21世纪刀具材料的发展与应用

储开宇

（华北电力大学机械系，河北保定 071000）

21世纪刀具材料的发展与应用

储开宇

（华北电力大学机械系，河北保定 071000）

论述了刀具材料的基本情况，介绍了刀具材料的类型、研究现状、应用等方面的内容，并对刀具材料的发展方向进行了展望。

刀具 刀具材料 高速钢 硬质合金 陶瓷

近年来，为把我国打造成为制造业的强国，发展大型、精密、高速数控设备和功能部件成为国家重要的目标之一。随着高精密、高转速数控机床大量应用，刀具在材料、结构、设计理念与方法上不断创新和发展，发生了巨大的变革。本文就上述内容进行叙述与分析。

现代刀具所使用的材料有：

1 高速钢

高速钢是一种加入了较多的钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、钒（V）等元素的高合金工具钢，热处理后能在温度500～650℃时进行切削，而硬度无明显下降，具有良好的热硬性。用其制造的刀具切削速度是普通工具钢的1～3倍，可达60 m/min以上（故而得其名），提高刀具耐用度10～40倍以上。高速钢的类型有通用型高速钢和高性能高速钢。

1.1 通用型高速钢

（1）钨系高速钢 1900年美国发明，典型牌号W18Cr4V，切削中碳钢速度达30 m/min，热处理硬度达63～66 HRC，抗弯强度达3 500 MPa，可以满足一般性能的要求，生产工艺成熟，通用性强，在工业上应用十分广泛。但碳化物偏析比较严重，热塑性差，不便于热加工成型，在加工特硬材料时不能满足对刀具硬度和红硬性的要求。由于钨和其他合金元素的含量较多，成本亦较高。国内市场比例约16.5%。

（2）钨钼系高速钢 1937年美国发明，典型牌号为W6Mo5Cr4V2，其碳化物分布细小均匀，韧性和高温塑性比W18Cr4V高50%，抗弯强度达4 700 MPa，热处理硬度和切削性能与W18Cr4V基本相同，成本低，目前正在取代钨系高速钢。常用于制造钻头、丝锥、铣刀、铰刀、拉刀、齿轮刀具等刀具。但耐磨性略逊于W18Cr4V，脱碳敏感性稍强，国内市场比例约69%。我国近年发展的新品种W9Mo3Cr4V，它强度及热塑性略高于W6Mo5Cr4V2，硬度为63～64 HRC，容易轧制、锻造，热处理工艺范围广，脱碳敏感性小，成本更低，国内市场比例约11%。

1.2 高性能高速钢

通过调整高速钢的化学成分和添加其它合金元素，使其性能进一步得到提高。具有更好的硬度和热硬性，切削温度在650℃时，硬度仍可保持在60 HRC以上。耐用度为普通高速钢的1.5～3倍，适用于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。只是在中等速度加工软材料时，优越性不明显。主要品种有：

（1）高碳系高速钢 1939年美国发明高碳高钒高速钢，淬回火硬度达67～68 HRC，耐磨性好。典型牌号有碳含量高达0.9%的9W18Cr4V，其硬度、耐磨性及热硬性都比较好。在切削不锈钢、耐热合金等难加工材料时，刀具寿命能够显著提高。但抗弯强度只有3 000 MPa，冲击韧性较低，热处理工艺要求严格。

（2）钴高速钢 1958～1963年美国发明M40系高速钢，硬度达70 HRC。典型牌号有钒含量仅为1%、钴含量达8%的W2Mo9Cr4VCo8。其硬度、热硬性、耐磨性及可磨性都很好，热处理硬度达67～70 HRC，适于制成各种刀具和复杂刀具，用于切削难加工材料，国际上应用很普遍。在我国，因钴资源缺乏，其成本约为通用型高速钢的5～8倍，使用受到一定影响。

（3）铝高速钢 我国研制出无钴、含铝的高性能高速钢，典型牌号有 W6Mo5Cr4V2Al、W6Mo5Cr4 V5SiNbAl等，在 W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V5中加入铝（Al）和硅（Si）、铌（Nb）元素，并增碳（C）来提高热硬性、耐磨性。切削温度600℃时，硬度达68 HRC，抗弯强度3 700 MPa。他是立足于我国资源情况的无钴高速钢，性能好成本低。但它易氧化及脱碳，可塑性、可磨性比钴高速钢稍差，仍需改进。

（4）粉末冶金高速钢 高速钢的质量性能受到多方面因素的影响，其中碳化物分布的均匀性及其大小的控制，是对其性能影响较大而又难以改善的因素。1965年美国Crucible Steels公司发明了粉末冶金法生产高速钢，使得高速钢发展产生了大变革。

目前国际市场上高性能高速钢使用量已经超过通用型高速钢25%～30%，粉末冶金高速钢在各类刀具中占的百分比为齿轮刀具中占70%，拉刀中占50%，立铣刀中占20%，钻头中占1%。

2 硬质合金

硬质合金是高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）的微米数量级粉末，用Co、Mo、Ni等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品，其中高温碳化物含量超过高速钢，允许的切削温度高达800～1 000℃，常温硬度达89～93 HRA，760℃时硬度达77～85 HRA，切削速度可达100～300 m/min，远远超过高速钢，寿命是高速钢的几倍到几十倍，但强度和韧性仅为高速钢的1/8～1/30，承受振动和冲击能力差。现在已成为主要的刀具材料之一。

过去，国际标准化组织（ISO）曾将刀具、刀具用硬质合金分为三类：

P类（我国的YT类），由 WC、TiC和 Co组成，也称钨钛钴类硬质合金，主要用来加工钢材；

K类（我国的YG类），由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金，主要用来加工铸铁、有色金属及其合金；

M类（我国的 YW类），在WC、TiC和Co的基础上再加入TaC（或NbC）组成，可以用来加工铸铁、有色金属和钢料，还可以加工高温合金、不锈钢等难加工材料，有通用型硬质合金之称。

近年，被加工材料的种类不断增多，ISO又增设3类硬质合金，即：

H类，主要用于切削高硬材料，如淬硬钢、冷硬铸铁等；立方氮化硼PCBN被列入了H类；

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；聚晶金刚石PCD被列入了N类。

目前新型硬质合金材料不断涌现，例如：

（1）细晶粒和超细晶粒硬质合金 碳化物的晶粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性，但抗弯强度有所降低；适当增加粘结剂钴含量后，可提高抗弯强度。晶粒尺寸：微米晶粒硬质合金1.0～1.3 m；亚微晶粒硬质合金0.6 ～0.9 m；超细微晶硬质合金 0.4 ～0.5 m；纳米系列微晶硬质合金0.1～0.3 m；我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。

（2）TiC基硬质合金 以TiC为主体，以Ni－Mo作粘结剂，并添加少量其他碳化物的合金，不含或少含WC；与WC基合金相比，TiC在碳化物中硬度最高，对金属的摩擦系数较小，切削时抗粘附磨损能力强，高温硬度下降较少，有较好的耐磨性；但韧性较差。

（3）添加稀土元素的硬质合金 稀土硬质合金是在各种硬质合金刀具材料中，添加了少量的稀土元素，使硬质合金的组织比较致密；改善室温和高温硬度；提高断裂韧性和抗弯强度（20%和10%以上）；耐磨性和使用寿命也有不同程度的提高；稀土硬质合金刀片表层的富钴现象，能有效减小切屑、工件与刀具间的摩擦系数，减小切削力。

（4）表面涂层硬质合金 由于硬质合金的硬度和耐磨性较好，韧性较差，通过在硬质合金表面上涂覆一层（5～12 m）硬度好耐磨性很高的物质（TiC、TiN），形成涂层硬质合金，使其既有高硬度和高耐磨性的表面，又有强韧的基体；故可提高刀具寿命和加工效率，减小切削力，降低切削温度，提高已加工表面质量。

（5）梯度硬质合金 这是近年来发展起来的新品种，各层成分可根据需要加以调节。

3 陶瓷材料

陶瓷是以氧化铝（Al2O3）或氮化硅（Si3N4）等为主要成分，加微量添加剂，经冷压制成形后烧结而成，是一种廉价的非金属刀具材料。它具有很高硬度和高温硬度，在1 200℃时硬度达58 HRC，可加工硬度高达65 HRC的高硬度难加工材料；化学性能稳定，耐氧化，摩擦因数低，刀具耐用度比硬质合金提高几倍至几十倍，切削效率提高3～10倍，广泛用于高速切削加工中。由于其强度低、韧性差，主要用于精加工。使用陶瓷刀具，可节约大量的贵重金属W、Co及Ti等。种类有：

（1）氧化铝陶瓷刀具 一种是几乎纯Al2O3成分的陶瓷，它硬度高但抗弯强度低；一种是以Al2O3为主且添加少量其它元素（如 MgO、NiO、SiO2、TiO2和 Cr2O3）的陶瓷材料，其抗弯强度虽有所提高，但高温性能有所降低，因此还是以纯氧化铝陶瓷材料为佳。

（2）氧化铝－金属系陶瓷 在Al2O3陶瓷基体中加入 10% 以下的金属元素（如 Cr、Co、Mo、W、Ti、Fe等），可改善Al2O3陶瓷刀具韧性。这样材料密度、抗弯强度及硬度均有提高，但由于其抗蠕变强度低、抗氧性差，耐磨性不足，后来推广使用情况不佳。

（3）氧化铝－碳化物系陶瓷 在Al2O3陶瓷基体中加入一定比例的碳化物（如 Mo2C、WC、TiC、TaC、NbC和Cr3C2等），可进一步改善Al2O3陶瓷刀具的性能。其中以Al2O3－TiC复合陶瓷用得最多，TiC含量为30% ～50%，陶瓷的熔点达3 250℃，使陶瓷刀具的耐用度显著提高，热裂纹深度也较小，而抗弯强度、抗氧化性和耐热冲击性等均优于Al2O3陶瓷刀具。（4）氧化铝－碳化物金属陶瓷刀具：在Al2O3－TiC陶瓷材料中，加入Mo、Ni（或Co、W）等金属作为粘结相热压而成的陶瓷刀具材料，可改善Al2O3－TiC陶瓷刀具韧性、强度和硬度。它最适用于加工淬硬钢、合金钢、锰钢、冷硬铸铁、铸钢，镍基或镍铬合金、钴基合金等，另外还可用于非金属材料如纤维玻璃、塑料夹层及陶瓷材料的切削加工。由于氧化铝－碳化物金属陶瓷抗热震性能良好，故可适用于铣削、刨削、反复短暂切削或其它间断切削等，亦可采用切削液进行湿式切削等。

（5）氧化铝－氮化物金属陶瓷 它是在TiC基金属陶瓷基础上发展起来的一种具有高硬度、高强度、优良的高温和耐磨性能、良好的韧性以及密度小、导热率高的新型金属陶瓷刀具材料。由于以氮化物取代碳化物，其保持了Al2O3－碳化物金属陶瓷材料具有的基本性能，还具有更好的抗热震性能，更适用于间断切削。但其抗弯强度与硬度都比添加Al2O3－TiC的金属陶瓷有所降低。

（6）氮化硼陶瓷刀具 最近，日本开发研制出一种粘合性立方晶氮化硼陶瓷（CBN）烧结体的陶瓷刀具材料——氮化硼陶瓷，它的硬度更高，切削加工硬度甚高的铸铁时，刀具头端不会发生常见的受热龟裂与缺屑。氮化硼陶瓷刀具与含有其它结合材料的CBN烧结体相比较，寿命可延长10倍以上，可作为一种断续切削的陶瓷材料。在机械加工方面有广阔的用途。

总之，陶瓷刀具是人类首次通过运用陶瓷材料改革机械切削加工的一场技术革命的成果。随着陶瓷材料的不断发展，陶瓷刀具在金属切削加工业中将发挥越来越大作用。

4 金刚石材料和立方氮化硼

4.1 金刚石材料

金刚石材料的成分是碳，切削过程中，金刚石的导热性优越，散热快，但是要注意切削热不宜高于700℃，否则会发生石墨化现象，刀具会很快磨损。因为金刚石与铁系有亲和力，在高温下和 W、Ta、Ti、Zr、Fe、Ni、Co、Mn、Cr、Pt等会发生反应，与黑色金属（铁碳合金）在加工中会发生化学磨损。所以，金刚石不能用于加工黑色金属，只能用在有色金属和非金属材料上。能够制成切削刀具的金刚石材料有以下几种。

（1）天然单晶金刚石 是一种各向异性的单晶体。硬度达9 000～10 000 HV，是自然界中最硬的物质。它耐磨性极好，有很长的刀具寿命。但在不同晶面上硬度和耐磨性有较大差异，材料韧性很差，抗弯强度很低，热稳定性差（700～800℃时就会失去硬度），温度再高就会碳化。另外，它与铁有很强的亲和力，不适于加工钢铁。

（2）人造单晶金刚石 除硬度比天然金刚石稍差外，其它性能都与天然金刚石接近。由于是人工制造，其解理方向和尺寸变得可控和统一，材料中晶体有相对较好的一致性，且成本较低，作为替代天然金刚石的新材料，人造单晶金刚石必将会有广阔的应用前景。

（3）人造聚晶金刚石 是将粒度为微米级的金刚石微粉与少量金属粉末溶剂混合后在高温（1 400℃）、高压（6 000 MPa）下烧结而成的聚晶体。它的硬度达6 000 HV左右，耐磨性好，抗弯强度、抗冲击和抗震性能比天然金刚石高很多；高导热性和低热膨胀系数，切削时散热快，切削温度低，热变形小；摩擦系数小，切削效率高、加工精度稳定，粗糙度可达到Ra0.05 m。与硬质合金相比，硬度高出3～4倍；耐磨性和寿命高50～100倍；切削速度可提高5～20倍。

（4）金刚石烧结体 是在硬质合金基体上烧结一层0.5～0.7 mm 厚的聚晶金刚石（PCD），它兼具了PCD的高硬度、高耐磨性和硬质合金的良好强度与韧性。能进行断续切削，可多次刃磨。但刃磨相当困难，主要体现在材料磨除率小、效率低、砂轮损耗大、刃口呈锯齿状。因此刃磨工艺性已成为其推广应用的主要障碍之一。

（5）CVD金刚石膜 是一种化学气相沉积法制成的金刚石材料。其硬度高于PCD，不含金属结合剂，有很高的热传导率和抗高温氧化性能。但韧性比较差，刃口极难磨出象天然金刚石和人造单晶金刚石一样锋利，作为切削刀具有待进一步研究和开发。

4.2 立方氮化硼

立方氮化硼（CBN）是上世纪70年代人工合成的材料，硬度高达8 000～9 000 HV，仅次于金刚石，在1 250～1 350℃的热稳定性很好，在1 400℃仍然保持其硬度。对铁系金属元素有较大的化学惰性，抗粘结能力强，十分有利于加工黑色金属，也可加工脆硬钢、冷硬铸铁等各种难加工材料，其硬切削能力优于陶瓷材料；而且还能对高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其它难加工材料进行高速切削和高速干切削；另外，在加工镍基合金时，立方氮化硼刀具比硬质合金刀具寿命长百倍以上。

5 刀具材料技术的发展

5.1 高性能高速钢刀具材料的发展

一是钴高速钢的应用面扩大，从制造复杂刀具扩大到通用刀具。二是粉末冶金高速钢的性能得到进一步提高，使用量和切削效率也相应提高。

5.2 硬质合金刀具材料发展

一方面是采用细颗粒（1～0.5 m）和超细颗粒（＜0.5 m）材料的硬质合金，具有硬度与强度完美结合（强度高达4 300 MPa），另外，加压烧结等新工艺使硬质合金的内在质量得以进一步提高。另一方面是优质整体硬质合金刀具开发的通用刀具，使切削速度、切削效率和刀具寿命比高速钢提高几倍。

5.3 先进的涂层技术

涂层技术从20世纪70年代初问世以来，已进入了开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段，其21世纪的发展方向有：

（1）薄膜的多元化及服务的个性化。21世纪的PVD技术，已从单一的TiN、TiCN、TiAlN发展到现在的几十种涂层牌号，并可对不同的应用选择薄膜成分和结构。

（2）高速及干式切削涂层技术的开发。涂层刀具在高速加工或干式切削过程中，温度是影响其寿命的主要原因。如何提高薄膜的高温性能、保证涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。

（3）涂层薄膜组织结构的改善。PVD主要是阴极电弧离子镀技术，现在人们试图通过硬件的开发及工艺的调整来改善涂层薄膜的组织结构，使得阴极电弧涂层的综合性能得以提高。

（4）纳米涂层技术不断完善。多种纳米涂层的实用化，使涂层的性能有了显著的提高；通过晶粒细化技术，使涂层表面光滑，以提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力。

（5）硬质合金表面涂层技术的发展。硬质合金可转位刀片表面涂覆金刚石技术的突破，可使硬质合金刀具在加工黑色金属及有色金属领域的切削效率得到全面提高。它对切削加工向高速、高效、高精度方向发展将起主导作用，并引起制造技术加工工艺的变革。

5.4 超硬刀具材料的发展

一般将钛基硬质合金（亦称金属陶瓷）、陶瓷、立方氮化硼和金刚石称为超硬刀具材料。随着刀具技术的不断进步，其脆性得到了降低，韧性大幅度得到提高，综合性能得到了较大的改善，使用的可靠性得到极大提高。耐磨性也比硬质合金更好，能适应更高的切削速度。如日本住友公司研发推出的牌号为BNX10立方氮化硼刀具材料，在加工硬度为62～64 HRC的淬硬材料时，切削速度可达180 m/min，提高了50%，而刀具寿命却增加了一倍。

6 结语

综上所述，随着社会进步和科学技术的发展，在航空、航天、船舶、电子、汽车等领域对刀具材料提出了越来越高的要求。由加工工艺的多样性造成对刀具材料需求的多样性，为此，我们必须加快各类刀具材料的发展，提高各类刀具材料性能，由于各种刀具材料在其独特应用领域里的优势，因此使用中相互有所取代补充已成为现代刀具材料技术的基础和关键。我们要充分利用先进的科学技术，改善和发现新型刀具材料，尽快赶超世界先进刀具技术水平。可以预见，在进一步提高刀具材料耐磨性和韧性的总发展趋势中，刀具涂层技术和超硬刀具材料的发展是2l世纪初刀具材料发展的主流。

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作者：储开宇，男，1963年生，工学硕士，副教授，主要从事机械制造装备的设计、加工制造及理论方面的研究，已发表论文20余篇。

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Development and Application of 21 Century Tool Materials

CHU Kaiyu
（Mechanical Engineering Department，North China Electric Power University，Baoding 071000，CHN）

In this paper，the general situation of tool materials is discussed，latest development，kinds and applications of tool materials are introduced，Its prospect of future development is predicted.

Tool；Tool Materials；High － speed Steel；Cemented Carbide；Ceramic

TG142.45

A

（编辑 李 静） （

2010－03－04）

10721