刀具發展與未來

1 刀具材料的重要作用及其發展過程


刀具材料的發展與人類社會生活、生產的發展，有著極為密切的關係。對於古人類，“刀”和“火”的認識和應用，是兩項最偉大的發明，是人類登上歷史舞臺的重要標誌刀具材料的改進推動著人類社會文化和物質文明的發展。例如在人類歷史中，曾有過舊石器時代、新石器時代，青銅器時代和鐵器時代等。與石器時代對應的是人類的原始社會;與青銅器時代對應的是人類的奴隸社會;與鐵器時代對應的是人類的封建社會及其以後的時代。

在傳統的機械加工中，刀具材料、刀具結構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鍵作用。在電腦集成先進製造系統出現後，在刀具使用中還應考慮“刀具系統”問題。近年來，各種難加工材料的出現和應用，先進製造系統、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“綠色製造”和“潔淨製造”的發展與付諸實用，都對刀具特別是對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製作工具，如玉、石、天然金剛石甚至隕鐵都曾得到過應用。在奴隸制社會，曾用青銅製作工具；在“春秋”、“戰國”之交，特別是到了秦朝的時代，進入封建社會的時候，鋼、鐵工具開始出現，碳素工具鋼開始得到應用，那時的碳素工具鋼與現代的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量相對較高。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，英國的羅伯特‧墨希特(Rohert Mushet)發明了合金工具鋼，其牌號有CrWMn，9CrSi等，能承受350℃的切削溫度，加工一般鋼材時切削速度可提高到10-12m/min。為了適應加工效率進一步提高的要求，美國機械工程師泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程師懷特(M.White)于1898年發明了高速鋼，當時的成分為C0.67%, W18.91%，Cr5.47%，V0.29%，Mn0.11%，Fe為餘量。它能夠承受550-600℃的切削溫度，切削一般鋼材可採用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世紀末到20世紀初，曾使美國、英國等主要資本主義國家的切削水平出現了一個飛躍，從而獲得了巨大的經濟效益，機械製造工業也賴以迅速發展。

隨著人類生活、生產水平的提高，高速鋼刀具已不能滿足高效率加工、高質量加工以及難加工材料切削的要求。20世紀20年代到30年代，人們發明了鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質合金，其常溫硬度達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，因而被迅速推廣應用。在第二次世界大戰期間，由於兵工生產的需要，美、英、蘇、德各國開始部分使用硬質合金刀具;二戰結束後，逐步擴大使用。

50年代初，我國從蘇聯少量引進硬質合金，替代高速鋼刀具在生產中應用。後來，在蘇聯援助下，我國建設了蘇州硬質合金廠；又自力更生，用本國的技術和力量，建成了自貢硬質合金廠。經過40年的努力，中國硬質合金刀具材料的產量已居世界各國的前列，成為生產硬質合金的大國，20世紀後半期，工件材料的品種不斷增多，其機械性能不斷提高，工件的批量和加工精度也不斷加大和提高，因而對刀具的使用性能不斷提出更新、更高要求。硬質合金刀具材料為了適應新的要求，自身有了更新的發展，出現了許多新品種，其性能比之過去有了很大的提高。

與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具較脆，韌性不足，可加工性也不好，故開始時只用於一般車刀，後來發展到用於面銑刀及其他刀具；但迄今為止，仍不能用於所有種類的刀具。高速鋼刀具也有了發展，出現了許多新品種。然而，半個世紀來，一半以上的高速鋼刀具被硬質合金刀具所替代；高速鋼刀具材料憑藉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。當代，硬質合金和高速鋼是兩種最主要的、用得最多的刀具材料。它們的總和當占全部刀具的95%以上。

硬質合金刀具仍不能滿足現代高硬度工件材料和超精密加工的要求，於是更新的刀具材料相繼出現。20世紀中期出現了氧化鋁及氧化鋁基複合陶瓷，稍後又出現了氮化矽及氮化矽基複合陶瓷。20世紀中後期，又製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於硬質合金與陶瓷由於韌性和可加工性的不足，以及價格等原因，陶瓷、氮化硼及金剛石刀具材料的應用尚受到更大的局限。

綜上所述，刀具(工具)材料的發展，對人類社會的發展發揮了極其重要的作用。20世紀中，刀具(工具)材料的發展比過去幾十世紀要快得多，刀具材料的品種、類型、數量、性能都有了很大的發展和提高。“百花齊放，推陳出新”；20世紀特別是後半個世紀，刀具材料大發展，大提高，令人眼花暸亂，目不暇給，從而推動人類的物質文明迅猛前進。

2 刀具材料的化學成分

在古代，人類所用的刀具材料多為天然物質，如石材、天然金剛石等。近代、現代所用的刀具材料絕大多數出於人造，以便保證大量供應，並使質地均勻、可靠。

縱觀現代的各種刀具材料，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1至表4所示，這些化合物都具有高硬度、高熔點、高彈性模量等特性，這正是刀具材料所需要的性質。

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，矽(Si)和硼(B)並不是金屬，但結合後，硬度也很高，可以作為刀具材料而被利用。而氮(N)與硼(B)的結合，更能形成超硬刀具材料CBN。

密度

103kg/m3 熔點

℃ 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


在刀具材料的成分中碳化物用得最多。人們對碳化物的研究較為透徹，所得到的測試資料也較多。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，均遵循一定規律，也能形成複合碳化物，但其物理、力學性能測試還不夠，難以查到確切的資料。

對於碳素工具鋼，其主要成分是Fe3C，即滲碳體合金工具鋼中有複合碳化物，如合金滲碳體(F,Cr)3C等。高速鋼中有更多的複合碳化物。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。

硬質合金中的硬質相主要為MC (WC, TiC)等，但經常加入Ta,Nb等元素而形成複合的碳化物，且必須用Co,Ni等元素為粘結材料。陶瓷中常用Al2O3和Si3N4為基體材料，但經常加入碳化物、其他氧化物、其他氮化物或硼化物形成複合陶瓷。非金屬氮化物Si3N4在陶瓷中發揮了重要作用，形成了陶瓷刀具材料的一個重要分支。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;而已被付諸應用並已為人們所熟知的只是表中的少數。因此，人們在研製新刀具材料時，在化學組成上尚有選擇餘地和很大的潛力，當然，表中所列的化合物並不是都能被應用，因為除了考慮它們的綜合性能，還要顧及資源、價格、工藝等因素。

3 刀具材料與工件材料的匹配

刀具、工件兩方面材料的力學、物理、化學性能必須得到合理的匹配，切削過程方能正常進行，並獲得正常的刀具壽命，否則，刀具就可能會急劇磨損，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加工；高速鋼刀具硬度不夠，不能用來切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵，硬質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。用硬質合金刀具加工淬硬鋼及其他硬脆材料，必須採用彈性模量較高、WC含量較多的K類或M類牌號。以上是力學性能的匹配不僅應考慮刀具材料的常溫力學性能，還應考慮其高溫性能。在加工導熱性差的工件時，應採用導熱性較好的刀具，以使切削熱得以導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元素如有容易化合、相互發生化學作用或擴散作用者，應設法迴避。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行切削。也就是說，P類硬質合金、TiC基與Ti(C,N)基硬質合金、塗層硬質合金(多數塗層材料含欽)均不能使用;應採用K類、M類硬質合金或高速鋼。凡加工塑性材料產生長切屑且與前刀面發生摩擦者，應特別注意刀一屑雙方元素的相互擴散，故加工非淬硬鋼材應當採用P類硬質合金或Al203基陶瓷，而不能採用K類合金與Si3N4基陶瓷。金剛石在600-700℃以上時將轉化為石墨,Fe元素將起催化作用而加速這種轉化，故金剛石刀具不能加工鋼鐵材料。CBN最適合加工鋼鐵，但只能進行乾切削，水基切削液在高溫下將使CBN分解。這些是化學性能匹配的例子。化學作用在低溫條件下一般進行緩慢，在高溫下加劇力學、物理、化學作用有時是產生綜合影響而相互關聯的，對它們的規律尤其是對化學作用的機理尚認識不夠深入，有待進一步研究。

4 刀具材料發展和展望

工件與刀具雙方交替進展、相互促進，成為切削技術不斷向前發展的歷史規律。20世紀前半、後半時期分別是高速鋼、硬質合金大發展的年代。近50年中，硬質合金不斷提高自身的性能，發展了許多新品種，從高速鋼的領域中佔領了大片陣地，成為當前用量超過一半的刀具材料，這是當年人們所未能估計到的。預計在21世紀，硬質合金的使用範圍將進一步擴大;高速鋼憑藉其綜合性能的優勢，仍將佔有一定的陣地。由於資源、價格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發展，代替一部分硬質合金刀具。然而，陶瓷與硬質合金相比，由於其切削性能的差距不是那麼巨大，加上其強度、韌性和可加工性的不足，未來陶瓷刀具的發展不會像過去硬質合金替代高速鋼那樣迅猛。超硬材料將得到更多的應用。

新刀具材料的研製週期會越來越短，新品種、新牌號的推出將越來越快:在刀具材料發展中，硬度、耐磨性與強度、韌性難以兼顧仍是主要矛盾有可能在21世紀中研製出既具有高速鋼、硬質合金的強度和韌性，又具有超硬材料的硬度和耐磨性的刀具材料。各種塗層刀具複合片都能在一定程度上克服上述矛盾，故極有發展前景。在未來，刀具材料將接受工件一方及製造系統更新、更嚴峻的挑戰。新品種的出現、各自所占比重的變化以及它們相互競爭和相互補充的局面，將成為未來刀具材料發展的特點。

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圈子。當今常用的金剛石為C-12;美國CE公司已研製出同位素C-13的金剛石，其硬度、強度等均高於現有的金剛石。近期在太空中對碳分子試驗的結果，又發現了由60個碳原子組成的巴基球，即C-60，它比金剛石更堅硬。或許C-13、C-60在未來能成為新的刀具材料。近年來，國內外有人採用RF-PECVD法在刀具上塗孤C3N4薄膜，膜的硬度達到超硬材料的硬度，使刀具的使用壽命大為提高。

宇宙間物質的形成和變化，複雜而奇妙，人類對自然界的認識尚處於膚淺階段。在未來，可能會發現和製成嶄新的品種，具有優異的性能，適合用作刀具的新材料。筆者期望，在21世紀中，刀具材料有出人意料的新的飛躍發展。

資料來源(轉載)：上虎(上海)精密工具股份有限公司-27,Aug.2007
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