切削加工是現(xiàn)代制造業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為80％～85％臣疑，而在國內(nèi)這一比例則高達90％。

　　刀具是切削加工中不可缺少的重要工具徙菠，無論是普通機床讯沈，還是先進的數(shù)控機床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(tǒng)(FMC)婿奔，都必須依靠刀具才能完成切削加工缺狠。刀具的發(fā)展對提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量具有直接影響。材料萍摊、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是決定刀具切削性能的三要素挤茄，其中刀具材料的性能起著關(guān)鍵性作用。國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)在一項研究報告中指出：“由于刀具材料的改進冰木，允許的切削速度每隔l0年幾乎提高一倍”穷劈。刀具材料已從20世紀(jì)初的高速鋼、硬質(zhì)合金發(fā)展到現(xiàn)在的高性能陶瓷踊沸、超硬材料等歇终，耐熱溫度已由500～600℃提高到1200℃以上，允許切削速度已超過1000m／min逼龟，使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時間內(nèi)提高了100多倍评凝。因此可以說，刀具材料的發(fā)展歷程實際上反映了切削加工技術(shù)的發(fā)展史秦代。

　　本文回顧了常規(guī)刀具材料的基本性能潦号，綜合評述了硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀，提出采用晶須增韌補強舵翘、納米復(fù)合強化技術(shù)制備高性能硬質(zhì)合金材料的研究發(fā)展思路昭怕。

　　常規(guī)刀具材料的基本性能

　　(1) 高速鋼

　　1898年由美國機械工程師泰勒(F. W. Taylor)和冶金工程師懷特(M．White)發(fā)明的高速鋼至今仍是一種常用刀具材料。高速鋼是一種加人了較多W服驼、Mo裙都、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼鹅唠，其含碳量為0.7％～1.05％咽皮。高速鋼具有較高耐熱性，其切削溫度可達6000℃给急，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比痒渊，其切削速度可成倍提高疮炼。高速鋼具有良好的韌性和成形性，可用于制造幾乎所有品種的刀具蝇裤，如絲錐廷支、麻花鉆、齒輪刀具栓辜、拉刀恋拍、小直徑銑刀等。但是藕甩，高速鋼也存在耐磨性施敢、耐熱性較差等缺陷，已難以滿足現(xiàn)代切削加工對刀具材料越來越高的要求狭莱；此外僵娃，高速鋼材料中的一些主要元素(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內(nèi)日漸枯竭，據(jù)估計其儲量只夠再開采使用40～60年腋妙，因此高速鋼材料面臨嚴(yán)峻的發(fā)展危機默怨。

　　(2) 陶瓷

　　與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度骤素、紅硬性和耐磨性先壕。因此，加工鋼材時退旅，陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的l0～20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍农幢，且化學(xué)穩(wěn)定性呕长、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷材料的缺點是脆性大肩容、橫向斷裂強度低悯堂、承受沖擊載荷能力差，這也是近幾十年來人們不斷對其進行改進的重點勘米。

　　陶瓷刀具材料可分為三大類：①氧化鋁基陶瓷矗壹。通常是在Al2O3基體材料中加人TiC、WC痪猿、SiC几郎、TaC、ZrO2等成分续残，經(jīng)熱壓制成復(fù)合陶瓷刀具兑狱，其硬度可達93～95HRA，為提高韌性鸵赫，常添加少量Co衣屏、Ni等金屬躏升。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為SiN+TiC+Co復(fù)合陶瓷狼忱，其韌性高于氧化鋁基陶瓷膨疏，硬度則與之相當(dāng)。③氮化硅一氧化鋁復(fù)合陶瓷钻弄。又稱為賽阿龍(Sialon)陶瓷佃却，其化學(xué)成分為77％Si3N4+13％A12O3+10％Y2O3，硬度可達1800HV斧蜕，抗彎強度可達1.20GPa双霍，最適合切削高溫合金和鑄鐵。

　　(3) 金屬陶瓷

　　金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同批销，主要由陶瓷顆粒洒闸、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni均芽、Co丘逸、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金肝珍，低于陶瓷材料跪倘；其橫向斷裂強度大于陶瓷材料，小于硬質(zhì)合金芍司；化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好馏旅，耐剝離磨損，耐氧化和擴散抽堵，具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強度构眶。

　　金屬陶瓷刀具的切削效率和工作壽命高于硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金刀具起忠，加工出的工件表面粗糙度邢＝稹；由于金屬陶瓷與鋼的粘結(jié)性較低聋芹，因此用金屬陶瓷刀具取代涂層硬質(zhì)合金刀具加工鋼制工件時爵林，切屑形成較穩(wěn)定，在自動化加工中不易發(fā)生長切屑纏繞現(xiàn)象沥涕，零件棱邊基本無毛刺臣环。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較差，易碎裂求泰，因此使用范圍有限啤贩。

　　硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀

　　由于硬質(zhì)合金刀具材料的耐磨性和強韌性不易兼顧，因此使用者只能根據(jù)具體加工對象和加工條件在眾多硬質(zhì)合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質(zhì)合金刀具的選用和管理帶來諸多不便痹屹。為進一步改善硬質(zhì)合金刀具材料的綜合切削性能章郁，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面：

　　(1) 細化晶粒

　　通過細化硬質(zhì)相晶粒度、增大硬質(zhì)相晶間表面積志衍、增強晶粒間結(jié)合力暖庄，可使硬質(zhì)合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當(dāng)WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時楼肪，材料的硬度培廓、韌性、強度春叫、耐磨性等均可提高肩钠，達到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質(zhì)合金晶粒度為3～5μm暂殖，細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)岂张，超細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達0.5μm以下(亞微米、納米級)粤沥。超細晶粒硬質(zhì)合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金相比础估，硬度可提高2HRA以上，抗彎強度可提高600～800MPa索射。

　　常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法牙德、化學(xué)氣相沉積法、等離子體沉積法虎铅、機械合金化法等庭钢。等徑側(cè)向擠壓法(ECAE)是一種很有發(fā)展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中钟骏，并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出丹自，且擠壓時的橫截面積不變。經(jīng)過ECAE工藝加工的粉體晶潦幢龋可明顯細化。 　　

　　由于上述晶粒細化工藝方法仍不夠成熟据智，因此在硬質(zhì)合金燒結(jié)過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒甩汞，而晶粒普遍長大將導(dǎo)致材料強度下降，單個的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素篙梢。另一方面顷帖，細晶粒硬質(zhì)合金的價格較為昂貴，對其推廣應(yīng)用也起到一定制約作用渤滞。

　　(2) 涂層硬質(zhì)合金

　　在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上贬墩，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物陶舞，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能嗽测。

　　涂層硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削肿孵；由于其耐用度高唠粥、通用性好，用于小批量停做、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數(shù)晤愧，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金刀具抗月牙洼磨損能力強蛉腌，刀具刃形和槽形穩(wěn)定篇瀑，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動控制瑟顶；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體經(jīng)過鈍化看剃、精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求母谋。

　　上述特點決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS幽州、CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))等自動化加工設(shè)備。但是堰哗，采用涂層方法仍未能根本解決硬質(zhì)合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題匙戚。

　　(3) 表面、整體熱處理和循環(huán)熱處理

　　對強韌性較好的硬質(zhì)合金表面進行滲氮恐梅、滲硼等處理潭三，可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質(zhì)合金進行整體熱處理掀塞，可改變材料中的粘結(jié)成分與結(jié)構(gòu)玖项，降低WC硬質(zhì)相的鄰接度，從而提高硬質(zhì)合金的強度和韌性喂很。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶界間的應(yīng)力惜颇，可全面提高硬質(zhì)合金材料的綜合性能。

　　(4) 添加稀有金屬

　　在硬質(zhì)合金材料中添加TaC少辣、NbC等稀有金屬碳化物凌摄，可使添加物與原有硬質(zhì)相WC、TiC結(jié)合形成復(fù)雜固溶體結(jié)構(gòu)漓帅，從而進一步強化硬質(zhì)相結(jié)構(gòu)锨亏，同時可起到抑制硬質(zhì)相晶粒長大、增強組織均勻性等作用忙干，對提高硬質(zhì)合金的綜合性能大有益處器予。在ISO標(biāo)準(zhǔn)的P浪藻、K、M類硬質(zhì)合金牌號中乾翔，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質(zhì)合金(尤以M類牌號中較多)爱葵。

　　(5) 添加稀土元素

　　在硬質(zhì)合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強度末融，耐磨性亦有所改善钧惧。這是因為稀土元素可強化硬質(zhì)相和粘結(jié)相，凈化晶界粮郁，并改善碳化物固溶體對粘結(jié)相的潤濕性叮歧。添加稀土元素的硬質(zhì)合金最適合粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號学咸。此外菌秘，該類硬質(zhì)合金在礦山工具、頂錘骤顿、拉絲模等硬質(zhì)合金工具中亦有廣闊應(yīng)用前景及奋。我國稀土資源豐富，在硬質(zhì)合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平海黍。

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