2 國外高速切削刀具材料的進(jìn)展和應(yīng)用

1. 金剛石刀具
   金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。但由于價格昂貴，加工、焊接都非常困難，除少數(shù)特殊用途外 (如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工)，很少作為切削工具應(yīng)用在工業(yè)中。隨著高技術(shù)和超精密加工日益發(fā)展，例如微型機(jī)械的微型零件，原子核反應(yīng)堆及其它高技術(shù)領(lǐng)域的各種反射鏡、導(dǎo)彈或火箭中的導(dǎo)航陀螺，計算機(jī)硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工，單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發(fā)了多種化學(xué)機(jī)理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣氛釬焊金剛石技術(shù)，使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易，因此，在超精密鏡面切削的高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，天然金剛石起到了重要作用。
   20世紀(jì)50年代利用高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石粉以后，70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石 (PCD)，PCD晶粒呈無序排列狀態(tài)，不具方向性，因而硬度均勻。它有很高的硬度(8000～12000HV)和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)，高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)，刀刃非常鋒利。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料，如鋁、銅、鎂及其合金、硬質(zhì)合金、纖維增塑材料、金屬基復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同，對性能產(chǎn)生的影響也不同，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，則刃口質(zhì)量越好。例如，選用晶粒尺寸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%的鋁合金：晶粒尺寸4～5µm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工，則應(yīng)選用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是燒結(jié)成金剛石-硬質(zhì)合金復(fù)合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置，在5～6萬個大氣壓，1400～1600℃的高溫下，可人工合成形狀整齊、雜質(zhì)非常少的單晶金剛石，質(zhì)量均勻穩(wěn)定，結(jié)晶面非常清晰，識別容易。它具有所有物質(zhì)中最高的導(dǎo)熱率及與天然金剛石同等以上的強度。目前最大尺寸可達(dá)8mm。這種單晶金剛石的尺寸、形狀和性能的良好一致性，在天然金剛石產(chǎn)品中是不可能實現(xiàn)的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超過700℃時會減弱，因其結(jié)構(gòu)中含有金屬Co，它會促進(jìn)“逆向反應(yīng)”即由金剛石向石墨轉(zhuǎn)變。但有較好的斷裂韌性，可以進(jìn)行斷續(xù)切削。例如，可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。當(dāng)前，人工合成單晶金剛石刀具材料的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，其新應(yīng)用領(lǐng)域是木材加工業(yè)。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時，木板耐磨層會引起刃口鈍化，導(dǎo)致氧化鋁耐磨層碎裂，必須經(jīng)常磨刀或更換刀片，而人工單晶金剛石性能顯著優(yōu)于PCD刀具。
   目前正在研究和開發(fā)化學(xué)氣相沉積 CVD金剛石，沉積出的是交互生長極好的PCD，呈柱狀結(jié)構(gòu)且非常致密。隨著生長條件的不同，CVD金剛石也呈現(xiàn)不同的晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)，它不需金屬催化劑，因此它的熱穩(wěn)定性接近天然金剛石。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應(yīng)用不同，要求有多種不同的晶粒尺寸。CVD金剛石制成兩種形式：一種是在基體上沉積厚度小于30µm的薄層膜(CVD薄膜)：另一種是沉積厚度達(dá)1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應(yīng)用不多。
   CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術(shù)釬焊在基體上，但要保證釬焊點的強度。它與PCD相比，熱穩(wěn)定性好但脆性較高，且不導(dǎo)電。不能用于放電加工(EDM)技術(shù)中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應(yīng)用。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩(wěn)定性，在高耐磨性材料的高速切削加工領(lǐng)域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的 CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功，還有待于繼續(xù)試驗和評價。CVD厚膜金剛石目前的成本較高，隨著技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低，它將是PCD有力的競爭對手。
   三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為：PCD焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差。人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量，抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差。
   金剛石刀具是目前高速切削(2500～5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料，但由于碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它不宜于切削鐵及其合金工件。
2. 立方氮化硼
   立方氮化硼(CBN)是純?nèi)斯ず铣傻牟牧稀Ｋ��?0世紀(jì)50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結(jié)性能很差，直至70年代才制成立方氮化硼燒結(jié)塊(聚晶立方氮化硼PCBN)，它是由CBN微粉與少量粘結(jié)相(Co、Ni或TiC、TiN、Al₂O₃) 在高溫高壓下燒結(jié)而成。CBN是氮化硼的致密相，有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300～1500℃)，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性(遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石)和導(dǎo)熱性，低的摩擦系數(shù)。PCBN與Fe族元素親和性很低，所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列，硬度均勻，沒有方向性，具有一致的耐磨性和抗沖擊性，克服CBN易解理和各向異性缺點。CBN含量、晶粒尺寸和粘結(jié)相等會影響PCBN的性能。CBN含量高，PCBN的硬度和導(dǎo)熱性高，CBN晶粒尺寸大，其抗破損性就弱，刀刃鋒利性就差，金屬材料Co、Ni作粘結(jié)相時，PCBN有較好的韌性和導(dǎo)電性，陶瓷材料作粘結(jié)相時，則有較好的熱穩(wěn)定性。目前多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結(jié)或釬焊在硬質(zhì)合金基體上，做成PCBN復(fù)合片，有利于提高強度，可焊性也好，便于制造PCBN刀具。
   PCBN刀坯從組織上看，大致有兩種。一種是高含量PCBN(CBN，質(zhì)量80%～90%)，以CBN晶粒之間直接結(jié)合為主，具有高硬度、高導(dǎo)熱性。另一種是低CBN含量的PCBN，它是用少量金屬或陶瓷粘結(jié)相牢固地結(jié)合起來的，有較好的強度和韌性。一般較低CBN含量 (50%～65%)的PCBN刀具適于精加工45～65HRC的淬硬鋼，高含量(80%～90%)的適于加工鎳鉻鑄鐵，粗和半粗?jǐn)嗬m(xù)切削淬硬鋼，高速切削鑄鐵，加工硬質(zhì)合金、燒結(jié)金屬和重合金等。選擇合適CBN含量的PCBN刀具可以在500～1500m/min高速下加工鑄鐵，在 100～400m/min下加工45～65HRC的淬硬鋼，在100～200m/min下加工耐熱合金。但不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金，特別不宜于加工35HRC以下的工件。涂層CBN刀具尚在研究中。
3. 陶瓷刀具
   陶瓷刀具為高速切削最重要的刀具材料之一。目前各國陶瓷刀片生產(chǎn)數(shù)量占可轉(zhuǎn)位刀片的比例約為：美國3%～5%，俄羅斯5%～7%，日本7%～9%，德國9% ～12%，英國、法國、瑞典等也在大力推廣應(yīng)用。由于現(xiàn)代陶瓷刀具原材料、組分和制備工藝取得了長足進(jìn)步，近5年來，陶瓷刀具的銷售額增長率達(dá)20%。國際上現(xiàn)已發(fā)展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基(Al₂O₃)和氮化硅基(Si₃N₄)兩大系列，添加各種各樣的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物，形成不同品種的氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。現(xiàn)有40多個品種，200多個牌號，其中氧化鋁基為25種多，氮化硅基的近15種。
   陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，其硬度達(dá)93～95HRA，耐磨性好，適于加工50～65HRC的高硬度材料，如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。高溫性能好，在1200℃的高溫下仍能進(jìn)行切削。具有良好的抗粘結(jié)性能，Al₂O₃與金屬的親和力小，它與多種金屬的相互反應(yīng)能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低，不容易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，化學(xué)穩(wěn)定性好，Al₂O₃在鐵中的溶解率約為WC的1/5，擴(kuò)散磨損小，Al₂O₃的抗氧化能力特別好，即使刀刃處于熾熱狀態(tài)，也能長時間連續(xù)使用，適于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系數(shù)也低于硬質(zhì)合金。Al₂O₃基陶瓷刀具的主要缺點是強度和斷裂韌性較低，脆性較大，導(dǎo)熱性差，抗熱震性不高。但幾十年來，在提高陶瓷刀具的力學(xué)性能上做了大量卓有成效的研究工作，如采用熱壓和熱等靜壓工藝，加入各種增韌補強相，如在Al₂O₃中加入金屬碳化物、氮化物、硼化物及純金屬和晶須等，如Al₂O₃+TiC、Al₂O₃+ZrO2、Al₂O₃+SiCw(晶須)、Al₂O₃+TiN，Al₂O₃+TiCN等，有的在這些組合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金屬和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化鋁基陶瓷刀具可以高速切削鋼、鑄鐵及其合金等，Al₂O₃+SiCw適于加工鎳基合金。
   氮化硅(Si₃N₄)基陶瓷與Al₂O₃基陶瓷比較，其最顯著的特點為強度和斷裂韌性較高，熱脹系數(shù)低，彈性模量也低，故其抗熱震性能高。Si₃N₄基陶瓷刀具適于加工鑄鐵，連續(xù)和斷續(xù)切削都優(yōu)于Al₂O₃基陶瓷刀具，也可以用于冷硬鑄鐵、高硬軋輥等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其與鐵的化學(xué)親和性明顯超過Al₂O₃基陶瓷，化學(xué)反應(yīng)生成的低熔點化合物會使刀刃在短時間內(nèi)破壞，因此Si₃N₄基陶瓷刀具加工鋼件就比Al₂O₃基的差得多。Si₃N₄基陶瓷刀具也是在Si₃N₄中加入各種增韌補強相形成多品種的陶瓷刀具。
   Si₃N₄-Al₂O₃(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品種，它是在Si₃N₄基礎(chǔ)上通過用氧部分置換Si₃N₄中的氮，并以鋁部分置換其中的硅的方法研制成功的，是由Si-Al-O-N各種構(gòu)成的多種化合物群的總稱。Sialon陶瓷刀具的強度和斷裂韌性較高，化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力和高溫抗蠕變能力都很好，導(dǎo)熱性高，熱脹系數(shù)小，故有很高的抗熱震性能。由于其抗蠕變強度高，因而在刀尖處受到反復(fù)集中的高應(yīng)力和熱的作用時，也沒有因塑性變形而明顯增大損壞的現(xiàn)象，它是高速粗加工鑄鐵及鎳基合金優(yōu)良的刀具材料。在精車和半精車鎳基合金等難加工材料時，晶須增韌陶瓷刀具有優(yōu)越性。粗車和銑削時，Sialon陶瓷刀具更具適應(yīng)性，但它的溶解磨損速率比Al₂O₃基陶瓷刀具高很多，因而不適于加工鋼件。
   陶瓷刀具選擇合適的品種可以用500～1000m/min的高速切削鑄鐵，用300～800m/min的速度切削鋼件，用100～200m/min的速度切削高硬材料(50～65HRC)，用100～300m/min的速度切削耐熱合金。
4. TiC(N)基硬質(zhì)合金
   TiC (N)基硬質(zhì)合金的主要成分是TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦)，它們是以高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高韌性的TiC+WC +TaC+Co、強韌的TiN為主體，以高強韌的TiCN+NbC等TiC(N)為基的硬質(zhì)合金。與WC硬質(zhì)合金相比，硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能得到顯著改善，主要是高溫強度、高溫硬度、導(dǎo)熱性、抗氧化性和抗熱震性能都有提高，與鋼的親和力小，摩擦系數(shù)也小，抗月牙洼磨損和抗粘結(jié)能力強，現(xiàn)在已發(fā)展成獨立系列的刀具材料。近幾年來發(fā)展的高氮含量、均勻微細(xì)硬質(zhì)組織的TiC(N)基硬質(zhì)合金，由于抗磨損性能和抗崩刃性良好，適于在 200～400m/min的高速下切削一般鋼和合金鋼，也可用于鑄鐵的精加工。
5. 涂層刀具
   涂層刀具發(fā)展很快，目前80%以上都是涂層刀具。廣泛應(yīng)用的是在硬質(zhì)合金和高速鋼刀體上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等，其中氧化鋁(Al₂O₃)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等，有優(yōu)異的高溫性能。從單涂層發(fā)展為多涂層，涂層工藝有化學(xué)氣相沉積法 (CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。PVD法主要用于高速鋼刀具，CVD法和PVD法均可用于硬質(zhì)合金刀具涂層。PVD法的硬質(zhì)合金刀具有較好抗破損性能，適于斷續(xù)切削，但耐磨性不如CVD法的硬質(zhì)合金刀具。涂層刀具隨涂層物質(zhì)不同，其性能也有差別，涂層硬質(zhì)合金刀具具有：高的硬度和耐磨性 (2100～4200HV)、高的耐熱性(1000～1200℃)、高的抗粘結(jié)性能、高的化學(xué)穩(wěn)定性和摩擦系數(shù)低等，優(yōu)異的WC基、TiC(N)基硬質(zhì)合金和陶瓷都可作為涂層刀具的基體。目前適于高速切削的涂層硬質(zhì)合金刀具的涂層物質(zhì)主要有CVD的TiCN+Al₂O₃+TiN、TiCN+Al₂O₃、TiCN+Al₂O₃+HfN、TiN+Al₂O₃和TiCN 以及PVD的復(fù)合涂層TiAlN/TiN、TiAlN等。單涂層的TiC或TiN已經(jīng)不用了。選擇不同涂層物質(zhì)的涂層硬質(zhì)合金刀具可以 200～500m/min的速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等。近年來開發(fā)的氮化碳(CNx)、氮化物(TiN/NbN、TiN/VN)等，在高溫下有良好的熱穩(wěn)定性，適合于高速切削。軟涂層刀具(如MoS₂、WS₂涂層的高速鋼刀具)主要用于加工高強度鋁合金、鈦合金或貴重金屬等。日本最近開發(fā)的納米TiN/AlN復(fù)合涂層銑刀片，涂層達(dá)2000層，每層厚度為2.5nm，可在高速下進(jìn)行切削。目前復(fù)雜刀具(鉆頭、齒輪刀具、拉刀等)主要是在高性能高速鋼基體上涂層TiCN、TiN等硬涂層。涂層刀具不適于特別重載下的粗加工和沖擊大的斷續(xù)切削以及高硬度材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵)，涂層刀具低速切削時，容易產(chǎn)生剝落、崩碎等，表面涂層的刀具重磨后，涂層效果降低。
6. 粉末冶金高速鋼(PM HSS)
   近幾年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家大力發(fā)展粉末冶金高速鋼，它是從高壓氬氣或純氮霧化熔融的高速鋼鋼液中直接得到的細(xì)小高速鋼粉末，然后在高溫高壓下熱等靜壓成鋼錠，從而再制成高速鋼材。與熔融法制造的高速鋼相比，它的優(yōu)點是：無碳化物偏析，晶粒粉細(xì)小均勻，可達(dá)2～3µm，熱處理后，硬度可達(dá)67～70HRC，抗彎強度高0.5～1倍，在600℃時的高溫硬度高出2～3HRC，同樣的切削條件，刀具壽命提高0.5～2倍。由于物理力學(xué)性能各向同性，可減小熱處理變形與應(yīng)力，適于制造鉆頭、拉刀和齒輪刀具等復(fù)雜刀具。這類高速鋼刀具，其切削速度可成倍增加，在其表面PVD涂層TiN、TiCN、TiAlN后，切削速度可達(dá)150～200m/min。在復(fù)雜刀具高速切削領(lǐng)域，粉末冶金高速鋼涂層刀具將會進(jìn)一步發(fā)展而占有重要地位。

3 國內(nèi)高速切削刀具材料面臨的挑戰(zhàn)

4 高速切削刀具材料的未來

1. PCD 刀具將繼續(xù)發(fā)展提高性能，廣泛使用于加工鋁合金和高硬度非金屬材料，但人工合成單晶金剛石和金剛石厚膜涂層將發(fā)展更快，視其成本，將逐步取代PCD。高速超精密鏡面切削領(lǐng)域，天然金剛石刀具仍有重要作用，但部分將被人造單晶金剛石代替。目前限制PCD刀具加工鋁合金切削速度的主要是機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速及其功率。
2. Al₂O₃基與Si₃N₄基陶瓷刀具和CBN刀具為高速切削鋼、鑄鐵及其合金的首選刀具材料，但各有其使用范圍，應(yīng)繼續(xù)發(fā)展。Al₂O₃基陶瓷刀具高速加工鋼及其合金有更廣泛的應(yīng)用前景，與CBN刀具相比，它既有成本優(yōu)勢，又適于加工淬硬鋼和未淬硬鋼與鐵素體材料，但耐熱性與抗熱震性能還不夠。發(fā)展耐高溫1400～1500℃以上并提高其高溫強度與抗熱震性的、添加CBN的納米復(fù)合型Al₂O₃基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐熱合金領(lǐng)域發(fā)展具有更大的高溫強度和化學(xué)穩(wěn)定性的Al₂O₃+Si₃N₄基的添加CBN的復(fù)合型刀具材料是一個重要研究方向。
3. 涂層刀具材料在高速切削領(lǐng)域有巨大潛力，繼續(xù)研究新的涂層技術(shù)和涂層物質(zhì)，提高性能，擴(kuò)大使用。但主要發(fā)展粉末涂層，即在硬質(zhì)合金與粉末冶金高速鋼粉體(晶粒)上涂層高性能耐磨材料的新一代涂層刀具，可以重磨而不影響其性能，對復(fù)雜刀具特別有意義。我們初步研制成功的、在硬質(zhì)合金粉末上涂層Al₂O₃的涂層刀片說明其可行性和優(yōu)越性。
4. 對于某些很難加工而應(yīng)用又多的工件材料(如鈦合金)，因其切削時，即使在中速下，溫度也很高，研究不污染環(huán)境的氣冷(如氮氣)方法，降低切削溫度以實現(xiàn)高效切削，是一個可行而具有應(yīng)用前景的方向。

5 結(jié)束語