【正文】 相比，涂層后高速鋼 刀具 的切削力可降低 5～ 10％，由于涂層材料有熱屏障作用， 刀具 基體切削部分的切削溫度也有所降低；工件已加工表面粗糙度減小；刀具 使用壽命顯著提高。在美國(guó)、日本、德國(guó)，近一半的齒輪加工 刀具及立銑刀、鉆頭 等采用涂層， 提高了切削效率 ，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 我認(rèn)為 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼和低合金高速鋼都有其各自的用途 ，在很多場(chǎng)合低合金高速鋼都因其自身缺憾代替不了 標(biāo)準(zhǔn)高速鋼的作用， 目前一些廠(chǎng)家虛假鼓吹低合金高速鋼的性能是不正確的，應(yīng)該引起重視，可也不能因此就把它一棍子打死。該工藝技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是 : 形成的表面高速鋼層與基體是冶金結(jié)合，不存在著滲層與基體的剝落問(wèn)題 。低合金高速鋼的成分設(shè)計(jì)一般以高速鋼的基體成分為基礎(chǔ)，其 W、 M。 我們有 理由相信技術(shù)性能高的粉末冶金高速鋼將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用 ，為金屬加工業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展。 [16] 粉末冶金高速鋼具有良好的力學(xué)性能，適合制造：間斷切削條件下易崩刃的刀具、 強(qiáng)度高而切削刃又必須鋒利的刀具 ，如插齒刀、滾刀、銑刀，高壓動(dòng)載荷下使用的刀具。用高壓氬氣或氮?dú)忪F化熔融高速鋼水，得到細(xì)小高速鋼粉末，篩選后為 以下的顆粒；在真空 ()狀態(tài)下，密閉燒結(jié)達(dá)到密度 65%；再在 1100℃ 高溫、 300MPa 高壓下制成密度 100%的鋼坯，然后鍛軋成鋼材，這樣有效地解決了熔煉高速鋼在鑄 錠時(shí)要產(chǎn)生粗大碳化物偏析的問(wèn)題，而它無(wú)論截面多大，其碳化物級(jí)別均為一級(jí)。含鋁高速鋼是中國(guó)的一個(gè)獨(dú)創(chuàng)。 3) 高釩高速鋼 高釩高速鋼的釩含量為 3%～ 5%，同時(shí)加大含碳量，形成 VC 與 V4C3，使高速鋼得到高的硬度和耐磨性。與 W18Cr4V 相比 95W18Cr4V 的耐磨性和刀具耐用度都有所提高，刃磨性能相當(dāng)。 近年，全世界高速鋼年產(chǎn)量約為 16 萬(wàn) ~22 萬(wàn)噸，中國(guó)高速鋼年產(chǎn)量已達(dá) 5萬(wàn) ~6 萬(wàn)噸。在現(xiàn)代切削加工中，它的使用范圍正在不斷縮小。 表 41 常用機(jī)夾高速鋼 刀具材料 牌號(hào)、性能及適用范圍 高速鋼牌號(hào) 淬、回 火硬度 HRC 抗彎 強(qiáng)度 (MPa) 沖擊 韌度 MJ/㎡ 6000C 下硬度 HRC 適用范圍 中國(guó)牌號(hào) 相似 I SO牌號(hào) W6Mo5Cr4 V2 HS652 63～ 66 3500 ～ 4000 ～ 47 ～ 48 適于切削在 250～ 280HPS及以下的大部分結(jié)構(gòu)鋼和鑄鐵，也適于制作承受較大沖擊力的刀具，為通用型，切削速度不高于50～ 60m/min W9Mo3Cr4 V 64～ 66 4000 ～ 4500 ～ W6Mo5Cr4 V3 HS653 65～ 67 3200 可加工高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼以及纖維、硬橡皮、塑料等 W6Mo4Cr4 V2Co5 HS652 5 65～ 66 3000 54 由于耐磨性、耐熱性比較好、適于加工高強(qiáng)度鋼、耐熱鋼、合金鋼、不銹鋼、鈦合金等。高速工個(gè)鋼的淬火溫度很高，接近熔點(diǎn)，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。退火狀態(tài)的高速工具鋼的主要合金元素有多、鉬、鉻、釩，還有一些高速工具鋼中加入了鈷、鋁等 元素。這導(dǎo)致了使用者只能根據(jù)具體加工對(duì)象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號(hào)中選擇適用的刀具材料 ，造成了諸多不 便。由按不同方式添加抑制劑的 WC8%Co 硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項(xiàng)性能指標(biāo)較好，材料抗彎強(qiáng)度由較大提高。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時(shí)極易快速長(zhǎng)大，晶粒長(zhǎng)大會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個(gè)的粗大 WC 晶粒常常時(shí)硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。因此，納米硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化應(yīng)用還有待時(shí)日。為達(dá)到此目的，應(yīng)根據(jù)刀具損壞方式的不同，分別優(yōu)選出具有不同晶須含量和不同晶須取向的 WCCoSiCw 刀具進(jìn)行切削加工，以充分實(shí)現(xiàn)這種刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用。我國(guó)目前使用的 SiCw 晶體特性見(jiàn)表 31。這種方式目前使用較 廣泛。 2）裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當(dāng)裂紋尖端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相時(shí)，裂紋將偏離原來(lái)的前進(jìn)方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)展。我國(guó)稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。在 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的 P， K， M類(lèi)硬質(zhì)合金牌號(hào)中，均有這種添加了 Ta(Nb)C 的硬質(zhì)合金（尤以 M 類(lèi)牌號(hào)中較多）。 20 （３）表面，整體熱處理和循環(huán)熱處理 對(duì)強(qiáng)韌性較好的硬質(zhì)合金表面進(jìn)行滲氮，滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性?，F(xiàn)在和今后的研究仍集中在新的粉末體系的制備。 PVD 工藝溫度低，硬質(zhì)合金刀具切削毋須鈍化，故刃口更鋒利；且表面殘余應(yīng)力小，從而能承受沖擊性負(fù)荷（如銑刀）。 [9] TiN 涂層的改進(jìn)工作主要集中在新的 TiN 基合金和多元復(fù)合層 ,希望得到多元素組合的耐磨、 耐高溫涂層。另一方面，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價(jià)格較為昂貴，對(duì)其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用。m（微米級(jí)），超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)０ .５ 181。比高速鋼有更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性等。我們先弄清大致的分類(lèi)，心中對(duì)刀具材料有個(gè)籠統(tǒng)的了解，對(duì)主要研究方向的確立業(yè)有一定的幫助。我們必須加快發(fā)展金屬切削技術(shù)，提高刀具產(chǎn)品的水平。在硬質(zhì)合金刀具方面引進(jìn)了具有八十年代水平的硬質(zhì)合金材料牌號(hào)、可轉(zhuǎn)位刀 具和整體硬質(zhì)合金刀具制造技術(shù)，初步建立了數(shù)控刀具及工具系統(tǒng)生產(chǎn)點(diǎn)。 尤其需要注重的就是硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料這兩種使用非常廣泛的材料。 由于 POD 結(jié)合劑具有導(dǎo)電性 ,使得 PCD 便于切割成型 , 且成本遠(yuǎn)低于天然金剛石 。因此 , 天然金剛石刀具切削也稱(chēng)鏡面切削 , 天然金剛石刀具是一致公認(rèn)的、 理想的和不能代替的超精密加工刀具。金剛石刀具具有高硬度、 高耐磨性和高導(dǎo)熱性能 , 在有色金屬和非金屬材料加工中得到廣泛的應(yīng)用。[2] 鈦基硬質(zhì)合金（原稱(chēng)金屬陶瓷）性能的改善以及涂層鈦基硬質(zhì)合金的開(kāi)發(fā)。因此 ,美國(guó)、德國(guó)、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視干式加工的研究。 與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度，紅硬性和耐磨性。 當(dāng)今刀具材料發(fā)展的特點(diǎn)可以歸納為以下幾方面 ： 硬質(zhì)合金刀具材料仍然是應(yīng)用最廣的刀具材料，也是各國(guó)工具制造廠(chǎng)商著力發(fā)展的刀具材料， 因而應(yīng)用的廣度和深度都有顯著進(jìn)展 。 那以哪種為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行衡量測(cè)評(píng)才更具有代表性意義呢 ？我查閱了大量資料后決定以硬質(zhì)合金刀具材料和高速鋼刀具材料這兩種應(yīng)用廣泛的“刀具材料主力部隊(duì)”作為主要的研究對(duì)象，希望能通過(guò)對(duì)它們的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀的研究分析來(lái)得出我國(guó)刀具材料以后可能的發(fā)展路線(xiàn)。刀具材料已從 20 世紀(jì)初的高速鋼，硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷，超硬材料等，耐熱溫度已由 500~600℃提高到 1200℃以上，允許切削速度已超過(guò) 1000m/min，使切削加工生產(chǎn)率在不到 100 年時(shí)間提高了 100多倍。 得制造業(yè)者得天下。 本文綜合了現(xiàn)今主要切削材料的加工性，以 資料分析 形式有針對(duì)性地做了關(guān)于 硬質(zhì)合金 刀具材料 和高速鋼刀具材料的 論述，便于設(shè)計(jì)人員參考、選用。根據(jù)具體的刀具 品種，結(jié)合具體的加工對(duì)象來(lái)選擇合適的刀具材料，同時(shí)又根據(jù)已知刀具材料的性能選擇合適的切削參數(shù)，這樣才能獲得最佳的切削效果。正是在以上科技發(fā)展的大背景中，作為機(jī)械制造業(yè)最為重要的刀具的材料得到了迅速的發(fā)展。國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（ CIRP）在一項(xiàng)研究報(bào)告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每 5 隔 10 年幾乎提高一倍”。各種新的刀具材料如雨后春筍，層出不窮。 近些年來(lái)各種刀具材料的性能都有明顯的改善 ，并在實(shí)際應(yīng)用中顯示出很好的效果。由于微粉技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)、氣體加壓燒結(jié)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展 ，開(kāi)發(fā)了氮化硅陶瓷和晶須增強(qiáng)陶瓷及涂層氮化硅陶瓷等材料，改善了陶瓷的脆性和抗熱振能力，也提高了耐磨性和韌性，擴(kuò)大了陶瓷刀在鑄鐵、淬火鋼等加工領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)美國(guó)企業(yè)的統(tǒng)計(jì) ,在冷卻加工系統(tǒng)中 ,切 削液占總成本的 14%～ 16%,刀具成本占 2%～ 4%。 Sialon 陶瓷可成功地用于鑄鐵、 鎳基合金、 鈦基合金和硅鋁合金的高速切 削、 強(qiáng)力切削、 斷續(xù)切削加工 , 是高速加工鑄鐵和鎳基合金的理想刀具材料。 [3][4] 超硬材料 金剛石是碳的同素異構(gòu)體 , 它是自然界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。再加 上它與被加工材料之間的摩擦系數(shù)小 , 抗粘接性好 , 與非鐵金屬無(wú)親和力 , 熱膨脹系數(shù)小及導(dǎo)熱系數(shù)高等特點(diǎn) , 天然金剛石刀具可以加工出極高的工件精度和極低的表面粗糙度。雖然 PCD 的硬度低于單晶金剛石 , 但 PCD 屬各向同性材料 , 使得刀具制造中不需擇優(yōu)定向 。對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)不能放松，而發(fā)展和改進(jìn)現(xiàn)有的有著悠久使用歷 史和大量使用經(jīng)驗(yàn)的刀具材料更具有現(xiàn)實(shí)意義。 我國(guó)金屬切削刀具的發(fā)展 我國(guó)工具行業(yè)從“六五”開(kāi)始結(jié)合技術(shù)引進(jìn)進(jìn)行技術(shù)改造，后又經(jīng)過(guò)“七五”“八五” 引進(jìn)和改造取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步 ，開(kāi)發(fā)出一批具有八、九十年代的技術(shù)水平的新產(chǎn)品。 我國(guó)工具工業(yè)的發(fā)展和切削技術(shù)的進(jìn)步，提高了我國(guó)切削加工的水平，但是與國(guó)外先進(jìn)水平相比， 我國(guó)的金屬切削技術(shù)和刀具產(chǎn)品的水品還很低 ，存在著很大的差距， 我國(guó)切削加工的效率只相當(dāng)于國(guó)外七十年代的水平，我國(guó)的金屬切削技術(shù)和刀具的現(xiàn)狀已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要，并將直接影響機(jī)械、汽車(chē)工業(yè)振興規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。具體如下： （ 1）工具鋼： 碳素工具鋼 合金工具鋼 高速工具鋼： 通用高速 鋼 高性能高速鋼 粉末高速鋼 低合金高速鋼 涂層高速鋼 （ 2）硬質(zhì)合金： W 基硬質(zhì)合金： 普通硬質(zhì)合金 超微粒硬質(zhì)合金 涂層硬質(zhì)合金： 單涂層 多涂層 Ti 基硬質(zhì)合金 14 （ 3）陶瓷刀具材料： 純氧化鋁陶瓷 混合陶瓷： 氧化鋁 金屬系陶瓷 氧化鋁 碳化物系陶瓷 氧化鋁 碳化物 金屬系陶瓷 氮化硅陶瓷 （ 4）多晶復(fù)合立方氮化硼 （ 5）金剛石： 天然單晶金剛石 多晶復(fù)合人造金剛石 （ 6）其他：鑄造合金、難熔硬化物等 現(xiàn)今 刀具材料 的發(fā)展勢(shì)頭異常迅猛 ，以上粗淺的分類(lèi)方法 只是個(gè)大概，并不能涵蓋所有已經(jīng)出現(xiàn)的刀具材料。 YG 類(lèi)（≈ ISO 的 K 類(lèi)）：數(shù)字越大韌性越好；切鑄鐵、有色金屬、非金屬、高溫合金 YT 類(lèi)（≈ ISO 的 P 類(lèi)）：數(shù)字越小韌性越好；切碳素鋼、合金鋼 YW 類(lèi)（≈ ISO 的 M 類(lèi)）：數(shù)字越大韌性越好；切耐熱鋼、不銹鋼、普通鋼和鑄鐵 YN 類(lèi)：數(shù)字越大韌性越好；切鋼和鑄鐵 粗加工： 選韌性好、耐沖擊的材料 精加工： 選硬度高、耐高溫、細(xì) 晶粒的材料 牌號(hào)與選擇： 表 31 幾種常用的硬質(zhì)合金牌號(hào)、性能及使用范圍 16 硬質(zhì)合金刀 具 材料 的幾種改良方向 硬質(zhì)合金刀 具 材料在現(xiàn)代刀具材料中占有重要地位。m，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒 度為１～１ .５181。 由于上述晶粒細(xì)化工藝 方法仍不夠成熟，因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)過(guò)程中納米晶粒容易瘋長(zhǎng)成粗大晶粒，而晶粒普遍長(zhǎng)大將導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個(gè)的粗大ＷＣ晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。 目前 TiN 是涂層刀具使用的主要涂層 ,但傳統(tǒng)的氮化物涂層 (如 TiN)硬度較低 ,耐磨性較差 ,尤其熱穩(wěn)定性差 ,限制了其在干式切削刀具中的應(yīng)用。過(guò)去，硬質(zhì)合金表面涂層以 CVD 工藝為主，涂層溫度為 1000 ℃～ 1050 ℃；近年， PVD 工藝也在硬質(zhì)合金刀具涂層上得到廣泛應(yīng)用， 涂層溫度約為 500 ℃。 19 圖 31 典型的 溶膠 凝膠工藝流程 溶膠 凝膠法的應(yīng)用越來(lái)越廣闊 , 許多粉末制備的技術(shù)已投入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。如何解決硬質(zhì)合金刀具材料耐磨性與強(qiáng)韌性的矛盾還將會(huì)是 重要的研究課題。 （ 4）添 加稀有金屬 在硬質(zhì)合金材料中添加 等稀有金屬炭化物，可使添加物與原有硬質(zhì)相 WC， TiC 結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)，同時(shí)可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長(zhǎng)大，增強(qiáng)組織均勻性等作用，對(duì)提高硬質(zhì)合金的綜合性能有益處。此外，該類(lèi)硬質(zhì)合金在礦山工具，頂錘，拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景。晶須與基體界面之間必須有足夠的結(jié)合力，以使外界負(fù)載能有效