新型刀具材料

1．刀具材料发展趋势

研究表明，刀具费用占制造成本2．5％～4％，但它却直接影响占制造成本20％的机床费用和38％的人工费用，因此，进给速度和切削速度每提高15％～20％可降低制造成本10％～15％。这说明使用好刀具虽然会增加制造成本，但效率提高则会使机床费用和人工费用有更大的降低，使制造总成本降低。

随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多，现代刀具已不再局限于目前广泛使用的高速钢刀具和硬质合金刀具。伴随着切削刀具材料制造技术的日益成熟，市场竞争异常激烈，刀具行业的兼并或联合、机床制造业与切削刀具制造业的跨行业联合等，均极大地提高了开发新产品和开拓新市场的能力。在这些因素的影响下，促进了切削刀具材料的高速发展，硬质合金刀具应用范围继续扩大，碳氮化钛基硬质合金（金属陶瓷）、超细颗粒硬质合金、梯度结构硬质合金及硬质合金与高速钢两种粉末复合的材料等将代替相当一部分高速钢刀具，包括钻头、立铣刀、丝锥等简单通用刀具和齿轮滚刀、拉刀等精密复杂刀具，使这一类刀具的切削速度有很大的提高。硬质合金将在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的加工领域，其中硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一直处于主导地位。

陶瓷刀具、金刚石与立方氮化硼等超硬材料刀具、涂层刀具、复合材料刀具已成为今后的发展趋势，新型刀具材料的应用预示着切削效率将提高到一个新水平。金刚石和立方氮化硼等超硬刀具材料的高速发展为广泛采用新型硬韧材料和新型加工工艺提供了广阔的应用前景。

2．高速钢刀具材料的发展

近年来高速钢钢种发展很快，尤其以提高切削效率为目的而发展起来的高性能高速钢，国外高性能高速钢的使用比重已超过20％～30％，为了节约稀缺金属钨，与传统的W18Cr4V对应的高速钢已基本淘汰，代之以含钴高速钢和高钒钢。国内高性能高速钢的使用仅占高速钢使用总量的3％～5％。粉末冶金高速钢是用粉末冶金技术使高速钢内的各种高硬度材料分布更加均匀，从而使其力学性能得到很大提高，用其制作的刀具的耐用度比一般高速钢刀具提高3～5倍。

高速钢（HSS）的发展方向为：①发展各种少钨的通用型高速钢；②扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al（501）（由我国独创的高生产率高速钢）、W12Mo3Cr4VCo3N（Co3N）等钢种；③推广使用粉末冶金高速钢（PM HSS）和涂层高速钢。例如，用ERASTEEL公司生产的ASP2030PM HSS钢加Ti N涂层制造的插齿刀插削12Cr2Ni钢制齿轮时，刀具寿命比普通熔炼高速钢W6Mo5Cr4V2（M2）提高3～4倍。武汉大学研制出一种C3N4／Ti N薄膜，膜的硬度接近超硬材料，将其涂覆在高速钢钻头上可使钻头寿命大为提高。

3．硬质合金刀具材料的发展

硬质合金刀具材料的发展主要体现在：①细晶粒和超细晶粒材料的开发；②涂层技术的发展。

1）细晶粒和超细晶粒硬质合金材料的开发

细晶粒（1～0．5μm）和超细晶粒（＜0．5μm）硬质合金材料，由于硬质相和粘结相高度分散，增加了粘结面积，提高了粘结强度。因此，整体硬质合金刀具的开发使硬质合金的抗弯强度大为提高，可替代高速钢用于整体制造小规格钻头、立铣刀、丝锥等通用刀具，其切削速度和刀具寿命远超过高速钢。

目前，美国DOW化学公司采用改进的工艺技术，已能生产三种亚微米级（细晶粒为0．8μm，超细晶粒为0．4μm，极细颗粒为0．2μm）WC粉末。各种级别的粉末通过加入0．2％～0．6％的VC进行传统烧结，可有效地抑制硬质合金烧结时的晶粒长大，制作的合金可用来制作刀具。

目前细晶硬质合金正被大量用于制作印制电路板钻头（最小直径为1．5mm）、立铣刀和圆盘切断刀等精密刀具，使得这些刀具加工精度大为提高，刀具寿命也普遍提高。

我国在开发梯度结构硬质合金和超细晶粒硬质合金方面已取得长足的进步，并可实际应用于高速切削和干切削等加工场合。

2）涂层技术的发展

硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一直处于领先地位，现已发展到几十种，在涂层的化学稳定性、红硬性以及与基体的粘附性等方面取得了新的突破。涂层材料主要有Ti C、Ti N、Ti CN、Al2O3及其复合材料。涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50％。

（1）中低温CVD涂层

中温化学气相沉积（MTCVD）涂层与CVD涂层的区别是Ti CN层的结构不同。MTCVD法可得到较厚的细晶纤维状结构，而且消除在涂层过程中所产生的裂纹，在不降低刀具耐磨性或抗月牙洼磨损性能的前提下提高涂层的韧性和光洁度，从而改善了刀具在断续切削条件下的抗崩刃性能。

在韧性基体上进行中温Ti CN（厚膜）＋a—Al2O3＋Ti N涂层的复合涂层刀具，具有较强的抗侧面磨损性能，其切削速度达300m／min以上，已成功地用于铣削铸铁和不锈钢，具有代表性的牌号有山特维克公司的GC3032和GC4030、肯纳金属公司的KC992M、三菱综合材料公司的UE6005和UE6035等。

（2）PVD涂层

用PVD法现在已能涂碳氮化钛、铝钛氮化合物以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。现在采用磁控阴极溅射法，可以使沉积速度提高到3～10μm／h。日本住友公司的ZX超晶格涂层层数可达2000层，每层厚度仅为1μm，ZX涂层为Ti N与Al N的交互涂层，其硬度接近CBN烧结体的硬度。该涂层有很高的耐磨性、抗氧化性和抗脱落性，其寿命是Ti CN和Ti Al N涂层的2～3倍。

最新的Ti Al N涂层又进一步发展成Ti Al（CN）超复合涂层，如三菱综合材料公司的AP20M和AP10H牌号，瓦尔特公司的WXK15、WXM15和WXM25等牌号。

（3）CVD＋PVD混合涂层

随着机床主轴转速的不断提高，促进了新一代CVD－Ti CN＋PVD－Ti N混合涂层硬质合金材料的发展。CVD－Ti CN涂层具有较高的耐磨性，而PVD－Ti N具有压缩残余应力，这种刀具车削钛合金的速度比传统刀具要提高2倍。

4．金属陶瓷刀具材料的发展

金属陶瓷的发展方向是超细晶粒化和对其进行表面涂层。超细晶粒金属陶瓷可以提高切削速度，也可用来制造小尺寸刀具。以纳米Ti N质量分数为2％～15％改性的Ti C或Ti（C，N）基金属陶瓷刀具硬度高、耐磨性好，其热稳定性、导热性、耐蚀性、抗氧化性及高温硬度、高温强度等都有明显优势。

具有代表性的涂层金属陶瓷牌号有山特维克公司的CT1525和依斯卡公司的IC570等。这些金属陶瓷材料的特点是基体粘结相含量高，韧性好，切削更可靠、锋利，适合于各类合金钢、不锈钢和延性铁的高速精加工和半精加工，其加工效率和加工精度均有显著提高。

日本研制的Ti B2＋Ti（CN）＋Mo2Si B2金属陶瓷，其抗弯强度高达1300N／mm2，硬度高达2300HV，比超细硬质合金的硬度还高，是新一代金属陶瓷的代表。

日本三菱综合材料公司开发了NX1010牌号的细晶金属陶瓷，晶粒度约为0．8μm，其抗弯强度和硬度均有所提高，主要用于高速钢的精加工。

我国在开发Ti（C，N）基硬质合金（金属陶瓷）也取得了很大的进展，并可实际应用于高速切削和干切削等加工场合。

5．陶瓷刀具材料的发展

为避免陶瓷刀具与工件材料产生化学反应，可对韧性较好的陶瓷刀具进行涂层，能极大提高其使用寿命，拓宽其应用范围。对氮化硅陶瓷进行一层或多层（Ti C、Al2O3和Ti N等及其复合材料）化学涂层，可进一步改善其加工性能，极大地提高刀具抗侧面磨损性能。具有代表性的涂层氮化硅陶瓷牌号有山特维克公司的CC1690、住友公司的NS260C和三菱综合材料公司的XE9等。

对Al2O3－Si C陶瓷进行涂层的牌号有三菱综合材料公司的XD805（物理沉积Ti化合物涂层）、Cerasiv公司的SC7015（化学沉积Ti CN涂层）等。

一些国产的Si C晶须增强陶瓷刀片和复合氮化硅陶瓷刀片的性能已超过国外同类刀片的性能。如获国家发明二等奖的新型复合氮化硅刀片FD02和FD03，切削对比试验表明其切削寿命为Al2O3－Ti C（AT6）复合陶瓷刀具的6．38倍，为进口Al2O3－Zr O2增强陶瓷刀具的8．2倍，为K10（YG6）硬质合金刀具的78．3倍。

6．超硬刀具材料的发展

金刚石涂层硬质合金刀具是涂层技术发展的一项重大突破。首次应用这一新工具材料的是瑞典山特维克可乐满公司，其CD1810牌号采用精心设计的梯度烧结硬质合金作为基体，进行新型的等离子体活化化学气相沉积（PACVD）金刚石涂层，解决了涂层与基体粘结力较差的问题。

目前开发的不定形金刚石膜具有较低的摩擦因数、较高的硬度和热化学稳定性，与CVD涂层的金刚石膜的性能相当，是用于铣削和钻削非铁材料（如石墨、锻压铝、模铸铝和碳复合材料）的最经济实用的涂层，其价格比化学气相沉积金刚石涂层低10～20倍，且能对多种牌号和复杂形状的硬质合金基体进行涂层，并具有较好的膜－基体结合性。难点是要在三维切削刀具上沉积出厚度大于2μm的不定形金刚石膜，同时要求保持较高的硬度和较强的粘结力比较困难，因此正寻求突破难点的方法。

通过对CBN晶粒大小和粘结剂性能的改进，整体CBN烧结刀片的性能达到了聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片的性能。日本住友公司的BNX10牌号是目前市场上销售的CBN烧结体中耐磨性最好的品种，适合于HRC＞60的淬硬钢的高速连续切削加工，切削速度可达200m／min。

CBN多角复合刀片的问世是超硬材料开发的一大进步。现在将CBN切削刃直接复合到合金基体的指定部位上，提高了刀片的利用率，降低了加工成本。

近年来，我国在超硬刀具材料方面已开发出了包括CVD金刚石薄膜在内的涂层刀具和厚膜金刚石刀片、聚晶人造金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）等各种新型刀具材料，并可实际应用于高速切削和干切削等加工场合。