刀具材料的歷史進(jìn)展與未來展望一

                              北京理工大學(xué) 于啟勛

    1 刀具材料的重要作用及其發(fā)展過程 

    刀具材料的發(fā)展與人類社會(huì)生活、生產(chǎn)的發(fā)展，有著極為密切的關(guān)系。對(duì)于古人類，“刀”和“火”的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，是兩項(xiàng)最偉大的發(fā)明，是人類登上歷史舞臺(tái)的重要標(biāo)志刀具材料的改進(jìn)推動(dòng)著人類社會(huì)文化和物質(zhì)文明的發(fā)展。例如在人類歷史中，曾有過舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代，青銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代等。與石器時(shí)代對(duì)應(yīng)的是人類的原始社會(huì);與青銅器時(shí)代對(duì)應(yīng)的是人類的奴隸社會(huì);與鐵器時(shí)代對(duì)應(yīng)的是人類的封建社會(huì)及其以后的時(shí)代。 

    在傳統(tǒng)的機(jī)械加工中，刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀具幾何形狀是決定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起著關(guān)鍵作用。在計(jì)算機(jī)集成先進(jìn)制造系統(tǒng)出現(xiàn)后，在刀具使用中還應(yīng)考慮“刀具系統(tǒng)”問題。近年來，各種難加工材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，先進(jìn)制造系統(tǒng)、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“綠色制造”和“潔凈制造”的發(fā)展與付諸實(shí)用，都對(duì)刀具特別是對(duì)刀具材料提出了更高、更新的要求。 
    古人類仍能在大自然中尋用天然材料制作工具，如玉、石、天然金剛石甚至隕鐵都曾得到過應(yīng)用。在奴隸制社會(huì)，曾用青銅制作工具；在“春秋”、“戰(zhàn)國(guó)”之交，特別是到了秦朝的時(shí)代，進(jìn)人封建社會(huì)的時(shí)候，鋼、鐵工具開始出現(xiàn)，碳素工具鋼開始得到應(yīng)用，那時(shí)的碳素工具鋼與現(xiàn)代的T10、T12等鋼種已十分接近。與石料、銅料相比，碳素工具鋼具有更高的硬度，切削刃能夠磨得很鋒利，故切削效率和加工質(zhì)量相對(duì)較高。但碳素工具鋼只能承受200-250℃的切削溫度，用以切削一般鋼材只能應(yīng)用5-8 m/min的切削速度，不能滿足更高切削效率的要求。1865年，英國(guó)的羅伯特·墨希特(Rohert Mushet)發(fā)明了合金工具鋼，其牌號(hào)有CrWMn，9CrSi等，能承受350℃的切削溫度，加工一般鋼材時(shí)切削速度可提高到10-12m/min。為了適應(yīng)加工效率進(jìn)一步提高的要求，美國(guó)機(jī)械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)于1898年發(fā)明了高速鋼，當(dāng)時(shí)的成分為C0.67%, W18.91%，Cr5.47%，V0.29%，Mn0.11%，F(xiàn)e為余量。它能夠承受550-600℃的切削溫度，切削一般鋼材可采用25-30m/min的切削速度、從而使其加工效率比碳素工具鋼洽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，曾使美國(guó)、英國(guó)等主要資本主義國(guó)家的切削水平出現(xiàn)了一個(gè)飛躍，從而獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，機(jī)械制造工業(yè)也賴以迅速發(fā)展。 

    隨著人類生話、生產(chǎn)水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高效率加工、高質(zhì)量加工以及難加工材料切削的要求。20世紀(jì)20年代到30年代，人們發(fā)明了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，其常溫硬度達(dá)89-93HRA,能承受800-900℃以上的高溫，切削速度可以是高速鋼刀具的4-5倍以上，因而被迅速推廣應(yīng)用。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于兵工生產(chǎn)的需要，美、英、蘇、德各國(guó)開始部分使用硬質(zhì)合金刀具;二戰(zhàn)結(jié)束后，逐步擴(kuò)大使用。50年代初，我國(guó)從蘇聯(lián)少量引進(jìn)硬質(zhì)合金，替代高速鋼刀具在生產(chǎn)中應(yīng)用。后來，在蘇聯(lián)援助下，我國(guó)建設(shè)了株洲硬質(zhì)合金廠；又自力更生，用本國(guó)的技術(shù)和力量，建成了自貢硬質(zhì)合金廠。經(jīng)過40年的努力，中國(guó)硬質(zhì)合金刀具材料的產(chǎn)量已居世界各國(guó)的前列，成為生產(chǎn)硬質(zhì)合金的大國(guó)，20世紀(jì)后半期，工件材料的品種不斷增多，其機(jī)械性能不斷提高，工件的批量和加工精度也不斷加大和提高，因而對(duì)刀具的使用性能不斷提出更新、更高要求。硬質(zhì)合金刀具材料為了適應(yīng)新的要求，自身有了更新的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種，其性能比之過去有了很大的提高。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具較脆，韌性不足，可加工性也不好，故開始時(shí)只用于一般車刀，后發(fā)展到用于面銑刀及其他刀具；但迄今為止，仍不能用于所有種類的刀具。高速鋼刀具也有了發(fā)展，出現(xiàn)了許多新品種。然而，半個(gè)世紀(jì)來，一半以上的高速鋼刀具被硬質(zhì)合金刀具所替代；高速鋼刀具材料憑借其良好的韌性和可加毛性，仍固守著切削刀其中不足一半的陣地。當(dāng)代，硬質(zhì)合金和高速鋼是兩種最主要的、用得最多的刀具材料。它們的總和當(dāng)占全部刀具的95%以上。 

    硬質(zhì)合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料和超精密加工的要求，于是更新的刀具材料相繼出現(xiàn)。20世紀(jì)中期出現(xiàn)了氧化鋁及氧化鋁基復(fù)合陶瓷，稍后又出現(xiàn)了氮化硅及氮化硅基復(fù)合陶瓷。20世紀(jì)中后期，又制造出人造立方氮化硼和人造金剛石兩種超硬刀具材料，它們的硬度大幅度地高于硬質(zhì)合金與陶瓷由于韌性和可加工性的不足，以及價(jià)格等原因，陶瓷、氮化硼及金剛石刀具材料的應(yīng)用尚受到更大的局限。 
綜上所述，刀具(工具)材料的發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展發(fā)揮了極其重要的作用。20世紀(jì)中，刀具(工具)材料的發(fā)展比過去幾十世紀(jì)要快得多C刀具材料的品種、類型、數(shù)量、性能都有了很大的發(fā)展和提高。“百花齊放，推陳出新”；20世紀(jì)特別是后平個(gè)世紀(jì)，刀具材料大發(fā)展，大提高，令人眼花繚亂，目不暇接，從而推動(dòng)人類的物質(zhì)文明迅猛前進(jìn)。 

    2 刀具材料的化學(xué)成分 

    在古代，人類所用的刀具材料多為天然物質(zhì)，如石材、天然金剛石等。近代、現(xiàn)代所用的刀具材料絕大多數(shù)出于人造，以便保證大量供應(yīng)，并使質(zhì)地均勻、可靠。 

    縱觀現(xiàn)代的各種刀具材料，除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。如表所示，這些化合物都具有高硬度、高熔點(diǎn)、高彈性模量等特性，這正是刀具材料所需要的性質(zhì)。 
表 各種化合物的性質(zhì) 
  性質(zhì) 
密度
10³kg/m³ 熔點(diǎn)
℃ 硬度
HV 彈性模量
GPa 
碳化物 TiC 4.85-4.93 3180-3250 2900-3200 316-488 
ZrC 6.44-6.9 3175-3540 2600 323-489 
HfC 12.20-12.70 3885-3890 2533-3202 433 
VC 5.36-5.77 2810-2865 2800 260-274 
TaC 14.48-14.65 3740-3880 1800 371-389 
NbC 7.82 3500-3800 2400 344 
WC 15.6-15.7 2627-2900 2400 536-721 
Mo2C 8.90 2690 1500 544 
B4C 2.50-2.54 2350-2470 2400-3700 295-458 
SiC 3.21-3.22 2200-2700分解 3000-3500 345-422 
Cr3C2 6.68 1895 1800 380 
Cr7C3 6.92 1782 1882 - 
Cr23C6 6.97-6.99 1518 1663 - 
Fe3C - 1650 860 - 
氮化物 TiN 5.44 2900-3220 1800-2100 616 
ZrN 7.35 2930-2980 1400-1600 - 
HfN 13.94 3300-3307 1500-1700 - 
VN 6.08 2050-2360 1500 - 
TaN 14.1 2980-3360 1060 587 
NbN 8.26-8.40 2050 1400 493 
Nb2N 8.33 2420 1720 - 
BN(立方) 3.48-3.49 2720-3000分解 7000-8000 720 
Si3N4 318-3.19 1900分解 2670-3260 470 
AlN 3.25-3.30 2200-2300分解 1225-1230 281-352 
CrN 6.1 1500 1000-1188 - 
Cr2N 6.51 - 1522-1629 - 
Mo2N 8.04 - 630 - 
WN - 800 - - 
氧化物 TiO2 4.24 1855-1885 1000 240-290 
ZrO2 6.27 2900 1300～1500 250 
HfO2 9.68 2780-2790 940-1100 - 
VO5 3.36 670-685 - - 
Ta2O5 8.37 1755-1815 890-1290 - 
Nb2O5 4.95 1470-1510 726 - 
WO2 6.47 1473-2130 - - 
Al2O3 3.97 2050 2300-2700 370 
Cr2O4 5.21 2309-2359 2945 - 
硼化物 TiB2 4.38 2790 3310-3430 540 
ZrB2 6.17 3200 2230-2274 350 
HfB2 10.5 3250 2400-3400 - 
VB2 5.06-5.28 2400 2797-2803 273 
TaB2 12.38 3037 2460-2540 262 
NbB2 6.97 3000 2600 650 
W2B2 11.0 2370 2650-2675 790 
CrB2 5.22 2200 2020-2180 215 
FeB 7.15 1650 1600-1700 350 
Fe2B2 7.34 1410 1290-1390 290

    從表可以看出，表中多為碳元素、氮元素、氧元素或硼元素與金屬元素的化合物;但也有例外，如SiC,B4C和Si3N等，硅(Si)和硼(B)并不是金屬，但結(jié)合后，硬度也很高，可以作為刀具材料而被利用。而氮(N)與硼(B)的結(jié)合，更能形成超硬刀具材料CBN。