较高的硬度、耐磨性和红硬性；与超硬材料相比，它具有较高的韧性。由于硬质合金具有良好的综合性能，因此在刀具行业得到了广泛应用，目前国外90％以上的车刀、55％以上的铣刀均采用硬质合金制造。硬质合金牌号通常可分为三类①YG类(WC—C0类)：该类硬质合金制造的刀具具有较好的韧性、耐磨性、导热性等，主要用于加工铸铁、有色金属和非金属。②YT类(WC—TiC—Co类)：由于材料中加人了TiC，使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗弯刚度有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热性，抗粘结、抗氧化能力较好，适用于加工钢材，切削时刀具磨损小，耐用度较高。③YW类(WC—TiC—TaC—C0类)：在YT材料中加人TaC是为了提高刀具的强度、韧性和红硬性。该类硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力，特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。虽然近年来各种新型刀具材料层出不穷，但在今后相当长一段时间内，硬质合金刀具仍将广泛应用于切削加工，因此需要研究开发新的材料制备技术，进一步改善和提高硬质合金刀具材料的切削性能。2.4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93～95HRA，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氮化硅基陶瓷常用的是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复合氮化硅一氧化铝陶瓷其化学成分约为Si3N477％，Al2O313％，Y20310％，硬度可达1800HV，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出长屑时迅速磨损。2.5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，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10-25um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。2.6涂层刀具涂层刀具材料是近20年出现的一种新型刀具材料。它是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的，是刀具材料发展中的一项重要突破。涂层技术可提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，较好的解决了刀具材料存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。从上世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛(TiC)后，到1981年就把普通硬质合金刀具的切削速度从80m／min提高到300m／min。在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法(PVD法)涂覆，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2～5倍，切削速度可提高20％-40％；在韧性较好的硬质合金基体上，涂层多为高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法(CVD法)涂覆，表面硬度可达2500-4200HV。目前，各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用发展非常迅速。处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70％～80％，在铣削方面已达到50％以上。但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。3.刀具材料的发展趋势纵观刀具材料发展的历史，结合我国的实际情况，新型刀具材料的发展趋势是：因我国稀土元素资源蕴藏丰富，价格也不贵，稀土硬质合金刀具材料极有应用前景；超硬刀具材料是一种先进的刀具材料，在生产中也有着广阔的发展空间；在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作用。人工合成大尺寸金刚石的成功为开辟新的应用领域(如木材加工业)提供了可能。CVD金刚石薄膜和厚膜具有很高的机械强度和良好的热学性能，尽管至今生产还未形成规模，但因其性能优异，且已迅速发展，表明其将在刀具工业中发挥积极作用。PCD则向大直径、细粒度、高抗冲击、高热稳定性方向发展。随着更耐磨、更难加工的工件材料日益增多，各类金刚石刀具的应用也将持续增加。可以预料，今后随着各种新型难切削材料应用的增多，必将促进超硬刀具材料进一步的发展与应用。另外，陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，曾一度制约了它的应用推广，但随着特种陶瓷材料研变与开发工作的不断深入，超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究为其发展增添了新的活力，随着陶瓷技术的发展，陶瓷刀具材料的力学性能已有了很大提高，其应用范围也将越来越广。刀具材料的发展方向，毫无疑问，那就是必然向更高生产率和更高切削速度的方向发展。总之，在新的世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大，成为用量最大的刀具材料；高速钢仍将占有一定的阵地；硬质合金和高速钢的品种和性能也将进一步发展；由于资源价格和性能上的优势，陶瓷材料的应用将迅速扩展；金刚石和CBN超硬材料的应用将进一步扩大；新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种新牌号的推出也将越来越快。人们所希望的既有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又有超硬材料的硬度和耐磨性的新刀具材料也完全有可能出现。4.结束语刀具在金属切削加工中起着极为重要的作用，而刀具材料对刀具性能起着决定性影响，选择适当的刀具材料，具有明显的综合经济效益。因此，对刀具材料的研究和利用要高度重视，要积极推广新型刀具材料的应用，以提高我国机械工业产品在加入WTO以后的国际竞争力。参考文献：[1]周泽华.金属切削原理[M].上海：上海科学技术出版社，1993[2]牛建伟.超硬材料刀具在机械制造中的应用[Z].中国工具网，2004[3]周伟平.机械制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2005[4]刘献礼.PCBN刀具的发展性能及应用[J].现代制造工程，2002．1．[5]KhanfurH.AnOverviewofHSSCuttingToolsDedicaledtoPower-trainManufacturinginAutomotiveIndustry,HSSForumConference，2005．[6]LuxS.ModernToolDesignofHSSEndmills,HSSForumConference，2005．缪燕平（1984—），男，硕士，江西制造职业技术学院机械工程系，助教，研究方向：材料加工。