刀具材料的历史进展与未来展望二

                             北京理工大学 于启勋

    在刀具材料的成分中碳化物用得最多。人们对碳化物的研究较为透彻，所得到的测试数据也较多。各种金属碳化物分1型、2型、3型、6型、7型,23型等，即MC(如WC,Tic,ZrC等)、M2C(如Mo2C等M3C(如Fe3C、Cr3C2等)、M6C(如Fe3(W,Mo)3C6等),M3C(如Cr7C3等),M23C(如Cr23C6)。各型碳化物的形成，均遵循一定规律，也能形成复合碳化物，但其物理、力学性能测试还不够，难以查到确切的数据。  

    对于碳素工具钢，其主要成分是Fe3C，即渗碳体合金工具钢中有复合碳化物，如合金渗碳体(F,Cr)3C等。高速钢中有更多的复合碳化物。如钨系高速钢，M6C(Fe3W3C, Fe4W2C)是主要的成分在钨钊系高速钢中，M6C也是主要成分，其形式为Fe3(W,Mo)3C和Fe4(W、Mo)2C。  

    硬质合金中的硬质相主要为MC (WC, TiC)等，但经常加人Ta,Nb等元素而形成复合的碳化物，且必须用Co,Ni等元素为粘结材料。陶瓷中常用Al2O3和Si3N4为基体材料，但经常加人碳化物、其他氧化物、其他氮化物或硼化物形成复合陶瓷。非金属氮化物Si3N4在陶瓷中发挥了重要作用，形成了陶瓷刀具材料的一个重要分支。立方氮化硼也是一种非金属氮化物。  

    表中的化合物只是碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的一部分;而已被付诸应用并已为人们所熟知的只是表中的少数。因此，人们在研制新刀具材料时，在化学组成上尚有选择余地和很大的潜力叮挖当然，表中所列的化合物并不是都能被应用，因为除了考虑它们的综合性能，还要顾及资源、价格、工艺等因素  

    3 刀其材料与工件材料的匹配  

    刀具、工件两方面材料的力学、物理、化学性能必须得到合理的匹配，切削过程方能正常进行，并获得正常的刀具寿命，否则，刀具就可能会急剧磨损，其寿命很短。例如，硬度高的工件材料，就必须用更硬的刀具来加工；高速钢刀具硬度不够，不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁，硬质合金和陶瓷刀具则能胜任，CBN刀具更佳加工硬脆材料，不仅要求刀具有很高的硬度，还要求有高的弹性模量，否则刃部难以支撑。用硬质合金刀具加工淬硬钢及其他硬脆材料，必须采用弹性模量较高、WC含量较多的K类或M类牌号。以上是力学性能的匹配不仅应考虑刀具材料的常温力学性能，还应考虑其高温性能。在加工导热性差的工件时，应采用导热性较好的刀具，以使切削热得以导出从而降低切削温度。这是物理性能匹配的例子。  

    工件、刀具双方材料中的化学元素如有容易化合、相互发生化学作用或扩散作用者，应设法回避。例如，含钛的金属材料——钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等，不能用含钛元素的刀具进行切削。也就是说，P类硬质合金、TiC基与Ti(C,N)基硬质合金、涂层硬质合金(多数涂层材料含钦)均不能使用;应采用K类、M类硬质合金或高速钢。凡加工塑性材料产生长切屑且与前刀面发生摩擦者，应特别注意刀一屑双方元素的相互扩散，故加工非淬硬钢材应当采用P类硬质合金或Al203基陶瓷，而不能采用K类合金与Si3N4基陶瓷。金刚石在600-700℃以上时将转化为石墨,Fe元素将起催化作用而加速这种转化，故金刚石刀具不能加工钢铁材料。CBN最适合加工钢铁，但只能进行干切削，水基切削液在高温下将使CBN分解。这些是化学性能匹配的例子。化学作用在低温条件下一般进行缓慢，在高温下加剧力学、物理、化学作用有时是产生综合影响而相互关联的，对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深人，有待进一步研究。  

    4 刀具材料发展和展望  

    工件与刀具双方交替进展、相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年代。近50年中，硬质合金不断提高自身的性能，发展了许多新品种，从高速钢的领域中占领了大片阵地，成为当前用量超过一半的刀具材料，这是当年人们所未能估计到的。预计在21世纪，硬质合金的使用范围将进一步扩大;高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的阵地。由于资源、价格和性能的原因，陶瓷材料亦将得到发展，代替一部分硬质合金刀具。然而，陶瓷与硬质合金相比，由于其切削性能的差距不是那么巨大，加上其强度、韧性和可加工性的不足，未来陶瓷刀具的发展不会像过去硬质合金替代高速钢那样迅猛。超硬材料将得到更多的应用。新刀具材料的研制周期会越来越短，新品种、新牌号的推出将越来越快:在刀具材料发展中，硬度、耐磨性与强度、韧性难以兼顾仍是主要矛盾有可能在21世纪中研制出既具有高速钢、硬质合金的强度和韧性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各种涂层刀具复合片都能在一定程度上克服上述矛盾，故极有发展前景。在未来，刀具材料将接受工件一方及制造系统更新、更严峻的挑战。新品种的出现、各自所占比重的变化以及它们相互竞争和相互补充的局面，将成为未来刀具材料发展的特点。  

    目前，碳化物、氮化物、氧化物、硼化物是刀具材料的主体成分。用石墨合成为人造聚晶金刚石已跳出了这个圈子。当今常用的金刚石为C-12;美国CE公司已研制出同位素C-13的金刚石，其硬度、强度等均高于现有的金刚石。近期在太空中对碳分子试验的结果，又发现了由60个碳原子组成的巴基球，即C-60，它比金刚石更坚硬。或许C-13、C-60在未来能成为新的刀具材料。近年来，国内外有人采用RF-PECVD法在刀具上涂孤C3N4薄膜，膜的硬度达到超硬材料的硬度，使刀具的使用寿命大为提高。  

    宇宙间物质的形成和变化，复杂而奇妙：人类对自然界的认识尚处于肤浅阶段。在未来，可能会发现和制成崭新的品种，具有优异的性能，适合用作刀具的新材料。笔者期望，在21世纪中，刀具材料有出人意料的新的飞跃发展。