材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，允許的切削速度每隔10年幾乎提高一倍”。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1000m/min，使切削加工生產(chǎn)率在不到100 年時間內(nèi)提高了100多倍。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。
常規(guī)刀具材料的基本性能
1) 高速鋼
1898 年由美國機(jī)械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)發(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加入了較多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，其含碳量為0.7%——1.05%。高速鋼具有較高耐熱性，其切削溫度可達(dá)600℃，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，其切削速度可成倍提高。高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具，如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銑刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求；此外，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計其儲量只夠再開采使用40——60年，因此高速鋼材料面臨嚴(yán)峻的發(fā)展危機(jī)。
2) 陶瓷
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。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，其紅硬性比硬質(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。陶瓷材料的缺點是脆性大、橫向斷裂強(qiáng)度低、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進(jìn)行改進(jìn)的重點。
陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加入TiC、WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷刀具，其硬度可達(dá)93——95HRC，為提高韌性，常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為Si3N4+TiC+Co復(fù)合陶瓷，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當(dāng)。③氮化硅—氧化鋁復(fù)合陶瓷。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷，其化學(xué)成分為77%Si3N4+13%Al2O3，硬度可達(dá)1800HV，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.20GPa，最適合切削高溫合金和鑄鐵。
3) 金屬陶瓷
金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩(wěn)定，在自動化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)象，零件棱邊基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較差，易碎裂，因此使用范圍有限。
4) 超硬材料
人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度的材料統(tǒng)稱為超硬材料。金剛石是世界上已知的最硬物質(zhì)，并具有高導(dǎo)熱性、高絕緣性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高溫半導(dǎo)體特性等多種優(yōu)良性能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密加工，特別適合加工非金屬硬脆材料。1955年，美國GE公司采用高溫高壓法成功合成了人造金剛石，1966年又研制出人造聚晶金剛石復(fù)合片(PCD)，自此人造金剛石作為一類新型刀具材料得到迅速發(fā)展。但由于金剛石中的碳在高溫下易與鐵元素作用而迅速溶解，因此金剛石刀具不適合加工鐵基合金，從而大大限制了金剛石在金屬切削加工中的應(yīng)用。
4) 硬質(zhì)合金
硬質(zhì)合金由Schroter于1926年首先發(fā)明。經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具的硬度已達(dá)98——93HRA，在1000℃的高溫下仍具有較好的紅硬性，其耐用度是高速鋼刀具的幾十倍。
硬質(zhì)合金是由WC、TiC、TaC、NbC、VC等難熔金屬碳化物以及作為粘結(jié)劑的鐵族金屬用粉末冶金方法制備而成。與高速鋼相比，它具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性；與超硬材料相比，它具有較高的韌性。由于硬質(zhì)合金具有良好的綜合性能，因此在刀具行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，目前國外90%以上的車刀、55%以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金材料制造。
硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀
由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強(qiáng)韌性不易兼顧，因此使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進(jìn)一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面：
1) 細(xì)化晶粒
通過細(xì)化硬質(zhì)相晶粒度、增大硬質(zhì)相晶間表面積、增強(qiáng)晶粒間結(jié)合力，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性均得到提高。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、強(qiáng)度、耐磨性等均可提高，達(dá)到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3——5μm，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為1——1.5μm(微米級)，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達(dá)0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強(qiáng)度可提高600——800MPa。
常用的晶粒細(xì)化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子體沉積法、機(jī)械合金化法等。等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細(xì)化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中，并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出，且擠壓時的橫截面積不變。經(jīng)過ECAE工藝加工的粉體晶粒可明顯細(xì)化。
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)過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒，而晶粒普遍長大將導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的價格較為昂貴，對其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用。
2) 涂層硬質(zhì)合金
在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(HighVelocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強(qiáng)，刀具刃形和槽形穩(wěn)定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動控制；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化、精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。上述特點決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機(jī)集成制造系統(tǒng))等自動化加工設(shè)備。
但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題。
3) 表面、整體熱處理和循環(huán)熱處理
對強(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。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。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。
4) 添加稀有金屬
在硬質(zhì)合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物，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)，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大、增強(qiáng)組織均勻性等作用，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P、K、M類硬質(zhì)合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號中較多)。
5) 添加稀土元素
在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強(qiáng)度，耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強(qiáng)化硬質(zhì)相和粘結(jié)相，凈化晶界，并改善碳化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適合粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號。此外，該類硬質(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。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。
硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展思路
應(yīng)用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、納米粉復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)全面提高硬質(zhì)合金刀具材料的硬度、韌性等綜合性能，是硬質(zhì)合金刀具材料研究今后發(fā)展的重要方向。
1) 晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)
a. 增韌機(jī)理
由于硬質(zhì)合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此很難應(yīng)用于一些對刀具韌性要求較高的加工場合(如微型深孔鉆削等)。解決這一問題的一種有效方法是使用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。
加入硬質(zhì)合金材料中的晶須能吸收裂紋擴(kuò)展的能量，吸收能量的大小則由晶須與基體的結(jié)合狀態(tài)決定。晶須增韌機(jī)制主要表現(xiàn)為：①晶須拔出增韌：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。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)載能有效傳遞給晶須，但該結(jié)合力又不能太大，以便保持足夠的拔出長度。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，裂紋將偏離原來的前進(jìn)方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴(kuò)展。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。在基質(zhì)內(nèi)加入高彈性模量的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī)制。③晶須橋接增韌：當(dāng)基質(zhì)斷裂時，晶須可承受外界載荷并在斷開的裂紋面之間起到橋梁連接作用。橋接的晶須可對基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。
b. 晶須的選用及添加方式
目前常用的晶須材料主要有SiC、TiC、TiB2、Al2O3、MgO、氮化硼、莫來石等。但研究重點應(yīng)放在單晶SiC晶須材料上，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。
SiC晶須的添加方式主要有兩種：①外加晶須方式：將一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮化物等為基體的粉末材料中，通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方式目前使用較廣泛。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，在一定溫度和壓力下合成SiCw晶須，然后通過制造加工獲得晶須增韌制品。這種方法目前尚在進(jìn)一步研究開發(fā)之中。一般選用SiCw晶須的直徑范圍為0.01——3μm，長度范圍為0.1——300μm，晶須的長徑比取值為10，SiCw晶須添加量為5%——40%。我國目前使用的SiCw晶須特性見表1。
c.晶須的取向與含量
晶須增韌硬質(zhì)合金材料熱壓成形后，晶須的分布呈現(xiàn)出明顯的方向性，在不同方向上因晶須取向不同而表現(xiàn)出不同的增韌效果。因此，在制造硬質(zhì)合金刀片時應(yīng)考慮晶須取向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊憽４送猓琖C-Co-SiCw材料中的晶須含量不同，其增韌效果也有較大差異。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。因此，存在一個最佳晶須配比，按此配比添加晶須，不僅可獲得致密度高的材料，而且外載能通過界面?zhèn)鹘o晶須，有效實現(xiàn)晶須的增韌作用。為達(dá)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WC-Co-SiCw刀具進(jìn)行切削加工，以充分實現(xiàn)這種刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用。
2) 納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)
a.強(qiáng)化機(jī)理
納米技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術(shù)。當(dāng)材料的晶粒尺寸達(dá)到納米級，就會產(chǎn)生許多特異性能。由于納米材料具有較大界面，界面上的原子排列相當(dāng)混亂，在外力變形條件下極易遷移，因此使材料表現(xiàn)出良好的韌性與延展性。納米刀具材料的顯微結(jié)構(gòu)物相具有納米級尺度，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。
由于生產(chǎn)工藝不成熟、價格昂貴以及燒結(jié)過程中納米晶粒容易發(fā)生瘋長等原因，迄今世界上還沒有一家公司實現(xiàn)100nm粒度硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，納米硬質(zhì)合金材料的工業(yè)化應(yīng)用還有待時日。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。因此，采用納米復(fù)合強(qiáng)化是改善細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料性能的有效途徑。
b. 抑制劑的選擇
制備納米復(fù)合細(xì)晶粒硬質(zhì)合金時，一個重要問題是在燒結(jié)過程中如何抑制晶粒的長大。細(xì)晶粒硬質(zhì)合金在燒結(jié)時極易快速長大，晶粒長大會導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降，單個的粗大WC晶粒常常是硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。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。晶粒長大現(xiàn)象主要發(fā)生在WC的溶解沉淀過程中，即WC溶解在液相中并沉淀在較大WC晶體上而導(dǎo)致晶粒長大。抑制劑可抑制晶粒長大的一個重要機(jī)理在于加入抑制劑可降低WC在粘結(jié)相中的溶解度，使WC晶粒的溶解—析出機(jī)制受到阻礙，從而破壞晶粒長大的條件；同時，加入的抑制劑可沉積在WC晶粒的活化長大晶粒上，從而阻止晶粒進(jìn)一步長大。
通常用于控制WC晶粒長大的抑制劑有VC、Cr3C2等，此外，添加的難溶碳化物還有TiC、ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC等。圖1所示為制備WC-X-20%Co(X為添加的碳化物)硬質(zhì)合金時(1400℃下燒結(jié)1小時)WC的平均晶粒度與各種碳化物單獨添加量之間的關(guān)系。由圖可見，各種碳化物抑制劑控制WC晶粒長大的效果順序為：VC>Mo2C>Cr3C2>NbC>TaC>TiC>ZrC>HfC，其中VC的抑制效果最明顯，而添加微量Mo2C和Cr3C2則幾乎沒有抑制WC晶粒長大的作用。
c. 抑制劑添加方式
抑制劑的添加方式對超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響極大。在添加量相同的條件下，以單質(zhì)形式加入抑制劑通常可使硬質(zhì)合金材料的孔隙度更高、晶粒更細(xì)；而以固溶體形式加入抑制劑時，硬質(zhì)合金材料的孔隙相對較少、晶粒較粗。按不同方式添加抑制劑的WC-8%Co硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)見表2。可知，以固溶體形式添加抑制劑的硬質(zhì)合金各項性能指標(biāo)較好，材料抗彎強(qiáng)度有較大提高。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，#0 向!0 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)造成較大微觀應(yīng)變，從而影響硬質(zhì)合金的機(jī)械物理性能。如以固溶體形式添加VC抑制劑，WC、VC同時向Co相內(nèi)擴(kuò)散，V的溶解量有所減少，而W的溶解量增加，孔隙充填更為容易，但同時也使VC的抑制作用下降；在冷卻過程中，由于部分VC已經(jīng)以(W，V)C的形式存在，使晶粒內(nèi)部的應(yīng)變減小，晶粒生長更趨完整，從而提高了硬質(zhì)合金的機(jī)械物理性能。
來源：粉末冶金及硬質(zhì)合金展
