刀具材料的发展现状和趋势

刀具材料的发展史，实际上就是不断提高刀具材料耐热性能的过程。

18世纪中叶，欧洲出现工业革命后，采用碳素工具钢为刀具材料，其成分与现代的 T10、T12相近，其切削温度在200~250℃，加工普通钢材的切削速度为5~8m/min，切削铸铁的速度为3~5m/min。1861年，英国的罗伯特·墨希特(Robert Mushet)发明了含钨的合金工具钢，能承受 350℃的切削温度，切削速度提高至8~12m/min。目前来说，基于碳素工具钢和合金工具钢的刀具材料已基本不用。

1898年，美国的机械工程师泰勒(Winslow Taylor)和冶金师怀特(Maun White)研制成功了高速工具钢，切削普通碳素钢的切削速度提高至25~30m/min。随后，经过不断改进材料成分，耐热性能提高至500~600℃，加工钢的切削速度提高至30~40mmin，切削铸铁的速度达15~20m/min。高速工具钢是目前为止仍然在使用的金属切削刀具材料之一，并不断得到改进，而且制备方式出现了变化，如粉末冶金高速工具钢和涂层高速工具钢等。

1925年，德国人史律泰尔发明了硬质合金，初期的WC-Co合金耐热性达800℃加工铸铁的效果较好，切削速度达到了40m/min 以上，但加工碳素钢的寿命较低。1931年发明了WC-TiC-Co合金，耐热性达到了900℃以上，加工碳素钢的切削速度达到了220m/min，二战中后期，随着使用范围的不断扩大，出现了添加熔点更高的TaC等的硬质合金WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金。20世纪50年代，出现了以TiC为基本成分的TiC-Ni-Mo合金，耐热性达到了1000~1200℃。目前为止，硬质合金刀具材料仍然是数控加工刀具的主流材料之一。

人类探索新型刀具材料的步伐永不停止，新型工程材料的出现需要研制与其相适应的刀具材料，新型机床制造技术为耐热性更高的刀具材料应用提供了可能，新型超硬刀具材料不断出现，如下所述。

1938年德国古萨公司首先取得刀具陶瓷的专利。但直到20世纪50年代初陶瓷才作为切削刀具被正式使用并逐步商品化。最初的陶瓷刀具主要成分为氧化铝(AL0)其耐热性在1200℃以上，由于其抗弯强度很低，冲击韧度和可靠性差而没有被推广使用。之后，出现了氮化硅SiN,陶瓷基体材料，并通过颗粒弥散、相变、晶须和协同增韧等方式改性陶瓷刀具材料，出现了Al₂0₃-TiC、Al₂0₃-TiN、Al₂0₃-TiC-ZrO₂以及 Si₃N₄-TiC、Si₃N₄-TiN、Si₃N₄-TiC-ZrO₂等混合陶瓷材料。

天然金刚石(Natural Diamond，简称ND)是人类目前已发现的最硬物质，其硬度高达10000HV，主要用于制备车削刀具，但其价格较高。随后，出现了人造金刚石刀具，如人造聚晶金刚石(Artificial Polycrystalline Diamond，简称PCD)、化学气相沉积涂层金刚石刀具(Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools，简称 CVD)等。金刚石材料的耐热性稍差，在700~800℃，但其可以刃得非常锋利，主要用于有色金属，如铝、高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等以及硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维、花岗岩、石墨、尼龙、强化塑料等非金属材料的加工。其寿命比硬质合金要提高150倍。

立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的第二种人造超硬材料，有单晶体立方氮化硼(Cubic Boron Nitride，简称CBN)和聚品体立方氮化硼(Polyerystalline Cubic Boron Nitride，简称PCBN)之分。其热稳定性好，耐热性可达到1400~1500℃，比金刚石的耐热性几乎高一倍，立方氮化硼(PCBN)刀具主要适合加工各种黑色金属及其合金材料;最适合于各种淬硬钢(碳素工具钢、轴承钢、模具钢、高速工具钢)珠光体灰口铸铁(钒钛铸铁)、冷硬铸铁、高温合金(镍基合金钴基合金)等材料的加工。

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速工具钢基体表面上(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物的刀具。刀具涂层技术是现代切削刀具表面改性的重要途径。涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%，在数控刀具中应用广泛。涂层的方法有化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，简称CVD和物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)。涂层材料已由最初单层的TiC、TiN、Al₂0₃等进入到厚膜、复合和多元涂层的新阶段。刀具涂层技术可提高刀具寿命3~5倍。