2 国外高速切削刀具材料的进展和应用

1. 金刚石刀具
   金刚石刀具分为天然金刚石和人造金刚石刀具。天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外 (如手表精密零件、光饰件和首饰雕刻等加工)，很少作为切削工具应用在工业中。随着高技术和超精密加工日益发展，例如微型机械的微型零件，原子核反应堆及其它高技术领域的各种反射镜、导弹或火箭中的导航陀螺，计算机硬盘芯片、加速器电子枪等超精密零件的加工，单晶天然金刚石能满足上述要求。近年来开发了多种化学机理研磨金刚石刀具的方法和保护气氛钎焊金刚石技术，使天然金刚石刀具的制造过程变得比较简易，因此，在超精密镜面切削的高技术应用领域，天然金刚石起到了重要作用。
   20世纪50年代利用高温高压技术人工合成金刚石粉以后，70年代制造出金刚石基的切削刀具即聚晶金刚石 (PCD)，PCD晶粒呈无序排列状态，不具方向性，因而硬度均匀。它有很高的硬度(8000～12000HV)和导热性，低的热胀系数，高的弹性模量和较低的摩擦系数，刀刃非常锋利。它可加工各种有色金属和极耐磨的高性能非金属材料，如铝、铜、镁及其合金、硬质合金、纤维增塑材料、金属基复合材料、木材复合材料等。PCD刀具所含金刚石晶粒平均尺寸不同，对性能产生的影响也不同，晶粒尺寸越大，其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下，晶粒尺寸越小，则刃口质量越好。例如，选用晶粒尺寸10～25µm的PCD刀具，可以500～1500m/min的高速粒尺寸8～9µm的PCD加工Si含量小于12%的铝合金：晶粒尺寸4～5µm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工，则应选用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是烧结成金刚石-硬质合金复合刀片焊接在刀体上使用。利用超高压装置，在5～6万个大气压，1400～1600℃的高温下，可人工合成形状整齐、杂质非常少的单晶金刚石，质量均匀稳定，结晶面非常清晰，识别容易。它具有所有物质中最高的导热率及与天然金刚石同等以上的强度。目前最大尺寸可达8mm。这种单晶金刚石的尺寸、形状和性能的良好一致性，在天然金刚石产品中是不可能实现的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超过700℃时会减弱，因其结构中含有金属Co，它会促进“逆向反应”即由金刚石向石墨转变。但有较好的断裂韧性，可以进行断续切削。例如，可以2500m/min的高速端铣Si含量10%的铝合金。当前，人工合成单晶金刚石刀具材料的应用得到了迅速的发展，其新应用领域是木材加工业。对表面有氧化铝涂层的高耐磨层状木地板需求量越来越大。加工时，木板耐磨层会引起刃口钝化，导致氧化铝耐磨层碎裂，必须经常磨刀或更换刀片，而人工单晶金刚石性能显著优于PCD刀具。
   目前正在研究和开发化学气相沉积 CVD金刚石，沉积出的是交互生长极好的PCD，呈柱状结构且非常致密。随着生长条件的不同，CVD金刚石也呈现不同的晶粒尺寸和结构，它不需金属催化剂，因此它的热稳定性接近天然金刚石。根据不同的应用要求，可选择不同的CVD沉积工艺以合成出晶粒尺寸和表面形貌差别很大的PCD。作为刀具的CVD金刚石因其应用不同，要求有多种不同的晶粒尺寸。CVD金刚石制成两种形式：一种是在基体上沉积厚度小于30µm的薄层膜(CVD薄膜)：另一种是沉积厚度达1mm的无衬底的金刚石厚层膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金刚石应用不多。
   CVD厚膜可以通过特殊的但简易可行的技术钎焊在基体上，但要保证钎焊点的强度。它与PCD相比，热稳定性好但脆性较高，且不导电。不能用于放电加工(EDM)技术中。CVD厚膜金刚石在木材加工刀具和修整刀具中得到推广应用。由于CVD厚膜金刚石的高纯度和高的耐磨性和热稳定性，在高耐磨性材料的高速切削加工领域具有很大的潜力。目前可用于EDM切削的 CVD厚膜金刚石刀具材料也已制造成功，还有待于继续试验和评价。CVD厚膜金刚石目前的成本较高，随着技术的发展，成本逐渐降低，它将是PCD有力的竞争对手。
   三种主要金刚石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成单晶金刚石各自的性能特点为：PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD厚膜抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差。人工合成单晶金刚石刃口质量，抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。
   金刚石刀具是目前高速切削(2500～5000m/min)铝合金较理想的刀具材料，但由于碳对铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能与铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。


2. 立方氮化硼
   立方氮化硼(CBN)是纯人工合成的材料。它是20世纪50年代末用制造金刚石相似的方法合成的第二种超硬材料——CBN微粉。由于CBN的烧结性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼烧结块(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉与少量粘结相(Co、Ni或TiC、TiN、Al₂O₃) 在高温高压下烧结而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(1300～1500℃)，优良的化学稳定性(远优于金刚石)和导热性，低的摩擦系数。PCBN与Fe族元素亲和性很低，所以它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。PCBN组织中各微小晶粒呈无序排列，硬度均匀，没有方向性，具有一致的耐磨性和抗冲击性，克服CBN易解理和各向异性缺点。CBN含量、晶粒尺寸和粘结相等会影响PCBN的性能。CBN含量高，PCBN的硬度和导热性高，CBN晶粒尺寸大，其抗破损性就弱，刀刃锋利性就差，金属材料Co、Ni作粘结相时，PCBN有较好的韧性和导电性，陶瓷材料作粘结相时，则有较好的热稳定性。目前多将0.5mm左右的PCBN层直接烧结或钎焊在硬质合金基体上，做成PCBN复合片，有利于提高强度，可焊性也好，便于制造PCBN刀具。
   PCBN刀坯从组织上看，大致有两种。一种是高含量PCBN(CBN，质量80%～90%)，以CBN晶粒之间直接结合为主，具有高硬度、高导热性。另一种是低CBN含量的PCBN，它是用少量金属或陶瓷粘结相牢固地结合起来的，有较好的强度和韧性。一般较低CBN含量 (50%～65%)的PCBN刀具适于精加工45～65HRC的淬硬钢，高含量(80%～90%)的适于加工镍铬铸铁，粗和半粗断续切削淬硬钢，高速切削铸铁，加工硬质合金、烧结金属和重合金等。选择合适CBN含量的PCBN刀具可以在500～1500m/min高速下加工铸铁，在 100～400m/min下加工45～65HRC的淬硬钢，在100～200m/min下加工耐热合金。但不宜加工以铁素体和45HRC以下的钢及合金钢、合金铸铁、耐热合金，特别不宜于加工35HRC以下的工件。涂层CBN刀具尚在研究中。


3. 陶瓷刀具
   陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一。目前各国陶瓷刀片生产数量占可转位刀片的比例约为：美国3%～5%，俄罗斯5%～7%，日本7%～9%，德国9% ～12%，英国、法国、瑞典等也在大力推广应用。由于现代陶瓷刀具原材料、组分和制备工艺取得了长足进步，近5年来，陶瓷刀具的销售额增长率达20%。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基(Al₂O₃)和氮化硅基(Si₃N₄)两大系列，添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品种的氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具。现有40多个品种，200多个牌号，其中氧化铝基为25种多，氮化硅基的近15种。
   陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其硬度达93～95HRA，耐磨性好，适于加工50～65HRC的高硬度材料，如冷硬铸铁和淬硬钢。高温性能好，在1200℃的高温下仍能进行切削。具有良好的抗粘结性能，Al₂O₃与金属的亲和力小，它与多种金属的相互反应能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低，不容易与金属产生粘结，化学稳定性好，Al₂O₃在铁中的溶解率约为WC的1/5，扩散磨损小，Al₂O₃的抗氧化能力特别好，即使刀刃处于炽热状态，也能长时间连续使用，适于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系数也低于硬质合金。Al₂O₃基陶瓷刀具的主要缺点是强度和断裂韧性较低，脆性较大，导热性差，抗热震性不高。但几十年来，在提高陶瓷刀具的力学性能上做了大量卓有成效的研究工作，如采用热压和热等静压工艺，加入各种增韧补强相，如在Al₂O₃中加入金属碳化物、氮化物、硼化物及纯金属和晶须等，如Al₂O₃+TiC、Al₂O₃+ZrO2、Al₂O₃+SiCw(晶须)、Al₂O₃+TiN，Al₂O₃+TiCN等，有的在这些组合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金属和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化铝基陶瓷刀具可以高速切削钢、铸铁及其合金等，Al₂O₃+SiCw适于加工镍基合金。
   氮化硅(Si₃N₄)基陶瓷与Al₂O₃基陶瓷比较，其最显著的特点为强度和断裂韧性较高，热胀系数低，弹性模量也低，故其抗热震性能高。Si₃N₄基陶瓷刀具适于加工铸铁，连续和断续切削都优于Al₂O₃基陶瓷刀具，也可以用于冷硬铸铁、高硬轧辊等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其与铁的化学亲和性明显超过Al₂O₃基陶瓷，化学反应生成的低熔点化合物会使刀刃在短时间内破坏，因此Si₃N₄基陶瓷刀具加工钢件就比Al₂O₃基的差得多。Si₃N₄基陶瓷刀具也是在Si₃N₄中加入各种增韧补强相形成多品种的陶瓷刀具。
   Si₃N₄-Al₂O₃(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品种，它是在Si₃N₄基础上通过用氧部分置换Si₃N₄中的氮，并以铝部分置换其中的硅的方法研制成功的，是由Si-Al-O-N各种构成的多种化合物群的总称。Sialon陶瓷刀具的强度和断裂韧性较高，化学稳定性、抗氧化能力和高温抗蠕变能力都很好，导热性高，热胀系数小，故有很高的抗热震性能。由于其抗蠕变强度高，因而在刀尖处受到反复集中的高应力和热的作用时，也没有因塑性变形而明显增大损坏的现象，它是高速粗加工铸铁及镍基合金优良的刀具材料。在精车和半精车镍基合金等难加工材料时，晶须增韧陶瓷刀具有优越性。粗车和铣削时，Sialon陶瓷刀具更具适应性，但它的溶解磨损速率比Al₂O₃基陶瓷刀具高很多，因而不适于加工钢件。
   陶瓷刀具选择合适的品种可以用500～1000m/min的高速切削铸铁，用300～800m/min的速度切削钢件，用100～200m/min的速度切削高硬材料(50～65HRC)，用100～300m/min的速度切削耐热合金。


4. TiC(N)基硬质合金
   TiC (N)基硬质合金的主要成分是TiC(碳化钛)、TiN(氮化钛)和TiCN(碳氮化钛)，它们是以高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高韧性的TiC+WC +TaC+Co、强韧的TiN为主体，以高强韧的TiCN+NbC等TiC(N)为基的硬质合金。与WC硬质合金相比，硬度、强度、韧性、抗塑性变形和抗崩刃性能得到显著改善，主要是高温强度、高温硬度、导热性、抗氧化性和抗热震性能都有提高，与钢的亲和力小，摩擦系数也小，抗月牙洼磨损和抗粘结能力强，现在已发展成独立系列的刀具材料。近几年来发展的高氮含量、均匀微细硬质组织的TiC(N)基硬质合金，由于抗磨损性能和抗崩刃性良好，适于在 200～400m/min的高速下切削一般钢和合金钢，也可用于铸铁的精加工。


5. 涂层刀具
   涂层刀具发展很快，目前80%以上都是涂层刀具。广泛应用的是在硬质合金和高速钢刀体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化铝(Al₂O₃)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，有优异的高温性能。从单涂层发展为多涂层，涂层工艺有化学气相沉积法 (CVD法)和物理气相沉积法(PVD法)。PVD法主要用于高速钢刀具，CVD法和PVD法均可用于硬质合金刀具涂层。PVD法的硬质合金刀具有较好抗破损性能，适于断续切削，但耐磨性不如CVD法的硬质合金刀具。涂层刀具随涂层物质不同，其性能也有差别，涂层硬质合金刀具具有：高的硬度和耐磨性 (2100～4200HV)、高的耐热性(1000～1200℃)、高的抗粘结性能、高的化学稳定性和摩擦系数低等，优异的WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷都可作为涂层刀具的基体。目前适于高速切削的涂层硬质合金刀具的涂层物质主要有CVD的TiCN+Al₂O₃+TiN、TiCN+Al₂O₃、TiCN+Al₂O₃+HfN、TiN+Al₂O₃和TiCN 以及PVD的复合涂层TiAlN/TiN、TiAlN等。单涂层的TiC或TiN已经不用了。选择不同涂层物质的涂层硬质合金刀具可以 200～500m/min的速度加工钢、合金钢、不锈钢、铸铁和合金铸铁等。近年来开发的氮化碳(CNx)、氮化物(TiN/NbN、TiN/VN)等，在高温下有良好的热稳定性，适合于高速切削。软涂层刀具(如MoS₂、WS₂涂层的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属等。日本最近开发的纳米TiN/AlN复合涂层铣刀片，涂层达2000层，每层厚度为2.5nm，可在高速下进行切削。目前复杂刀具(钻头、齿轮刀具、拉刀等)主要是在高性能高速钢基体上涂层TiCN、TiN等硬涂层。涂层刀具不适于特别重载下的粗加工和冲击大的断续切削以及高硬度材料(如淬硬钢、冷硬铸铁)，涂层刀具低速切削时，容易产生剥落、崩碎等，表面涂层的刀具重磨后，涂层效果降低。


6. 粉末冶金高速钢(PM HSS)
   近几年来，工业发达国家大力发展粉末冶金高速钢，它是从高压氩气或纯氮雾化熔融的高速钢钢液中直接得到的细小高速钢粉末，然后在高温高压下热等静压成钢锭，从而再制成高速钢材。与熔融法制造的高速钢相比，它的优点是：无碳化物偏析，晶粒粉细小均匀，可达2～3µm，热处理后，硬度可达67～70HRC，抗弯强度高0.5～1倍，在600℃时的高温硬度高出2～3HRC，同样的切削条件，刀具寿命提高0.5～2倍。由于物理力学性能各向同性，可减小热处理变形与应力，适于制造钻头、拉刀和齿轮刀具等复杂刀具。这类高速钢刀具，其切削速度可成倍增加，在其表面PVD涂层TiN、TiCN、TiAlN后，切削速度可达150～200m/min。在复杂刀具高速切削领域，粉末冶金高速钢涂层刀具将会进一步发展而占有重要地位。

3 国内高速切削刀具材料面临的挑战

4 高速切削刀具材料的未来

1. PCD 刀具将继续发展提高性能，广泛使用于加工铝合金和高硬度非金属材料，但人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层将发展更快，视其成本，将逐步取代PCD。高速超精密镜面切削领域，天然金刚石刀具仍有重要作用，但部分将被人造单晶金刚石代替。目前限制PCD刀具加工铝合金切削速度的主要是机床的主轴转速及其功率。


2. Al₂O₃基与Si₃N₄基陶瓷刀具和CBN刀具为高速切削钢、铸铁及其合金的首选刀具材料，但各有其使用范围，应继续发展。Al₂O₃基陶瓷刀具高速加工钢及其合金有更广泛的应用前景，与CBN刀具相比，它既有成本优势，又适于加工淬硬钢和未淬硬钢与铁素体材料，但耐热性与抗热震性能还不够。发展耐高温1400～1500℃以上并提高其高温强度与抗热震性的、添加CBN的纳米复合型Al₂O₃基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐热合金领域发展具有更大的高温强度和化学稳定性的Al₂O₃+Si₃N₄基的添加CBN的复合型刀具材料是一个重要研究方向。


3. 涂层刀具材料在高速切削领域有巨大潜力，继续研究新的涂层技术和涂层物质，提高性能，扩大使用。但主要发展粉末涂层，即在硬质合金与粉末冶金高速钢粉体(晶粒)上涂层高性能耐磨材料的新一代涂层刀具，可以重磨而不影响其性能，对复杂刀具特别有意义。我们初步研制成功的、在硬质合金粉末上涂层Al₂O₃的涂层刀片说明其可行性和优越性。


4. 对于某些很难加工而应用又多的工件材料(如钛合金)，因其切削时，即使在中速下，温度也很高，研究不污染环境的气冷(如氮气)方法，降低切削温度以实现高效切削，是一个可行而具有应用前景的方向。

5 结束语