刀具材料的研究现状及展望

刀具材料的研究现状及展望
2012034110 李贺
【摘要】随着难加工材料的日益增多以及对加工效率的要求的提高，刀具的发展对提高生产效率和加工质量具有直接影响。

本文以刀具材料为主线，介绍了高速钢、硬质合金、陶瓷、超硬材料等刀具材料的性能以及现状。

根据刀具材料的优缺点提出其适合的加工切削条件，同时在理论层面提出对未来发展的思考。

【关键词】高速钢；硬质合金；陶瓷；超硬材料；研究现状；展望
1 刀具失效形式和性能要求
刀具磨损是刀具的主要失效形式，常见的失效形式有：磨粒磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损等正常磨损；卷刀、崩刃、崩碎、打刀等非正常磨损[1]。

由此，刀具材料应具有良好的力学性能，另外还应具有良好的工艺性能以及可最大限度降低刀具成本的经济性[2]。

2 高速钢刀具材料
高速钢刀具材料可分为传统熔融高速钢、粉末冶金高速钢和少无莱氏体高速钢。

但随着加工材料的发展，虽然其能满足通用工程材料切削加工的要求，但其性能已不够先进。

2.1 传统熔融高速钢
熔融高速钢刀具材料分为：普通高速钢；高性能高速钢。

普通高速钢具有较好的塑性，常温硬度63～66HRC，而在高温下，硬度很差。

高性能高速钢的硬度普遍比普通高速钢提高2～4 个HRC，高温硬度也较好，但是其抗弯强度、韧性较低[3]。

2.2 粉末冶金高速钢、少无莱氏体高速钢
粉末冶金高速钢及少无莱氏体高速钢解决了熔炼高速钢在冷凝过程中产生的粗大碳化物偏析及碳化物粗大问题。

少无莱氏体钢在热处理时需要进行渗碳处理提高表层的含碳量，以增加硬度，表层经淬火及回火后硬度可达66～67HRC 以上，成为超硬高速钢。

少无莱氏体高速钢刀具有芯韧表硬的特点，具有好的综合性能[4]。

3 硬质合金刀具材料
硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物（称硬质相）和金属（称粘结相）。

近年来随着材料技术的发展，将其分为P、M、K、H、S、N 六个系列[5]。

P 类，主要用于切削钢材；K 类，主要用于切削铸铁；M 类，为普通型硬质
合金；H 类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢，冷硬铸铁等；S 类，用于切削耐热材料、高温合金等；N 类，用于切削有色金属[6]。

3.1 传统硬质合金刀具材料
分类：碳化钨基硬质合金、碳（氮）化钛基硬质合金。

性能：硬度为89.5～94HRA，具有较好的红硬性、耐磨性等综合性能，其适于加工未淬火的钢材。

3.2 超细晶粒硬质合金刀具材料
超细晶粒硬质合金的WC 粒度一般为0.2～1.0μm，大部分在0.5μm 以下，硬度一般为90～93HRA，抗弯强度为2000～3500MPa，与加工材料的相互吸附扩散作用较小，特别适用于耐热合金钢、高强度合金钢，不能进行高速切削易折损的小直径整体立铣刀和整体钻头以及其它难加工材料。

我国的株洲、自贡两家硬质合金厂也开展了超细硬质合金的研发工作，获得了晶粒尺寸小于500nm 的合金[7]。

3.3 金属陶瓷刀具材料
金属陶瓷的性能介于陶瓷和WC 基硬质合金之间，它既保持了陶瓷的高强度、高硬度等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性等。

适合于对淬火钢、高强度钢以及铸铁的加工，可用于高速切削各种钢材，尤其适于钢材的精加工和半精加工。

现在，又发展了超细微粒金属陶瓷刀具和纳米涂层刀具，其性能较硬质合金都要高很多[8]。

4 陶瓷刀具材料
陶瓷刀具的硬度、耐磨性、红硬性极好，常温硬度可达92.5～94HRA，即使在1200℃，硬度也能达到80HRA[9]。

然而，陶瓷刀具的抗弯强度、热导率、韧性等很低，在温差大或有较大冲击载荷时，刀具容易失效。

4.1 氧化铝/氮化硅基陶瓷刀具材料
AL2O3 基陶瓷刀具以Al2O3 为主，添加了少量碳化物、氧化物等，具有较好的力学性能。

尤其Al2O3 梯度功能陶瓷刀具的自励性，使刀具崩刃后仍能进行正常切削。

Si3N4 基陶瓷刀具比Al2O3 基陶瓷刀具具有更好的力学性能。

尤其Si3N4 陶瓷的复合材料，能在不改变原有硬度的基础上，使陶瓷刀具的红硬性、抗热冲击性、韧性等进一步改善。

4.2 晶须增韧陶瓷刀具材料
晶须增韧陶瓷刀具材料是在Al2O3 或Si3N4 基质材料中添加一定量的SiC 晶须或TiC 晶须，提升韧性、导热率、硬度。

5 超硬刀具材料
超硬材料刀具具有工效高、使用寿命长和加工质量好等特点，近几年来由于改进了生产工艺，其应用范围不断把扩大。

超硬刀具材料有很多种，应用最广泛的是金刚石刀具材料以及立方氮化硼刀具材料。

5.1 金刚石刀具材料
天然单晶金刚石的韧性极差，高温易碳化，加之天然金刚石刀具价格昂贵，资源有限，其应用范围受到很大限制。

PCD、PDC 刀具不仅具有高硬度，同时还具有良好的强度和韧性，克服了天然单晶金刚石韧性差的缺点。

目前，PCD、PDC 刀具材料广泛应用于有色金属、硬质合金、陶瓷、非金属材料、复合材料的切削加工[10]。

5.2 立方氮化硼（CBN）刀具材料
立方氮化硼分为单晶立方氮化硼（CBN）和聚晶立方氮化硼（PCBN）。

由于单晶CBN 的晶粒直径小等缺点，不能直接用于制造切削刀具，所以工业中用做切削刀具的大多是聚晶立方氮化硼。

合成立方氮化硼刀具材料的方法有高温高压法、气相沉淀法、水热法等，由于高温高压法合成立方氮化硼的技术相对发展已经成熟完善，是主要合成方
法。

聚晶立方氮化硼作为刀具材料，其质量好坏直接影响到聚晶立方氮化硼刀具的切削效率和使用寿命，所以在制备聚晶立方氮化硼时应该特别注意粘结剂、立方氮化硼的含量以及其粒度、烧结工艺等问题。

聚晶立方氮化硼刀具的硬度仅次于金刚石，硬度可达8000HV～9000HV，其耐磨性、抗冲击性能极佳，另外，其还具有高的热稳定性、良好的耐磨性、低摩擦因数、化学稳定性好等优良性能。

其主要加工黑色金属材料，各种难加工材料，如各种淬硬钢、高温合金、耐磨铸铁等[11]。

6 涂层刀具材料
涂层刀具是在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜，达到解决刀具存在的硬度和强度、韧性之间的矛盾的目的。

涂层刀具常用的两种方法：物理气相沉淀（PVD）方法、化学气相沉淀（CVD）。

6.1 涂层高速钢刀具材料
高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉淀（PVD）方法，硬度可达1800～2000HV，有较高的热稳定性，与加工材料之间的摩擦因数较低，涂层高速钢刀具的切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量、刀具寿命显著提高，即使刀具重磨后仍能保持其性能。

涂层高速钢刀具可用于车刀、铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀、齿轮滚刀和插齿刀。

6.2 涂层硬质合金刀具材料
涂层硬质合金刀具大都采用化学气相沉淀（CVD）工艺，在硬质合金表面涂覆一层或多层难熔金属碳化物。

涂层硬质合金是一种复合材料，基体是强度、韧性较好的合金，而表层是高硬度、高耐磨性、耐高温、低摩擦的材料。

这种新型材料有效的提高了合金的综合性能，广泛适用于较高精度的可转位刀具。

目前单涂层刀片已很少应用，大多采用TiC-TiN 复合涂层或TiC-Al2O3-TiN 三复合涂层。

6.3 涂层陶瓷和涂层超硬材料刀具材料
陶瓷以及超硬材料与CVD、PVD 等刀具涂层技术相结合，其目的都是改善自身脆性大的缺点，实现切削刀具既有硬的表面，又有高的
韧性。

6.4 软涂层刀具材料
软涂层刀具所具有的层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的黏结能力，并且各层之间有较低的剪切强度，在切削过程中，固体润滑剂转化为润滑膜，达到减小摩擦、降低切削力、减小刀具磨损的目的。

7 发展趋势
在刀具材料发展中，硬度与韧性难以兼顾仍是主要矛盾。

由此研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料是必然的发展趋势。

各种涂层刀具和复合结构都能在一定程度上克服上述矛盾，故极有发展前景。

【参考文献】
［1］我国硬质合金刀具制造业目前发展状况[J]．现代材料动态，2010．
［2］王永国．金属加工刀具及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2011．［3］张若峰，邓健平．金属切削原理与刀具[M]．北京：人民邮电出版社，2010．［4］
陈云，杜奇明，董万福，等．现代金属切削刀具实用技术[M]．北京：化学
工业出版社，2008．
［5］戚正风．新型刀具材料：少无莱氏体高速钢[J]．工具技术，2000．
［6］赵鸿，于世超．现代刀具与数控磨削技术[M]．北京：机械工业出版社，2009．［7］于启勋．硬质合金刀具材料技术水平的进展[J]．新技术新工艺，2007. ［8］陶国林，蒋显全，黄靖．硬质合金刀具材料发展现状与趋势[J]．金属功能材料，2011．
［9］李少峰，刘维良，彭牛生，等．金属陶瓷刀具材料研究进展[J]．陶瓷学报，2010．
［10］辛志杰．超硬刀具、磨具与磨具加工应用实例[M]．北京：化学工业出版社，2011．
［11］李丹，刘进，胡娟，等．聚晶立方氮化硼材料的性能及其应用[J]．工具技术，2006.。