1 引言

切削加工是現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用*廣泛的加工技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為80%～85%，而在國內(nèi)這一比例則高達(dá)90%。

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機(jī)床，還是先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。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(xiàng)研究報(bào)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(shí)際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史。

本文回顧了常規(guī)刀具材料的基本性能，綜合評述了硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀，提出采用晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、納米復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)制備高性能硬質(zhì)合金材料的研究發(fā)展思路。

2 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(jì)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(diǎn)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(diǎn)。

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，*適合切削高溫合金和鑄鐵。

3) 金屬陶瓷

金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同，主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni、Co、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強(qiáng)度大于陶瓷材料，小于硬質(zhì)合金；化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好，耐剝離磨損，耐氧化和擴(kuò)散，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強(qiáng)度。

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�。挥捎诮饘偬沾膳c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(diǎn)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*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。

立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石，但其氧化溫度高達(dá)1360℃，且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此，雖然目前CBN還是以燒結(jié)體形式進(jìn)行制備，但仍是適合鋼類材料切削、具有高耐磨性的優(yōu)良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。如采用CBN可轉(zhuǎn)位刀片干式精車淬硬齒輪，每個齒輪的加工成本可降低60%；采用配裝球形CBN刀片的立銑刀精銑大型硬質(zhì)磨具，磨削時間可比傳統(tǒng)工藝減少80%。CBN材料的不足之處是韌性較差的問題尚待解決。

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*號通常可分為三類：①YG類(WC-Co類)：該類硬質(zhì)合金制造的刀具具有較好的韌性、耐磨性、導(dǎo)熱性等，主要用于加工鑄鐵、有色金屬和非金屬。②YT類(WC-TiC-Co類)：由于材料中加入了TiC，使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗彎剛度有所降低。該類硬質(zhì)合金具有高硬度和高耐熱性，抗粘結(jié)、抗氧化能力較好，適用于加工鋼材，切削時刀具磨損小，耐用度較高。③YW類(WC-TiC-TaC-Co類)：在YT材料中加入TaC是為了提高刀具的強(qiáng)度、韌性和紅硬性。該類硬質(zhì)合金材料具有很高的高溫硬度、高溫強(qiáng)度和較強(qiáng)的抗氧化能力，特別適于加工各種高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。

雖然近年來各種新型刀具材料層出不窮，但在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，硬質(zhì)合金刀具仍將廣泛應(yīng)用于切削加工，因此需要研究開發(fā)新的材料制備技術(shù)，進(jìn)一步改善和提高硬質(zhì)合金刀具材料的切削性能。

3 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*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(diǎn)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�？擅黠@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(diǎn)決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計(jì)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)

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