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)鍵作用。20世紀(jì)是刀具材料大發(fā)展的歷史時(shí)期。各種難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，先進(jìn)制造系統(tǒng)、高速切削、超精密加工、綠色制造的發(fā)展和付諸實(shí)用，都對刀具提出了更高、更新的要求，預(yù)計(jì)，在今后很長時(shí)期內(nèi)，切削加工工藝不會衰退，刀具和刀具材料將有更新的發(fā)展。

       1 .刀具材料的發(fā)展歷史

       用石料或銅合金來作為刀具材料，那是古代的事。18世紀(jì)中葉，在歐洲出現(xiàn)了工業(yè)革命以后，切削刀具一直是用碳素工具鋼制造，其成分與現(xiàn)代的T10、T12相近。碳素工具鋼有較高的硬度，切削刃能夠磨得很鋒利，但只能承受200～250℃的切削溫度，用以切削普通鋼材只能用5～8 m/min的切削速度，故切削效率很低。1865年，英國羅伯特·墨希特（Robert Mushet）發(fā)明了合金工具鋼，其牌號有9CrSi、CrWMn等，能承受350 ℃的切削溫度，切削速度可提高到8～12 m/min。隨著機(jī)器生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對加工效率的要求日益提高，上述兩種工具鋼材料的性能已不敷要求。1898年，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)明了高速鋼。當(dāng)時(shí)的成分是：C0.67%，W18.91%，Cr5.47%，Mn0.11%，V0.29%，F(xiàn)e余量。它能承受550～600 ℃切削溫度，切削普通鋼材，可采用25～30m/min的切削速度。高速鋼的出現(xiàn)，使切削速度和切削效率比碳素工具鋼、合金工具鋼分別提高了4倍和2.5倍以上。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，高速鋼曾使切削水平出現(xiàn)了一個(gè)飛躍，使美國和世界各國的機(jī)械制造業(yè)得到迅速發(fā)展，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　隨著人類生活、生產(chǎn)水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高加工效率和高加工質(zhì)量的新要求。人們尋求性能更高的新型刀具材料。20世紀(jì)20年代中期到30年代初，出現(xiàn)了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金常溫硬度達(dá)HRA89～93，能承受800～900℃以上的切削溫度，切削速度為高速刀具的3～5倍，因而逐漸得到應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于大批量、高效率生產(chǎn)兵器的需要，美、英、蘇、德各國已部分使用硬質(zhì)合金刀具：二戰(zhàn)后逐步擴(kuò)大使用。解放后，我國從蘇聯(lián)引進(jìn)少量硬質(zhì)合金。20世紀(jì)50年代中期以后，開始自行生產(chǎn)并廣泛使用。20世紀(jì)后半期，工件材料的力學(xué)性能不斷提高，產(chǎn)品的品種和批量逐漸增多，加工精度的要求日益提高，工件的結(jié)構(gòu)和形狀不斷復(fù)雜化和多樣化，對刀具提出了更新、更高的要求，硬質(zhì)合金刀具在這些新的要求中發(fā)揮了重大作用。而且硬質(zhì)合金本身也有發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種，其性能不斷提高。但硬質(zhì)合金較脆，韌性不足，可加工性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高速鋼，開始時(shí)只能用于車刀和銑刀，后擴(kuò)大到其他刀具，但不能用于所有的刀具。正因如此，高速鋼能制造各種類型的刀具，始終占領(lǐng)著很大的陣地。而高速鋼也發(fā)展了很多新品種，切削性能比起初的普通高速鋼有了很大提高。到近年，高速鋼和硬質(zhì)合金仍是用得最多的兩種刀具材料，硬質(zhì)合金稍過半數(shù)。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)，硬質(zhì)合金竟然占領(lǐng)了如此廣闊的陣地，是人們在當(dāng)初所預(yù)料不到的。

　　硬質(zhì)合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相繼出現(xiàn)。20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷，后來又有氮化硅陶瓷。到50年代和60年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金鋼石，它們的硬度大幅度地高于其他刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬質(zhì)合金，但其韌性和可加工性則遜于硬質(zhì)合金。

       綜上所述，20世紀(jì)中，刀具材料發(fā)展的速度比過去快得多。百花齊放，推陳出新，令人眼花繚亂，目不暇接。其品種、類型、數(shù)量和性能均比過去有大幅度的發(fā)展，推動著人類物質(zhì)文明迅速前進(jìn)。

       2 .現(xiàn)代新型刀具材料

       1）高速鋼

       在現(xiàn)代切削加工中，高速鋼的性能已不夠先進(jìn)，但因其穩(wěn)定性好，能接受成形加工，故能用以制造各種刀具。在刀具材料總消耗量中高速鋼幾近一半。傳統(tǒng)的普通高速鋼以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2為代表。在鎢系高速鋼中，除MC，M2C，M23C外，M6C是其主要的碳化物，即Fe3W3C和Fe4W2C。在鎢鉬系高速鋼中，M6C為Fe3（W，Mo）3C和Fe4（W，Mo）2C。所有的高速鋼中，鉻含量分?jǐn)?shù)均保持在3.5%～4.5%，它是增大高速鋼淬透性的主要元素。在鋼中形成Cr23C6。釩含量分類增加，鋼的耐磨性隨之提高，但使刀具接受刃磨困難，且脆性增加。釩的碳化物為VC與V4C3。含V1%～2%的高速鋼用得最多；V＞3%者用得較少，且忌作形狀復(fù)雜的刀具。加入鈷元素后，可形成超硬高速鋼。鈷不形成碳化物，但能提高淬火溫度，增強(qiáng)二次硬化效果，提高高溫硬度。美國的M42（110W1.5Mo9.5Cr4VCo8）和瑞典的HSP-15（W9Mo3Cr4VCo10）都是性能優(yōu)良的高鈷超硬高速鋼。中國缺鈷資源，鈷價(jià)昂貴。因而研制了無鈷或少鈷的超硬高速鋼。Co5Si（W12Mo3Cr4V3Co5Si）是屬于少鈷者，新研制的Co3N（W12Mo3Cr4VCo3N）亦為少鈷，性能都不錯(cuò)。鋁元素在鋼中能生成Al2O3、AlN；且起釘扎作用，阻止位錯(cuò)，從而提高了材料的硬度和強(qiáng)度。中國在發(fā)展無鈷、少鈷超硬高速鋼方面，做出了較大貢獻(xiàn)。

       粉末高速鋼

       用粉末冶金方法制造高速鋼，可消除碳化物偏析，提高鋼的硬度和韌性，釩含量高時(shí)亦能較好地刃磨。粉末高速鋼的切能性能優(yōu)于熔煉高速鋼。國內(nèi)掌握這方面的技術(shù)。國外有粉末高速鋼產(chǎn)品，釩含量高達(dá)6%～8%。

       在高速鋼的基體上，用物理氣相沉積（PVD）法涂覆耐磨材料薄層（如TiN，TiAlN等），可顯著提高刀具壽命和加工表面質(zhì)量，降低切削力。這種涂層高速鋼刀具已得到廣泛應(yīng)用。

       2）硬質(zhì)合金

       硬質(zhì)合金是碳化物（WC、TiC等）的粉末冶金制品，通常分為：切削鑄鐵的鎢鈷系列（K類，YG類），切削鋼材的鎢鈦鈷系列（P類，YT類），還有通用系列（M類，YW類）。新型硬質(zhì)合金有下列6類。

       添加TaC和NbC的硬質(zhì)合金

       添加后能有效地提高常溫硬度、高溫強(qiáng)度和高溫硬度，細(xì)化晶粒，提高抗擴(kuò)散和抗氧化的能力。此外，還能增強(qiáng)抗塑性變形的能力。在合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶體，其化學(xué)穩(wěn)定性高于WC和TiC。在新型P，M，K類硬質(zhì)合金中形成（W，Ta，Nb）C固溶體，其化學(xué)穩(wěn)定性高于WC和TiC。在新型P，M，K類硬質(zhì)合金中，很多是添加了TaC、NbC的。

       細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金

       粒細(xì)化后可提高合金的硬度和耐磨性，適當(dāng)增加鈷含量后還可以提高抗彎強(qiáng)度。普通刀具牌號和合金平均晶粒尺寸為2～3μm，細(xì)晶粒合金為1～2μm，亞微細(xì)晶粒合金為0.5～1μm，超細(xì)晶粒合金為0.5μm以下。早先的細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)多用于K類合金，近年來P類、M類合金也向細(xì)化晶粒的方向發(fā)展。我國硬質(zhì)合金刀具已達(dá)細(xì)晶粒和亞微細(xì)晶粒的水平。

       TiC基和Ti（C，N）基硬質(zhì)合金金屬陶瓷YT，YG，YW合金中，WC是主要成分，其含量達(dá)65%～97%，并以Co為黏結(jié)劑，TiC基合金則以TiC為主要成分，占60%～80%以上，僅含少量WC，以Ni-Mo作黏結(jié)劑。與WC基合金相比，TiC基合金的密度小，硬度更高，切削鋼材時(shí)摩擦因數(shù)小，抗黏結(jié)與抗擴(kuò)散的能力較強(qiáng)，但其韌性的抗塑變的能力稍弱。Ti（C，N）基合金具有與TiC基合金相同的優(yōu)點(diǎn)，但其韌性和抗塑變能力高于TiC基合金。這類合金多用以加工未淬火的鋼材。

       添加稀土元素的硬質(zhì)合金

       加少量鈰、釔等稀土元素，可以有效地提高合金的韌性與抗彎強(qiáng)度，耐磨性亦有一定提高。這是因?yàn)橄⊥猎貜?qiáng)化了硬質(zhì)相和黏結(jié)相，凈化了晶界，并改善了碳化物固溶體對黏結(jié)相的濕潤性。這類合金最適用于粗加工刀具牌號，亦可用于半精加工牌號；在礦山工具、頂錘、拉絲模用硬質(zhì)合金中亦有廣闊發(fā)展前景。我國稀土元素資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土的研究有所領(lǐng)先。P，M，K類合金都已研制出添加稀土的牌號。

       表面涂層硬質(zhì)合金

       CVD或PVD等方法，在硬質(zhì)合金刀片表面上涂覆TiC，TiN，Ti（C，N），Al2O3等薄層，形成涂層硬質(zhì)合金。非涂層硬質(zhì)合金的力學(xué)、物理性能是硬質(zhì)相和黏結(jié)相的綜合性能，故其硬度和耐磨性低于硬質(zhì)相自身的性能。而少層硬質(zhì)合金的表面硬度和耐磨性完全反映TiC等涂層材料自身的性能，故可提高刀具壽命和加工效率，降低切削力，提高已加工表面質(zhì)量。近20年來，涂層硬質(zhì)合金刀具有了很大發(fā)展，在工業(yè)先進(jìn)國家已在可轉(zhuǎn)位刀具中占50%～60%以上。涂層硬質(zhì)合金的基體仍為WC基的硬質(zhì)合金，要求有較高的韌性。隨著基體的不同，這類合金可作P類、M類或K類硬質(zhì)合金使用，且適用范圍較寬。

       梯度硬質(zhì)合金 是近年來發(fā)展起來的新品種，各層成分可根據(jù)需要加以調(diào)節(jié)。

       3）陶瓷

       陶瓷刀具材料分為3類。

       氧化鋁基陶瓷 一般在Al2O3基體中加入TiC，WC，SiC，TaC和ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷。硬度達(dá)HRA 93～95，抗彎強(qiáng)度達(dá)0.7～0.9 GPa。為提高韌性，常添加少量的Co，Ni等金屬。

       氮化硅基陶瓷用的是Si3N4+TiC+Co的氮化硅基復(fù)合陶瓷，其韌性常高于Al2O3基陶瓷。硬度相當(dāng)。

       復(fù)合氮化硅-氧化鋁陶瓷 化學(xué)成分約為Si3N4 77%，Al2O3 13%，Y2O3 10%，硬度可達(dá)HV1800，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1.20 GPa。這種陶瓷稱賽阿龍（Sialon），最適宜切削高溫合金與鑄鐵。

       陶瓷的高溫性能優(yōu)于硬質(zhì)合金，故適合用于高速切削。Al2O3基和Si3N4基復(fù)合陶瓷都適合切削淬硬鋼、高硬鑄鐵及一般鑄鐵；Al2O3基復(fù)合陶瓷亦能有效地切削未淬硬鋼料，而Si3N4基陶瓷切削一般鋼材開始時(shí)磨損迅速。 

       4）超硬刀具材料

       超硬材料是指金剛石和立方氮化硼（CBN）。它們的硬度比其他刀具材料高出好幾倍。金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，CBN的硬度僅次于金剛石。近年來，超硬刀具材料發(fā)展迅速。

       金剛石刀具材料分為5類。

       天然金剛石（ND）。

       人造聚晶金剛石（PCD）。以石墨為原料，經(jīng)高溫高壓制成。

       人造聚晶金剛石復(fù)合片（PCD/CC）。以硬質(zhì)合金為基底，表面有一層金剛石（約0.5mm），制造方法與PCD相同。

       金剛石薄膜涂層刀具（CD）。用CVD工藝，在刀具表面涂覆一層約10～25μm的薄膜。

       金剛石厚膜刀具（TFD）。亦采用CVD工藝，在另一基體上涂出0.2 mm以上的厚膜，再將厚膜切割成一定的大小，然后焊在硬質(zhì)合金刀片上使用。

       ND的結(jié)晶各向異性，在進(jìn)行刀磨的使用時(shí)必須選導(dǎo)致適宜的方向。人造金剛石各向同性，其硬度低于ND，但強(qiáng)度與韌性高于ND。

       金剛石刀具能夠有效地加工非鐵金屬材料和非金屬材料，如銅、鋁等有色金屬及其合金、陶瓷、硬質(zhì)合金、各種纖維和顆粒加強(qiáng)復(fù)合材料、塑料、橡膠、石墨、玻璃和木材等，但金剛石忌切鋼鐵及其他鐵族金屬。

       TFD有很好的綜合性能，它兼有天然金剛石和人造聚晶金剛石的優(yōu)點(diǎn)，與基底結(jié)合牢固，便于多次重磨，故有良好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

       CBN的制造方法與PCD或PCD/CC相似。以六方氮化硼為原料，經(jīng)高溫高壓制成聚晶CBN或復(fù)合片CBN/CC。CBN主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵及其他硬金屬與非金屬材料。用硬質(zhì)合金或陶瓷刀具切削某些硬脆材料，壽命很短，或根本不能勝任，而超硬材料對之則輕而易舉。金剛石刀具能對有色金屬實(shí)行超精密切削，是其獨(dú)到之處。

       3 刀具材料的化學(xué)成分

       古代人類所用的刀具材料多為天然物質(zhì)，如石材料、天然金剛石等，甚至還用過隕鐵。到現(xiàn)代，絕大多數(shù)刀具材料使用人造的材料，可保證大量供應(yīng)，并使質(zhì)地均勻、可靠。

       縱觀各種刀具材料，除人造金剛石的原料為石墨（碳元素）外，其他品種都離不開碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。這些化合物都具有高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量（見表1～表4），這正是刀具材料所需要的性質(zhì)。

表1 各種碳化物的性質(zhì) 碳化物性質(zhì)

　　如碳素工具鋼，其主要成分是Fe3C，合金工具鋼中有復(fù)合碳化物，如合金滲碳體（Fe，Cr）3C等。高速鋼中有更多的復(fù)合碳化物.硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相主要為WCT和TiC，但經(jīng)常加入Ta，Nb等元素而形成復(fù)合的固溶體，且須用Co，Ni等為黏結(jié)材料。陶瓷的基體材料常用Al2O3和Si3N4，但又加入了碳化物、其他氧化物和氮化物，甚至硼化物。立方氮化硼則是一種非金屬氮化物。

       在刀具材料中，碳化物用得最多。各種金屬碳化物分1型、2型、3型、6型、7型和23型等，即MC（如TiC、SZrC等）、M2C（如Mo2C等）、M3C（如Cr3C2、Fe3c等）、M6C（如Fe3（W，Mo）3C6等）、M7C（如Cr7C3等）和M23C（如Cr23C6等）。各型碳化物的生成，均遵循一定規(guī)律。它們也可形成復(fù)合碳化物，但其物理、力學(xué)性質(zhì)難以查到確切的數(shù)據(jù)。

       近年中，氮、碳和金屬（一種或二種）的復(fù)合化合物在刀具涂層中用得較多。根據(jù)巴爾查斯（Balzer）涂層公司的資料，列出幾種涂層材料的物理、力學(xué)性能，以資參考。

表5 幾種涂層材料的性能

　　碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的種類如此眾多，在刀具材料的研制和使用中發(fā)揮了很大作用。但已被用上并為人們所熟知的還只是其中的少數(shù)，多數(shù)未付諸應(yīng)用，這一情況從表1~表5中可以看出。因此，人們在研制新刀具材料時(shí)，在化學(xué)組分上尚有選擇余地和很大潛力可挖。當(dāng)然，表中所列的化合物并非都有用上的可能，因?yàn)椴荒軆H考慮物質(zhì)的性能，還應(yīng)顧及資源、價(jià)格和工藝等因素。

       4 刀具材料與工件材料的匹配

       軍工產(chǎn)品多用難加工材料，如高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、淬硬鋼和冷硬鑄鐵、不銹鋼、高溫合金、鈦合金、復(fù)合材料等。刀具、工件兩方面材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能必須得到合理的匹配，切削過程方能正常進(jìn)行，并獲得正常的刀具壽命；否則，刀具就可能會急劇磨損，刀具壽命很短。例如，硬度高的工件材料，就必須用更硬的刀具來加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質(zhì)合金和陶瓷刀具則能勝任，CBN刀具更佳。加工硬脆材料，不僅要求刀具有很高的硬度，還要求有高的彈性模量，否則刃部難以支撐。用硬質(zhì)合金刀具加工淬硬鋼及其它硬脆材料，必須采用彈性模量較高(WC成分較多)的K類或M類牌號。以上是力學(xué)性能的匹配。不僅考慮刀具材料的常溫力學(xué)性能，還應(yīng)考慮其高溫性能。

       在加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的工具，以使切削熱得以傳出。從而降低切削溫度。這是物理性能匹配的例子。

       工件、刀具雙方材料中的化學(xué)元素如有容易化合、相互發(fā)生化學(xué)作用或擴(kuò)散作用者，應(yīng)設(shè)法回避。例如，含鈦的金屬材料——鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等，不能用含鈦元素的刀具進(jìn)行切削。也就是說，P類硬質(zhì)合金、TiC基與Ti(C，N)基硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金(多數(shù)涂層材料含鈦)均不能使用；應(yīng)采用K類硬質(zhì)合金或高速鋼。凡加工塑性材料出長切屑且與前刀面發(fā)生摩擦者，應(yīng)特別注意刀-屑雙方元素的相互擴(kuò)散，故加工非淬硬鋼材應(yīng)當(dāng)采用P類硬質(zhì)合金或Al2O3基陶瓷，而不能采用K類合金與Si3N4基陶瓷。金剛石在600~700 ℃以上時(shí)將轉(zhuǎn)化為石墨，F(xiàn)e元素將起催化作用而加速這種轉(zhuǎn)化，故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN最適合加工鋼鐵，但只能進(jìn)行干切削，水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學(xué)性能匹配的例子?；瘜W(xué)作用在低溫條件下一般進(jìn)行緩慢，高溫下加劇。力學(xué)、物理、化學(xué)作用有時(shí)是綜合影響而且是相互關(guān)聯(lián)的，對它們的規(guī)律尤其是對化學(xué)作用的機(jī)理尚認(rèn)識不夠深入，有待進(jìn)一步研究。

       5 結(jié)語

       工件與刀具雙方交替進(jìn)展、相互促進(jìn)，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀(jì)前半、后半時(shí)期分別是高速鋼、硬質(zhì)合金大發(fā)展的年代。近50年中，硬質(zhì)合金不斷提高自身的性能，發(fā)展了許多新品種，從高速鋼的領(lǐng)域中占領(lǐng)了大片陣地，成為當(dāng)前用量超過一半的刀具材料，這是當(dāng)年人們所未能估計(jì)到的。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)，硬質(zhì)合金的使用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大；高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢，仍將占有一定的陣地。由于資源、價(jià)格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發(fā)展，代替一部分硬質(zhì)合金刀具。然而，由于陶瓷的切削性能與硬質(zhì)合金相比，差距不是那么巨大，加上其強(qiáng)度、韌性和可加工性的不足，未來陶瓷刀具的發(fā)展不會像過去硬質(zhì)合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應(yīng)用。新刀具材料的研制周期會越來越短，新品種、新牌號的推出將越來越快。在刀具材料發(fā)展中，硬度、耐磨性與強(qiáng)度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾。有可能在21世紀(jì)中研制出既具有高速鋼、硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種涂層刀具和復(fù)合結(jié)構(gòu)都能在一定程序上克服上述矛盾，故極有發(fā)展前景。在未來，刀具材料將接受工件一方及制造系統(tǒng)更新、更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新品種的出現(xiàn)、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補(bǔ)充的局面，將成為未來刀具材料發(fā)展的特點(diǎn)。

       目前，碳化物、氮化物、氧化物和硼化物是刀具材料的主體成分。用石墨合成為人造聚晶金剛石已跳出了這個(gè)圈子。近年武漢大學(xué)采用RF-PECVD法在麻花鉆上涂覆C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，鉆頭使用壽命大為提高。在21世紀(jì)里，刀具材料將有出人意料的新的飛躍發(fā)展。