1 刀具材料的重要作用及其發(fā)展過程
刀具材料的發(fā)展與人類社會生活、生產(chǎn)的發(fā)展，有著極為密切的關(guān)系。對于古人類，“刀”和“火”的認識和應用，是兩項*偉大的發(fā)明，是人類登上歷史舞臺的重要標志刀具材料的改進推動著人類社會文化和物質(zhì)文明的發(fā)展。例如在人類歷史中，曾有過舊石器時代、新石器時代，青銅器時代和鐵器時代等。與石器時代對應的是人類的原始社會;與青銅器時代對應的是人類的奴隸社會;與鐵器時代對應的是人類的封建社會及其以后的時代。
在傳統(tǒng)的機械加工中，刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀具幾何形狀是決定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起著關(guān)鍵作用。在計算機集成先進制造系統(tǒng)出現(xiàn)后，在刀具使用中還應考慮“刀具系統(tǒng)”問題。近年來，各種難加工材料的出現(xiàn)和應用，先進制造系統(tǒng)、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“綠色制造”和“潔凈制造”的發(fā)展與付諸實用，都對刀具特別是對刀具材料提出了更高、更新的要求。
古人類仍能在大自然中尋用天然材料制作工具，如玉、石、天然金剛石甚至隕鐵都曾得到過應用。在奴隸制社會，曾用青銅制作工具；在“春秋”、“戰(zhàn)國”之交，特別是到了秦朝的時代，進人封建社會的時候，鋼、鐵工具開始出現(xiàn)，碳素工具鋼開始得到應用，那時的碳素工具鋼與現(xiàn)代的T10、T12等鋼種已十分接近。與石料、銅料相比，碳素工具鋼具有更高的硬度，切削刃能夠磨得很鋒利，故切削效率和加工質(zhì)量相對較高。但碳素工具鋼只能承受200-250℃的切削溫度，用以切削一般鋼材只能應用5-8 m/min的切削速度，不能滿足更高切削效率的要求。1865年，英國的羅伯特·墨希特(Rohert Mushet)發(fā)明了合金工具鋼，其牌號有CrWMn，9CrSi等，能承受350℃的切削溫度，加工一般鋼材時切削速度可提高到10-12m/min。為了適應加工效率進一步提高的要求，美國機械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)于1898年發(fā)明了高速鋼，當時的成分為C0.67%, W18.91%，Cr5.47%，V0.29%，Mn0.11%，F(xiàn)e為余量。它能夠承受550-600℃的切削溫度，切削一般鋼材可采用25-30m/min的切削速度、從而使其加工效率比碳素工具鋼洽金工具鋼分別提高了4倍和2.5倍以上，從19世紀末到20世紀初，曾使美國、英國等主要資本主義國家的切削水平出現(xiàn)了一個飛躍，從而獲得了巨大的經(jīng)濟效益，機械制造工業(yè)也賴以迅速發(fā)展。
隨著人類生話、生產(chǎn)水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高效率加工、高質(zhì)量加工以及難加工材料切削的要求。20世紀20年代到30年代，人們發(fā)明了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，其常溫硬度達89-93HRA,能承受800-900℃以上的高溫，切削速度可以是高速鋼刀具的4-5倍以上，因而被迅速推廣應用。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于兵工生產(chǎn)的需要，美、英、蘇、德各國開始部分使用硬質(zhì)合金刀具;二戰(zhàn)結(jié)束后，逐步擴大使用。50年代初，我國從蘇聯(lián)少量引進硬質(zhì)合金，替代高速鋼刀具在生產(chǎn)中應用。后來，在蘇聯(lián)援助下，我國建設了株洲硬質(zhì)合金廠；又自力更生，用本國的技術(shù)和力量，建成了自貢硬質(zhì)合金廠。經(jīng)過40年的努力，中國硬質(zhì)合金刀具材料的產(chǎn)量已居世界各國的前列，成為生產(chǎn)硬質(zhì)合金的大國，20世紀后半期，工件材料的品種不斷增多，其機械性能不斷提高，工件的批量和加工精度也不斷加大和提高，因而對刀具的使用性能不斷提出更新、更高要求。硬質(zhì)合金刀具材料為了適應新的要求，自身有了更新的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種，其性能比之過去有了很大的提高。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具較脆，韌性不足，可加工性也不好，故開始時只用于一般車刀，后發(fā)展到用于面銑刀及其他刀具；但迄今為止，仍不能用于所有種類的刀具。高速鋼刀具也有了發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種。然而，半個世紀來，一半以上的高速鋼刀具被硬質(zhì)合金刀具所替代；高速鋼刀具材料憑借其良好的韌性和可加毛性，仍固守著切削刀其中不足一半的陣地。當代，硬質(zhì)合金和高速鋼是兩種*主要的、用得*多的刀具材料。它們的總和當占全部刀具的95%以上。
硬質(zhì)合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料和超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相繼出現(xiàn)。20世紀中期出現(xiàn)了氧化鋁及氧化鋁基復合陶瓷，稍后又出現(xiàn)了氮化硅及氮化硅基復合陶瓷。20世紀中后期，又制造出人造立方氮化硼和人造金剛石兩種超硬刀具材料，它們的硬度大幅度地高于硬質(zhì)合金與陶瓷由于韌性和可加工性的不足，以及價格等原因，陶瓷、氮化硼及金剛石刀具材料的應用尚受到更大的局限。
綜上所述，刀具(工具)材料的發(fā)展，對人類社會的發(fā)展發(fā)揮了極其重要的作用。20世紀中，刀具(工具)材料的發(fā)展比過去幾十世紀要快得多C刀具材料的品種、類型、數(shù)量、性能都有了很大的發(fā)展和提高�！鞍倩R放，推陳出新”；20世紀特別是后平個世紀，刀具材料大發(fā)展，大提高，令人眼花繚亂，目不暇接，從而推動人類的物質(zhì)文明迅猛前進。
2 刀具材料的化學成分
在古代，人類所用的刀具材料多為天然物質(zhì)，如石材、天然金剛石等。近代、現(xiàn)代所用的刀具材料絕大多數(shù)出于人造，以便保證大量供應，并使質(zhì)地均勻、可靠。
縱觀現(xiàn)代的各種刀具材料，除金剛石的原料為石墨(碳元素)外，其他品種都離不開碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。如表1至表4所示，這些化合物都具有高硬度、高熔點、高彈性模量等特性，這正是刀具材料所需要的性質(zhì)。
從表可以看出，表中多為碳元素、氮元素、氧元素或硼元素與金屬元素的化合物;但也有例外，如SiC,B4C和Si3N等，硅(Si)和硼(B)并不是金屬，但結(jié)合后，硬度也很高，可以作為刀具材料而被利用。而氮(N)與硼(B)的結(jié)合，更能形成超硬刀具材料CBN。
表 各種化合物的性質(zhì)
|
| 性質(zhì)
|
| 密度
10³kg/m³
| 熔點
℃
| 硬度
HV
| 彈性模量
GPa
|
| 碳化物
| TiC
| 4.85-4.93
| 3180-3250
| 2900-3200
| 316-488
|
| ZrC
| 6.44-6.9
| 3175-3540
| 2600
| 323-489
|
| HfC
| 12.20-12.70
| 3885-3890
| 2533-3202
| 433
|
| VC
| 5.36-5.77
| 2810-2865
| 2800
| 260-274
|
| TaC
| 14.48-14.65
| 3740-3880
| 1800
| 371-389
|
| NbC
| 7.82
| 3500-3800
| 2400
| 344
|
| WC
| 15.6-15.7
| 2627-2900
| 2400
| 536-721
|
| Mo2C
| 8.90
| 2690
| 1500
| 544
|
| B4C
| 2.50-2.54
| 2350-2470
| 2400-3700
| 295-458
|
| SiC
| 3.21-3.22
| 2200-2700分解
| 3000-3500
| 345-422
|
| Cr3C2
| 6.68
| 1895
| 1800
| 380
|
| Cr7C3
| 6.92
| 1782
| 1882
| -
|
| Cr23C6
| 6.97-6.99
| 1518
| 1663
| -
|
| Fe3C
| -
| 1650
| 860
| -
|
| 氮化物
| TiN
| 5.44
| 2900-3220
| 1800-2100
| 616
|
| ZrN
| 7.35
| 2930-2980
| 1400-1600
| -
|
| HfN
| 13.94
| 3300-3307
| 1500-1700
| -
|
| VN
| 6.08
| 2050-2360
| 1500
| -
|
| TaN
| 14.1
| 2980-3360
| 1060
| 587
|
| NbN
| 8.26-8.40
| 2050
| 1400
| 493
|
| Nb2N
| 8.33
| 2420
| 1720
| -
|
| BN(立方)
| 3.48-3.49
| 2720-3000分解
| 7000-8000
| 720
|
| Si3N4
| 318-3.19
| 1900分解
| 2670-3260
| 470
|
| AlN
| 3.25-3.30
| 2200-2300分解
| 1225-1230
| 281-352
|
| CrN
| 6.1
| 1500
| 1000-1188
| -
|
| Cr2N
| 6.51
| -
| 1522-1629
| -
|
| Mo2N
| 8.04
| -
| 630
| -
|
| WN
| -
| 800
| -
| -
|
| 氧化物
| TiO2
| 4.24
| 1855-1885
| 1000
| 240-290
|
| ZrO2
| 6.27
| 2900
| 1300～1500
| 250
|
| HfO2
| 9.68
| 2780-2790
| 940-1100
| -
|
| VO5
| 3.36
| 670-685
| -
| -
|
| Ta2O5
| 8.37
| 1755-1815
| 890-1290
| -
|
| Nb2O5
| 4.95
| 1470-1510
| 726
| -
|
| WO2
| 6.47
| 1473-2130
| -
| -
|
| Al2O3
| 3.97
| 2050
| 2300-2700
| 370
|
| Cr2O4
| 5.21
| 2309-2359
| 2945
| -
|
| 硼化物
| TiB2
| 4.38
| 2790
| 3310-3430
| 540
|
| ZrB2
| 6.17
| 3200
| 2230-2274
| 350
|
| HfB2
| 10.5
| 3250
| 2400-3400
| -
|
| VB2
| 5.06-5.28
| 2400
| 2797-2803
| 273
|
| TaB2
| 12.38
| 3037
| 2460-2540
| 262
|
| NbB2
| 6.97
| 3000
| 2600
| 650
|
| W2B2
| 11.0
| 2370
| 2650-2675
| 790
|
| CrB2
| 5.22
| 2200
| 2020-2180
| 215
|
| FeB
| 7.15
| 1650
| 1600-1700
| 350
|
| Fe2B2
| 7.34
| 1410
| 1290-1390
| 290 |
在刀具材料的成分中碳化物用得*多。人們對碳化物的研究較為透徹，所得到的測試數(shù)據(jù)也較多。各種金屬碳化物分1型、2型、3型、6型、7型,23型等，即MC(如WC,Tic,ZrC等)、M2C(如Mo2C等M3C(如Fe3C、Cr3C2等)、M6C(如Fe3(W,Mo)3C6等),M3C(如Cr7C3等),M23C(如Cr23C6)。各型碳化物的形成，均遵循一定規(guī)律，也能形成復合碳化物，但其物理、力學性能測試還不夠，難以查到確切的數(shù)據(jù)。
對于碳素工具鋼，其主要成分是Fe3C，即滲碳體合金工具鋼中有復合碳化物，如合金滲碳體(F,Cr)3C等。高速鋼中有更多的復合碳化物。如鎢系高速鋼，M6C(Fe3W3C, Fe4W2C)是主要的成分在鎢釗系高速鋼中，M6C也是主要成分，其形式為Fe3(W,Mo)3C和Fe4(W、Mo)2C。
硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)相主要為MC (WC, TiC)等，但經(jīng)常加人Ta,Nb等元素而形成復合的碳化物，且必須用Co,Ni等元素為粘結(jié)材料。陶瓷中常用Al2O3和Si3N4為基體材料，但經(jīng)常加人碳化物、其他氧化物、其他氮化物或硼化物形成復合陶瓷。非金屬氮化物Si3N4在陶瓷中發(fā)揮了重要作用，形成了陶瓷刀具材料的一個重要分支。立方氮化硼也是一種非金屬氮化物。
表中的化合物只是碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的一部分;而已被付諸應用并已為人們所熟知的只是表中的少數(shù)。因此，人們在研制新刀具材料時，在化學組成上尚有選擇余地和很大的潛力叮挖當然，表中所列的化合物并不是都能被應用，因為除了考慮它們的綜合性能，還要顧及資源、價格、工藝等因素
3 刀其材料與工件材料的匹配 刀具、工件兩方面材料的力學、物理、化學性能必須得到合理的匹配，切削過程方能正常進行，并獲得正常的刀具壽命，否則，刀具就可能會急劇磨損，其壽命很短。例如，硬度高的工件材料，就必須用更硬的刀具來加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質(zhì)合金和陶瓷刀具則能勝任，CBN刀具更佳加工硬脆材料，不僅要求刀具有很高的硬度，還要求有高的彈性模量，否則刃部難以支撐。用硬質(zhì)合金刀具加工淬硬鋼及其他硬脆材料，必須采用彈性模量較高、WC含量較多的K類或M類牌號。以上是力學性能的匹配不僅應考慮刀具材料的常溫力學性能，還應考慮其高溫性能。在加工導熱性差的工件時，應采用導熱性較好的刀具，以使切削熱得以導出從而降低切削溫度。這是物理性能匹配的例子。
工件、刀具雙方材料中的化學元素如有容易化合、相互發(fā)生化學作用或擴散作用者，應設法回避。例如，含鈦的金屬材料——鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等，不能用含鈦元素的刀具進行切削。也就是說，P類硬質(zhì)合金、TiC基與Ti(C,N)基硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金(多數(shù)涂層材料含欽)均不能使用;應采用K類、M類硬質(zhì)合金或高速鋼。凡加工塑性材料產(chǎn)生長切屑且與前刀面發(fā)生摩擦者，應特別注意刀一屑雙方元素的相互擴散，故加工非淬硬鋼材應當采用P類硬質(zhì)合金或Al203基陶瓷，而不能采用K類合金與Si3N4基陶瓷。金剛石在600-700℃以上時將轉(zhuǎn)化為石墨,Fe元素將起催化作用而加速這種轉(zhuǎn)化，故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN*適合加工鋼鐵，但只能進行干切削，水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學性能匹配的例子�；瘜W作用在低溫條件下一般進行緩慢，在高溫下加劇力學、物理、化學作用有時是產(chǎn)生綜合影響而相互關(guān)聯(lián)的，對它們的規(guī)律尤其是對化學作用的機理尚認識不夠深人，有待進一步研究。
4 刀具材料發(fā)展和展望
工件與刀具雙方交替進展、相互促進，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀前半、后半時期分別是高速鋼、硬質(zhì)合金大發(fā)展的年代。近50年中，硬質(zhì)合金不斷提高自身的性能，發(fā)展了許多新品種，從高速鋼的領(lǐng)域中占領(lǐng)了大片陣地，成為當前用量超過一半的刀具材料，這是當年人們所未能估計到的。預計在21世紀，硬質(zhì)合金的使用范圍將進一步擴大;高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢，仍將占有一定的陣地。由于資源、價格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發(fā)展，代替一部分硬質(zhì)合金刀具。然而，陶瓷與硬質(zhì)合金相比，由于其切削性能的差距不是那么巨大，加上其強度、韌性和可加工性的不足，未來陶瓷刀具的發(fā)展不會像過去硬質(zhì)合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應用。新刀具材料的研制周期會越來越短，新品種、新牌號的推出將越來越快:在刀具材料發(fā)展中，硬度、耐磨性與強度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾有可能在21世紀中研制出既具有高速鋼、硬質(zhì)合金的強度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種涂層刀具復合片都能在一定程度上克服上述矛盾，故極有發(fā)展前景。在未來，刀具材料將接受工件一方及制造系統(tǒng)更新、更嚴峻的挑戰(zhàn)。新品種的出現(xiàn)、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補充的局面，將成為未來刀具材料發(fā)展的特點。
目前，碳化物、氮化物、氧化物、硼化物是刀具材料的主體成分。用石墨合成為人造聚晶金剛石已跳出了這個圈子。當今常用的金剛石為C-12;美國CE公司已研制出同位素C-13的金剛石，其硬度、強度等均高于現(xiàn)有的金剛石。近期在太空中對碳分子試驗的結(jié)果，又發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子組成的巴基球，即C-60，它比金剛石更堅硬�；蛟SC-13、C-60在未來能成為新的刀具材料。近年來，國內(nèi)外有人采用RF-PECVD法在刀具上涂孤C3N4薄膜，膜的硬度達到超硬材料的硬度，使刀具的使用壽命大為提高。
宇宙間物質(zhì)的形成和變化，復雜而奇妙:人類對自然界的認識尚處于膚淺階段。在未來，可能會發(fā)現(xiàn)和制成嶄新的品種，具有優(yōu)異的性能，適合用作刀具的新材料。筆者期望，在21世紀中，刀具材料有出人意料的新的飛躍發(fā)展。 |
