刀具材料的歷史進(jìn)展與未來(lái)展望二

                             北京理工大學(xué) 于啟勛

    在刀具材料的成分中碳化物用得最多。人們對(duì)碳化物的研究較為透徹，所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)也較多。各種金屬碳化物分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，均遵循一定規(guī)律，也能形成復(fù)合碳化物，但其物理、力學(xué)性能測(cè)試還不夠，難以查到確切的數(shù)據(jù)。  

    對(duì)于碳素工具鋼，其主要成分是Fe3C，即滲碳體合金工具鋼中有復(fù)合碳化物，如合金滲碳體(F,Cr)3C等。高速鋼中有更多的復(fù)合碳化物。如鎢系高速鋼，M6C(Fe3W3C, Fe4W2C)是主要的成分在鎢釗系高速鋼中，M6C也是主要成分，其形式為Fe3(W,Mo)3C和Fe4(W、Mo)2C。  

    硬質(zhì)合金中的硬質(zhì)相主要為MC (WC, TiC)等，但經(jīng)常加人Ta,Nb等元素而形成復(fù)合的碳化物，且必須用Co,Ni等元素為粘結(jié)材料。陶瓷中常用Al2O3和Si3N4為基體材料，但經(jīng)常加人碳化物、其他氧化物、其他氮化物或硼化物形成復(fù)合陶瓷。非金屬氮化物Si3N4在陶瓷中發(fā)揮了重要作用，形成了陶瓷刀具材料的一個(gè)重要分支。立方氮化硼也是一種非金屬氮化物。  

    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;而已被付諸應(yīng)用并已為人們所熟知的只是表中的少數(shù)。因此，人們?cè)谘兄菩碌毒卟牧蠒r(shí)，在化學(xué)組成上尚有選擇余地和很大的潛力叮挖當(dāng)然，表中所列的化合物并不是都能被應(yīng)用，因?yàn)槌�了考慮它們的綜合性能，還要顧及資源、價(jià)格、工藝等因素  

    3 刀其材料與工件材料的匹配  

    刀具、工件兩方面材料的力學(xué)、物理、化學(xué)性能必須得到合理的匹配，切削過(guò)程方能正常進(jìn)行，并獲得正常的刀具壽命，否則，刀具就可能會(huì)急劇磨損，其壽命很短。例如，硬度高的工件材料，就必須用更硬的刀具來(lái)加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來(lái)切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質(zhì)合金和陶瓷刀具則能勝任，CBN刀具更佳加工硬脆材料，不僅要求刀具有很高的硬度，還要求有高的彈性模量，否則刃部難以支撐。用硬質(zhì)合金刀具加工淬硬鋼及其他硬脆材料，必須采用彈性模量較高、WC含量較多的K類或M類牌號(hào)。以上是力學(xué)性能的匹配不僅應(yīng)考慮刀具材料的常溫力學(xué)性能，還應(yīng)考慮其高溫性能。在加工導(dǎo)熱性差的工件時(shí)，應(yīng)采用導(dǎo)熱性較好的刀具，以使切削熱得以導(dǎo)出從而降低切削溫度。這是物理性能匹配的例子。  

    工件、刀具雙方材料中的化學(xué)元素如有容易化合、相互發(fā)生化學(xué)作用或擴(kuò)散作用者，應(yīng)設(shè)法回避。例如，含鈦的金屬材料——鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等，不能用含鈦元素的刀具進(jìn)行切削。也就是說(shuō)，P類硬質(zhì)合金、TiC基與Ti(C,N)基硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金(多數(shù)涂層材料含欽)均不能使用;應(yīng)采用K類、M類硬質(zhì)合金或高速鋼。凡加工塑性材料產(chǎn)生長(zhǎng)切屑且與前刀面發(fā)生摩擦者，應(yīng)特別注意刀一屑雙方元素的相互擴(kuò)散，故加工非淬硬鋼材應(yīng)當(dāng)采用P類硬質(zhì)合金或Al203基陶瓷，而不能采用K類合金與Si3N4基陶瓷。金剛石在600-700℃以上時(shí)將轉(zhuǎn)化為石墨,Fe元素將起催化作用而加速這種轉(zhuǎn)化，故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN最適合加工鋼鐵，但只能進(jìn)行干切削，水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學(xué)性能匹配的例子�；瘜W(xué)作用在低溫條件下一般進(jìn)行緩慢，在高溫下加劇力學(xué)、物理、化學(xué)作用有時(shí)是產(chǎn)生綜合影響而相互關(guān)聯(lián)的，對(duì)它們的規(guī)律尤其是對(duì)化學(xué)作用的機(jī)理尚認(rèn)識(shí)不夠深人，有待進(jìn)一步研究。  

    4 刀具材料發(fā)展和展望  

    工件與刀具雙方交替進(jìn)展、相互促進(jìn)，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀(jì)前半、后半時(shí)期分別是高速鋼、硬質(zhì)合金大發(fā)展的年代。近50年中，硬質(zhì)合金不斷提高自身的性能，發(fā)展了許多新品種，從高速鋼的領(lǐng)域中占領(lǐng)了大片陣地，成為當(dāng)前用量超過(guò)一半的刀具材料，這是當(dāng)年人們所未能估計(jì)到的。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)，硬質(zhì)合金的使用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大;高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢(shì)，仍將占有一定的陣地。由于資源、價(jià)格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發(fā)展，代替一部分硬質(zhì)合金刀具。然而，陶瓷與硬質(zhì)合金相比，由于其切削性能的差距不是那么巨大，加上其強(qiáng)度、韌性和可加工性的不足，未來(lái)陶瓷刀具的發(fā)展不會(huì)像過(guò)去硬質(zhì)合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應(yīng)用。新刀具材料的研制周期會(huì)越來(lái)越短，新品種、新牌號(hào)的推出將越來(lái)越快:在刀具材料發(fā)展中，硬度、耐磨性與強(qiáng)度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾有可能在21世紀(jì)中研制出既具有高速鋼、硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種涂層刀具復(fù)合片都能在一定程度上克服上述矛盾，故極有發(fā)展前景。在未來(lái)，刀具材料將接受工件一方及制造系統(tǒng)更新、更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新品種的出現(xiàn)、各自所占比重的變化以及它們相互競(jìng)爭(zhēng)和相互補(bǔ)充的局面，將成為未來(lái)刀具材料發(fā)展的特點(diǎn)。  

    目前，碳化物、氮化物、氧化物、硼化物是刀具材料的主體成分。用石墨合成為人造聚晶金剛石已跳出了這個(gè)圈子。當(dāng)今常用的金剛石為C-12;美國(guó)CE公司已研制出同位素C-13的金剛石，其硬度、強(qiáng)度等均高于現(xiàn)有的金剛石。近期在太空中對(duì)碳分子試驗(yàn)的結(jié)果，又發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子組成的巴基球，即C-60，它比金剛石更堅(jiān)硬�；蛟SC-13、C-60在未來(lái)能成為新的刀具材料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有人采用RF-PECVD法在刀具上涂孤C3N4薄膜，膜的硬度達(dá)到超硬材料的硬度，使刀具的使用壽命大為提高。  

    宇宙間物質(zhì)的形成和變化，復(fù)雜而奇妙：人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)尚處于膚淺階段。在未來(lái)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)和制成嶄新的品種，具有優(yōu)異的性能，適合用作刀具的新材料。筆者期望，在21世紀(jì)中，刀具材料有出人意料的新的飛躍發(fā)展。