【正文】 iC、 TiN、 Al2O3，進(jìn)入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。 近幾年國際上對涂層高速鋼的研究也一直沒有中斷過 ,現(xiàn)在就有幾條這方面很新很尖端 的英語資訊。而高速鋼基體的硬度僅為HV800～ 850。 涂層高速鋼 刀具 約在 1980 年出現(xiàn)在國際市場。還存在多次高溫加熱后粗大組織的遺傳，使最后的淬火組織不正常，易出現(xiàn)過熱或欠熱現(xiàn)象。通過后續(xù)高溫淬火和高溫回火，使表面達(dá)到高速鋼的性能。 70 年代以后，由于合金資源短缺日趨嚴(yán)重，低合金高性能高速鋼的發(fā)展引起了 全世界的普遍貢視。日本著名的 OSG 公司用粉末冶金高速鋼制造了鉆頭、銑刀、絲錐， NACHI 公司制造了滾刀、插齒刀、剃齒刀。碳化物 顆粒均勻分布的表面較大，不易從刀具的切削刃上剝落，小尺寸刀具耐磨性提高 倍，大尺寸刀具提高 2030%。 與普通高速鋼的冶煉相比， 粉末冶金高速鋼的冶煉更具有其特殊性和先進(jìn)性 。鋁能夠提高鎢、鉬在鋼中的溶解度，從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，由于鋁化合物在鋼中能起 扎釘 作用，故鋼的常溫、 高溫硬度和耐磨性均得以提高 ，強(qiáng)度和韌性也都比較高，切削性能與 M42 相當(dāng)。鈷含量高、價格昂 貴，不適合中國國情。 高性能高速鋼 在通用型高速鋼的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整基本化學(xué)成分并添加其他合金元素， 使其常溫與高溫力學(xué)性能得到顯著提高 ，便可得到 高性能高速鋼。 [14] 20 世紀(jì)中葉以后，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，各種難加工材料不斷涌現(xiàn)，通用高速鋼的性能已不復(fù)使用， 于是高性能高速鋼和粉末冶金高速鋼相繼出現(xiàn) ，使高速鋼刀具材料的性能得到了很大提高。這三種高速鋼的切削性能和力學(xué)性能近似，稱為通用型。一般選擇原則是： 一） 當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性較好時， 應(yīng)以耐磨性 、耐熱性為主 。鉻對鋼的淬透性、抗氧化性和耐磨性起重要作 用，對二次硬化也有一定的作用。由于其具有紅硬性高、耐磨性好、強(qiáng)度高等特性，也用于制造性能要求高的模具、軋輥、高溫軸承和高溫彈簧等。 硬質(zhì)合金刀具材料小結(jié) 硬質(zhì)合金刀具材料相比高速鋼刀具材料，它的優(yōu)點在于 更高的硬度、耐磨性、耐高溫性及抗腐蝕性等，可以滿足更高的切削速度，具有更長的壽命。 （ 3）抑制添加方式 抑制劑的添加方式對超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響極大。此外，彌散在硬質(zhì)合金基體材料中的納米顆?？梢种朴操|(zhì)合金晶粒在燒結(jié)過程中的長大，綜合提高硬質(zhì)合金材料的機(jī)械性能。納米刀具材料的顯微結(jié)構(gòu)物具有納米級尺度， 由于尺寸效應(yīng)的作用，晶界面積增大 ，抗裂紋擴(kuò)張阻力提高，從而可獲得優(yōu)異的力學(xué)性能（如斷裂韌性，抗彎強(qiáng)度，硬度等），表現(xiàn)出良好的切削性能。如晶須含量過多，會因燒結(jié)困難而難以獲得致密度高的材料組織，從而影響硬質(zhì)合金材料強(qiáng)度；如晶須含量過少，則晶須增韌效果不明顯，材料斷裂韌性提高有限，晶須可能非但起不到增韌作用，反而成為多余夾雜物甚至缺陷源。晶須的長徑比取值 10。但研究重點應(yīng)放在單晶 SiC 晶須上，這是由于 SiC 本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀（針狀） SiC 粉末體較易獲得。晶須增韌機(jī)制主要表現(xiàn)為： 1）晶須在外界負(fù)載作用下從基質(zhì)中拔出時，因界面摩擦而消 耗掉一部分外界負(fù)載能量，從而達(dá)到增韌目的，其增韌效果受晶須與界面滑動阻力的影響。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適應(yīng)粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號。加深理論方面的研究和做好試驗跟進(jìn)，是提高熱處理的技術(shù)的重要手段。可正如同再好的青銅劍也不如鋼劍一樣，涂層硬質(zhì)合金刀具的使用范圍也有限，而且只是改變了表面的性能，所以更好的解決辦法還是提高硬質(zhì)合金刀具材料自身的性能。在溶膠形成后也可以直接做成薄膜或纖維。 [11] 30 余年來，涂層技術(shù)不斷發(fā)展， 表面涂層硬質(zhì)合金刀具的使用性能不斷提高，得到了廣泛應(yīng)用。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料性和抗沖擊性較差的問題。經(jīng)過ＥＣＡＥ工藝加工的粉體晶粒可明顯細(xì)化。普通硬質(zhì)合金晶粒度為 3～ 5181。 M 類相當(dāng)于我國原鎢鈦鉭鈷類通用合金，主要成分為 WC+TiC+TaC(NbC) 15 十 Co，代號為 YW。 刀具材料的分類 刀具材料通常分為六大類，包括若干系列。此外，隨著經(jīng)濟(jì)體制改革，一些工具企業(yè)面向用戶開發(fā)“量體裁衣”的非標(biāo)產(chǎn)品，承接生產(chǎn)線成套刀具開發(fā)項目，朝著與市場結(jié)合、為用戶服務(wù)的方向積極轉(zhuǎn)換經(jīng)營機(jī)制。高性能、 高可靠性、 高強(qiáng)度以及高耐熱、抗震性能的刀具是高速切削刀具發(fā)展的重點 , 納米復(fù)合與涂層、 剃度功能和多種增韌增強(qiáng)協(xié)同作用 11 的刀具材料將是高速刀具研究的發(fā)展方向 [8]。相對于開發(fā)全新的刀具材料，對現(xiàn)有材料進(jìn)行改進(jìn)，使其在性能上去蕪存菁無疑是更為實際和經(jīng)濟(jì)的做法。 20 世紀(jì) 70 年代初 , 美國 GE 公司研制成功聚晶金剛石 ( PCD)刀片以后 , 在很多場合下天然金剛石刀具已經(jīng)被人造聚晶金剛石所代替。天然單晶金剛石刀具經(jīng)過精細(xì)研磨 , 刃口能磨得極其鋒利 , 刃口半徑可達(dá) m, 能實現(xiàn)超薄切削。比較而言， Al2O3 的含量為 8%~12% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） ， 材料的綜合力學(xué)性能比較好Al2O3 的 含量 12%時的力學(xué)性能：強(qiáng)度 900 MPa，硬度 GPa。 Si3N4 相比 , Sialon 陶瓷刀具的抗氧化能力、 化學(xué)穩(wěn)定性、 抗蠕變能力與耐磨性能更高 , 耐熱溫度高達(dá)1300℃以上 , 具有較好的抗塑性變形能力 , 其沖擊強(qiáng)度接近于涂層硬質(zhì)合金刀具。長期以來 ,應(yīng)用切削液一直是提高刀具壽命和加工質(zhì)量的重要工藝因素 ,但也導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化 ,而且也增加了制造成本。 氮化硅陶瓷和涂層氮化硅陶 瓷的開發(fā)。 7 第 二 章 刀具材料以及刀具 結(jié)構(gòu) 的發(fā)展 刀具材料的新發(fā)展及實用前景 實踐證明，在影響金屬切削技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，刀具材料的發(fā)展起著 決定性的作用。 研究手段、方式、方法 刀具材料正處在一個發(fā)展迅速，日新月異的時期。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。 在制造業(yè)的整個體系中，機(jī)械制造業(yè)是向所有 制造業(yè)提供技術(shù)裝備的行業(yè)，因此發(fā)展機(jī)械制造技術(shù)是發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，被放在優(yōu)先發(fā)展的地位。合理選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也是決定刀具使用性能的先決條件。 本文以車刀為代表，介紹了一般可轉(zhuǎn)位刀具的設(shè)計過程和設(shè)計原則。我國的制造業(yè)還算不上非常發(fā)達(dá)，特別是在機(jī)械制造業(yè)最為重要的刀具的材料方面，還存在著許許多多的問題。因此可以說，刀具材料的發(fā)展歷程實際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。 由于目前我搜集到的關(guān)于這兩種刀具材料的資料不少 ，我決定選出其中具有前沿性和 代表性的資料，以資 料分析的方式來進(jìn)行研究，得出自己的看法和結(jié)論。硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具幾乎覆蓋了所有的刀具品種，進(jìn)一步取代高速鋼刀具，并且由于材料性能和制造技術(shù)的提高，其切削性能得到了很大改善。因此，加工鋼材 時，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的 10~20 倍，其紅硬制比硬質(zhì)合金高2~6 倍，且化學(xué)穩(wěn)定性， 抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金 。據(jù)測 ,一般情況下 ,如減少切削液的使用可以節(jié)省 10%～ 15% 的加工成本。 它使高速精加工領(lǐng)域和淬火鋼等難加工領(lǐng)域的切削速度和切削效率提高 。尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中 , 諸如轎車發(fā)動機(jī)缸體、 缸蓋、 變速箱和各種活塞等的加工中 , 金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具。主要用于銅及銅合金、 鋁及鋁合金以及金、 銀等貴重金屬特殊工件的超精加工。PCD 原料來源豐富 , 其價格只有天然金剛石的幾十分之 一至十幾分之一。 高速切削 的發(fā)展 高速切削加工要求刀具材學(xué)親合力要小 , 并具有優(yōu)異的機(jī)沖擊和耐磨損。此外，鈦基硬質(zhì)合金、 34SiN 、 CBN、 PCD 等超硬材料刀具已經(jīng)推廣應(yīng)用，可轉(zhuǎn)位刀具的推廣工作也取得了顯著成績。 可以這么說，我國金屬切削的水平距離德國這類機(jī)械加工強(qiáng)國還是有一定差距的，我有兩個去德國留學(xué)的同學(xué)， 據(jù)他們所說 （都是咱西工大的學(xué)生，應(yīng)該有些可信度吧），撇開刀具材料，光是刀具的熱處理這一項上，我們就處在了需要努力追趕的位置。 （另： 上述 分類并不是按照同一種標(biāo)準(zhǔn) ，比如高速鋼的分類，就是好幾種分類標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在也都羅列了出來） 硬質(zhì)合金分類及標(biāo)志 按 GB2075— 87(參照采用 190 標(biāo)準(zhǔn) )可分為 P、 M、 K 三類， P 類硬質(zhì)合金主要用于加工長切屑的黑色金屬，用藍(lán)色作標(biāo)志； M 類主要用于加工黑色金屬和有色金屬，用黃色作標(biāo)志，又稱通用硬質(zhì)合金， K 類主要用于加工短切屑的黑色金屬、有色金屬和非金屬材料，用紅色作標(biāo)志?？梢员雀咚黉摮蓴?shù)倍的提高切削速度、生產(chǎn)效率及使用壽命。m以下（亞微米，納微米）。 17 此種方法是通過細(xì)化晶粒來達(dá)到提高性能的目的，但目前的狀況是相對成熟的技術(shù)不經(jīng)濟(jì)，相對經(jīng)濟(jì)的技術(shù)不成熟，但這是個很有希望很有前途的研究方向，納米技術(shù)等尖端技術(shù)的發(fā)展也將推動這個方向的研究。通過引入合金元素 (如 Al、 Zr、 Cr、 V 等 )到TiN 涂層 ,形成新的多元涂層體系 ,可提高涂層硬度 ,改善涂層的抗磨損性和熱穩(wěn)定性。早期，硬質(zhì)合金刀具表面涂層以單層為主，涂層材料用 TiC、 TiN、 Al2O TiCN 等。 采用金屬醇鹽、 絡(luò)合物溶膠制備復(fù)合材料 , 通過加入絡(luò)合劑調(diào)節(jié)水解合醇解活性 , 達(dá)到不同金屬離子共沉積的目的。對耐磨性較好但強(qiáng)韌性較差的硬質(zhì)合金進(jìn)行整體熱處理，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)，降低 WC 硬質(zhì)相的鄰接度，從而提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性。 添加稀有金屬碳化物是提高性能的方法之一，同時也提高了成本。 這種技術(shù)很適合我國的國情，白云鄂博的稀土藏量巨大，我國有條件也有能力在這方面做出突破，拉近和 發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平差距。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有更大的斷裂表面，因此可吸收更多外界能量，從而起到增韌作用。 2）合成晶須方式：將粉末基體與 SiO2，碳黑，燒結(jié)助劑等混合后，在一定溫度和壓力合成 SiC 晶須，然后通過制造加工獲得晶須增韌制品。 表 32 SiCw 晶須的特性 Si含量 67%~69% C含量 27%~30% 游離 Si %~% 游離 C %~% O含量 %~% 晶須直徑（ 181。 這種技術(shù)的原理說簡單點，就是往硬質(zhì)合金的混凝土中添加晶須“鋼 筋”，使其同時獲得 硬度和韌性。但是人們發(fā)現(xiàn)，在細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基體中加入納米顆粒，也可使硬質(zhì)合金基體材料的硬度，韌性等綜合性能有較大提高。通過添加抑制劑能有效阻止燒結(jié)過程中 WC晶粒的長大，而消除 WC晶粒局部長大的關(guān)鍵在于抑制劑的均勻分布。以 VC 為例，如以單質(zhì)形式添加， VC 更容易溶解于 Co相中，從而減少了 W 的溶解量； VC 排列在 WC/Co界面上，可阻止晶粒長大，并 使晶粒生長不完整；在冷卻過程中， VC向 WC 晶粒擴(kuò)散，形成（ W， V） C固溶體，由于形成固溶體時間短，在晶粒內(nèi)造成較大微觀 25 應(yīng)變，從而影響硬質(zhì)合金的機(jī)械物理性能?，F(xiàn)在硬質(zhì)合金的發(fā)展和改進(jìn)的目標(biāo)就在于能否成功融合耐磨性和韌性。這類鋼屬于高碳高合金萊氏體鋼，其主要的組織特征之一是含有大量的碳化物。高速工具鋼淬火后硬度升高，此為第一次硬化，但淬火溫度越高，則回火后的強(qiáng)度和韌性越低。 W10Mo4Cr4 V3Co10 HS104 310 67～ 69 2350 W2Mo9Cr4 V2Co5 HS291 8 66～ 68 2700 ～ 3800 ～ 55 W7Mo4Cr4 V2Co5 HS742 5 66～ 68 2500 ～ 3000 ～ 54 W12Cr4V5 Co5 HS12 115 66～ 68 3000 54 W6Mo5Cr4 V2Al 66～ 69 3000 ～ 4100 ～ 55 ～ 56 性能與含鈷高速鋼相當(dāng)，可加工高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鈦合金等。高速鋼的特點是性能穩(wěn)定，可成形加工，韌性好，各類被加工材料均可以較低的速度、進(jìn)給量、背吃刀量用高速鋼刀具加工，目前高速鋼材料 尚在各類刀具中使用，齒輪刀具與拉刀的材料仍以高速鋼為主。 河冶科技公司和江蘇天工工具公司是國內(nèi)生產(chǎn)高速鋼的大戶 ，他們占有全國高速鋼產(chǎn)量中的極大份額 。這個鋼 種的切削性能雖不及高鈷、釩高速鋼，但價格便宜，切削刃可以刃磨得很鋒利，故有應(yīng)用價值。高釩高速鋼的耐熱性也好，但高釩高速鋼的刃磨加工性差，導(dǎo)熱性也不好， 沖擊韌性較低 ，故不宜用于復(fù)雜刀具。 501 在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在國外也得到應(yīng)用。碳化物晶粒極細(xì)，小于 ，而熔煉高速鋼碳化物晶粒為 。 它的碳化物偏析小，晶粒細(xì)，可磨性好，適合制造：大 尺寸刀具、精密刀具、復(fù)雜刀具。 但其高造價是個阻礙其大量推廣使用的桎梏。合金元素總量只占高速鋼的 1/2 一 1/3。滲層碳化物是在較低的溫度下固態(tài)形成，屬二次碳化物 (相對于從結(jié)晶中析出的碳化物而言 )，較易溶入奧氏體中，可充分的發(fā)揮合金元素的作用 。 涂層高速鋼 優(yōu)勢及發(fā)展 在高速鋼 刀具 的基體上，用物理氣相沉積方法 (PVD)，涂覆耐磨材料薄層，可以大幅度地提高高速 鋼刀具 的使用性能 。我國對涂層高速鋼 刀具 的研究從 80 年代開始。 TiN涂層只是目前技術(shù)發(fā)展最完善的涂層技術(shù) 。 [18] 3）對 M2, ASP23, ASP30 三種高速鋼材料進(jìn)行激光表面熔化處理后， 研究者們對其進(jìn)行了包括顯微結(jié)構(gòu)和電化學(xué)腐蝕在內(nèi)的多項研究 ，結(jié)果