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简析刀具材料和性能
刀具材料应具备的性能
刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工成本、加工质量、以及刀具耐用度影响很大。
使用碳工具钢作为刀具材料时，切削速度只有10m/min左右;
20世纪初出现了高速钢刀具材料，切削速度提高到每分钟几十米;
30年代出现了硬质合金，切削速度提高到每分钟一百多米至几百米;
当前陶瓷刀具和超硬材料刀具的出现，使切削速度提高到每分钟一千米以上;
被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。
一、刀具材料应具备的性能
性能优良的刀具材料，是保证刀具高效工作的基本条件。
刀具切削部分在强烈摩擦、高压、高温下工作，应具备如下的基本要求。
高硬度和高耐磨性
刀具材料的硬度必须高于被加工材料的硬度才能切下金属，这是刀具材料必备的基本要求，现有刀具材料硬度都在60HRC以上。
刀具材料越硬，其耐磨性越好，但由于切削条件较复杂，材料的耐磨性还决定于它的化学成分和金相组织的稳定性。
足够的强度与冲击韧性
强度是指抵抗切削力的作用而不致于刀刃崩碎与刀杆折断所应具备的性能。
一般用抗弯强度来表示。
冲击韧性是指刀具材料在间断切削或有冲击的工作条件下保证不崩刃的能力，一般地，硬度越高，冲击韧性越低，材料越脆。
硬度和韧性是一对矛盾，也是刀具材料所应克服的一个关键。
高耐热性
耐热性又称红硬性，是衡量刀具材料性能的主要指标。
它综合反映了刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度、抗氧化、抗粘结和抗扩散的能力。
良好的工艺性和经济性
为了便于制造，刀具材料应有良好的工艺性，如锻造、热处理及磨削加工性能。
当然在制造和选用时应综合考虑经济性。
当前超硬材料及涂层刀具材料费用都较贵，但其使用寿命很长，在成批大量生产中，分摊到每个零件中的费用反而有所降低。
因此在选用时一定要综合考虑。
二、现代新型刀具材料
（一）高速钢
在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受成形加工，故能用以制造各种刀具。
在刀具材料总消耗量中高速钢几近一半。
传统的普通高速钢以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2为代表。
在钨系高速钢中，除MC，M2C，M23C外，M6C是其主要的碳化物，即Fe3W3C和Fe4W2C。
在钨钼系高速钢中，M6C为Fe3（W，Mo）3C和Fe4（W，Mo）2C。
所有的高速钢中，铬含量分数均保持在3.5%~4.5%，它是增大高速钢淬透性的主要元素。
在钢中形成Cr23C6。
钒含量分类增加，钢的耐磨性随之提高，但使刀具接受刃磨困难，且脆性增加。
钒的碳化物为VC与V4C3。
含V
1%~2%的高速钢用得最多；
V>
3%者用得较少，且忌作形状复杂的刀具。
加入钴元素后，可形成超硬高速钢。
钴不形成碳化物，但能提高淬火温度，增强二次硬化效果，提高高温硬度。
美国的M42（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）和瑞典的HSP-15（W9Mo3Cr4VCo10）都是性能优良的高钴超硬高速钢。
中国缺钴资源，钴价昂贵。
因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢。
Co5Si（W12Mo3Cr4V3Co5Si）是属于少钴者，新研制的Co3N（W12Mo3Cr4VCo3N）亦为少钴，性能都不错。
铝元素在钢中能生成Al2O3、AlN；
且起钉扎作用，阻止位错，从而提高了材料的硬度和强度。
中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面，做出了较大贡献。
用粉末冶金方法制造高速钢，可消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性，钒含量高时亦能较好地刃磨。
粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢。
国内掌握这方面的技术。
国外有粉末高速钢产品，钒含量高达6%~8%。
在高速钢的基体上，用物理气相沉积（PVD）法涂覆耐磨材料薄层（如TiN，TiAlN等），可显著提高刀具寿命和加工表面质量，降低切削力。
这种涂层高速钢刀具已得到广泛应用。
（二）硬质合金
硬质合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，通常分为：
切削铸铁的钨钴系列（K类，YG类），切削钢材的钨钛钴系列（P类，YT类），还有通用系列（M类，YW类）。
新型硬质合金有下列6类。
1．添加TaC和NbC的硬质合金
添加后能有效地提高常温硬度、高温强度和高温硬度，细化晶粒，提高抗扩散和抗氧化的能力。
此外，还能增强抗塑性变形的能力。
在合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。
在新型P，M，K类硬质合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶体，其化学稳定性高于WC和TiC。
在新型P，M，K类硬质合金中，很多是添加了TaC、NbC的。
2．细晶粒和超细晶粒硬质合金
粒细化后可提高合金的硬度和耐磨性，适当增加钴含量后还可以提高抗弯强度。
普通刀具牌号和合金平均晶粒尺寸为2~3
μm，细晶粒合金为1~2
μm，亚微细晶粒合金为0.5~1
μm，超细晶粒合金为0.5
μm以下。
早先的细晶粒和超细晶粒结构多用于K类合金，近年来P类、M类合金也向细化晶粒的方向发展。
我国硬质合金刀具已达细晶粒和亚微细晶粒的水平。
3．TiC基和Ti（C，N）基硬质合金金属陶瓷
YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量达65%~97%，并以Co为黏结剂，TiC基合金则以TiC为主要成分，占60%~80%以上，仅含少量WC，以Ni-Mo作黏结剂。
与WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削钢材时摩擦因数小，抗黏结与抗扩散的能力较强，但其韧性的抗塑变的能力稍弱。
Ti（C，N）基合金具有与TiC基合金相同的优点，但其韧性和抗塑变能力高于TiC基合金。
这类合金多用以加工未淬火的钢材。
4．添加稀土元素的硬质合金
加少量铈、钇等稀土元素，可以有效地提高合金的韧性与抗弯强度，耐磨性亦有一定提高。
这是因为稀土元素强化了硬质相和黏结相，净化了晶界，并改善了碳化物固溶体对黏结相的湿润性。
这类合金最适用于粗加工刀具牌号，亦可用于半精加工牌号；
在矿山工具、顶锤、拉丝模用硬质合金中亦有广阔发展前景。
我国稀土元素资源丰富，在硬质合金中添加稀土的研究有所领先。
P，M，K类合金都已研制出添加稀土的牌号。
5．表面涂层硬质合金
CVD或PVD等方法，在硬质合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti（C，N），Al2O3等薄层，形成涂层硬质合金。
非涂层硬质合金的力学、物理性能是硬质相和黏结相的综合性能，故其硬度和耐磨性低于硬质相自身的性能。
而少层硬质合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂层材料自身的性能，故可提高刀具寿命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面质量。
近20年来，涂层硬质合金刀具有了很大发展，在工业先进国家已在可转位刀具中占50%~60%以上。
涂层硬质合金的基体仍为WC基的硬质合金，要求有较高的韧性。
随着基体的不同，这类合金可作P类、M类或K类硬质合金使用，且适用范围较宽。
6．梯度硬质合金
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。
（三）涂层刀具
涂层刀具是近20年出现的一种新型刀具材料，是刀具发展中的一项重要突破，是解决刀具材料中硬度、耐磨与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。
涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得的。
常用的涂层材料有TiC、TiN和Al2O3等。
本世纪70年代初首次在硬质合金基体上涂覆一层碳化钛（TiC）后，把普通硬质合金的切削速度从80m/min提高到180m/min。
1976年又出现了碳化钛—氧化铝双涂层硬质合金，把切削速度提高到250m/min。
1981年又出现了碳化钛-氧化铝-氮化钴三涂层硬质合金，使切削速度提高到300m/min。
在高速钢基体上刀具涂层多为TiN，常用物理气相沉积法（PVD法）涂覆，一般用于钻头、丝锥、铣刀、滚刀等复杂刀具上，涂层厚度为几微米，涂层硬度可达80HRC，相当于一般硬质合金的硬度，耐用度可提高2—5倍，切削速度可提高20%-40%。
硬质合金的涂层是在韧性较好的硬质合金基体上，涂覆一层几微米至十几微米厚的高耐磨、难熔化的金属化合物，一般采用化学气相沉积法（CVD法）。
我国株洲硬质合金厂生产的涂层硬质合金的涂层厚度可达9µ
m，表面硬度可达2500-4200HV。
目前各工业发达国家对涂层刀具的研究和推广使用方面发展非常迅速。
处于领先地位的瑞典，在车削上使用涂层硬质合金刀片已占到70%-80%，在铣削方面已达到50%以上。
但是涂层刀具不适宜加工高温合金、钛合金及非金属材料，也不适宜粗加工有夹砂、硬皮的锻铸件。
（四）陶瓷
陶瓷刀具材料分为3类。
1．氧化铝基陶瓷
一般在Al2O3基体中加入TiC，WC，SiC，TaC和ZrO2等成分，经热压制成复合陶瓷。
硬度达HRA
93~95，抗弯强度达0.7~0.9
GPa。
为提高韧性，常添加少量的Co，Ni等金属。
2．氮化硅基陶瓷
用的是Si3N4+TiC+Co的氮化硅基复合陶瓷，其韧性常高于Al2O3基陶瓷。
硬度相当。
3．复合氮化硅-氧化铝陶瓷
化学成分约为Si3N4 77%，Al2O3 13%，Y2O3 10%，硬度可达HV
1800，抗弯强度可达1.20
这种陶瓷称赛阿龙（Sialon），最适宜切削高温合金与铸铁。
陶瓷的高温性能优于硬质合金，故适合用于高速切削。
Al2O3基和Si3N4基复合陶瓷都适合切削淬硬钢、高硬铸铁及一般铸铁；
Al2O3基复合陶瓷亦能有效地切削未淬硬钢料，而Si3N4基陶瓷切削一般钢材开始时磨损迅速。
（五）超硬刀具材料
超硬材料是指金刚石和立方氮化硼（CBN）。
它们的硬度比其他刀具材料高出好几倍。
金刚石是自然界中最硬的物质，CBN的硬度仅次于金刚石。
近年来，超硬刀具材料发展迅速。
金刚石刀具材料分为5类。
1．天然金刚石（ND）。
2．人造聚晶金刚石（PCD）。
以石墨为原料，经高温高压制成。
3．人造聚晶金刚石复合片（PCD/CC）。
以硬质合金为基底，表面有一层金刚石（约0.5
mm），制造方法与PCD相同。
4．金刚石薄膜涂层刀具（CD）。
用CVD工艺，在刀具表面涂覆一层约10~25
μm的薄膜。
5．金刚石厚膜刀具（TFD）。
亦采用CVD工艺，在另一基体上涂出0.2
mm以上的厚膜，再将厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬质合金刀片上使用。
ND的结晶各向异性，在进行刀磨的使用时必须选导致适宜的方向。
人造金刚石各向同性，其硬度低于ND，但强度与韧性高于ND。
金刚石刀具能够有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、硬质合金、各种纤维和颗粒加强复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和木材等，但金刚石忌切钢铁及其他铁族金属。
TFD有很好的综合性能，它兼有天然金刚石和人造聚晶金刚石的优点，与基底结合牢固，便于多次重磨，故有良好的应用价值和发展前景。
CBN的制造方法与PCD或PCD/CC相似。
以六方氮化硼为原料，经高温高压制成聚晶CBN或复合片CBN/CC。
CBN主要用于加工淬硬钢、高硬铸铁及其他硬金属与非金属材料。
用硬质合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料，寿命很短，或根本不能胜任，而超硬材料对之则轻而易举。
金刚石刀具能对有色金属实行超精密切削，是其独到之处。
展望强度最高的物质——石墨烯，氮化碳（β—C3N4）
用石墨制得的石墨烯堪称人类目前已知的强度最高的物质，发展前景令人神往。
它不仅可以开发制造出薄如纸片的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣，甚至还能为“太空电梯”缆线的制造打开希望之门。
但其前提是必须先解决宏量、可控制备的技术问题。
如何制备结构精确可控的石墨烯，是打破其应用瓶颈的关键。
这种石墨烯薄膜具有优良的场发射特性、低开启电场和阈值、良好的场发射稳定性和均匀性。
这种石墨烯是一个创新空间很大的全新领域，更是一个前沿交叉领域，有待不同领域科学家的协同努力。
国内探索步步为营，当前，我国科研人员正在石墨烯领域开展积极探索。
随着其各种特性被陆续发现，相信不久的将来就可以投入大批量、低成本的工业化生产。
中科院数字与系统科学研究院的计算结果表明，石墨烯的理想强度为110～121GPa，意味着这是人类已知的最为牢固的材料，可作为添加剂广泛应用到高强度复合材料之中。
可以想象如果我们能将这种材料运用于刀具上看，那在刀具的发展上将是个质的飞跃。
新近一种世界上最硬的新材料——氮化碳（β—C3N4）问世，迅速引起全世界科学界和工程技术界的强烈反响和巨大震动。
1993年7月，美国哈佛大学传出轰动性的科技新闻：
利用激光溅射技术研制成功氮化碳薄膜。
分析表明，新材料具有β—C3N4结构，而具有这种结构的晶体硬度将超过目前世界上最硬的金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。
制备氮化碳的实验是在1989年首先从理论上预言4年之后获得成功的。
在分析一系列超硬材料结构，如最硬的材料金刚石，体积弹性模量B高达435GPa（吉帕），立方氮化硼B=369GPa，以及硬度相对较低的碳化硅（SiC）、碳化硼（B4C）和氮化硅（Si3N4）等超硬材料后，发现其中β—Si3N4已经有大量的研究结果，于是提出以C取代Si会产生怎样的结果？
计算表明，得到的数据令人振奋，β—C3N4晶体的体积弹性模量B=483GPa！
而材料的体积弹性模量B的大小正是表征材料硬度高低的宏观物理量。
这就从理论上首次预言了氮化碳的硬度可能比以往世界上最硬的金刚石还要高。
在自然界，至今还没有发现天然存在的氮化碳晶体，而1993年竟在实验室人工合成硬度超过金刚石的这种新材料。
可以想象如果我们能将这种材料运用于刀具上看，在刀具的发展上将是个质的飞跃。
预计到21世纪，硬质合金的使用范围讲进一步扩大，高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的阵地。
由于资源、价格和性能的原因，到此材料亦将得到发展，代替一部分合金刀具。
然而，由于陶瓷的切削性能与硬质合金相比，差距不是那么巨大，加上其强度、韧性和可加工性的不足，未来陶瓷的发展不会像过去硬质合金替代高速钢那样迅猛。
超硬材料将得到更多的应用。
新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出讲越来越快。
在刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是主要矛盾。
有可能在21世纪中研制既具有高速钢，硬质合金的强度和韧性，有具有超硬质材料的硬度和耐磨性的刀具材料。
各种涂层刀具和复合结构都能在一定程序上克服上述矛盾，故极有发展前景。
在未来，刀具材料将接受工件一方及制造系统更新、更严峻的挑战。
心新品种的出现、个子所占比重的变化以及他们相互竞争和相互补充的局面，将成为为了刀具材料发展的特点。
目前，碳化物、氮化物。
氧化物和硼化物是的哦啊距材料的主体成分。
用石墨合成为人造聚晶金刚石已跳出了这个圈子。
近年武汉大学采用RF-PECVD法在麻花钻上涂覆C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，砖头使用寿命大为提高。
在21世纪里，刀具材料将有出人意料的心的飞跃发展。
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