硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路【深度解讀】

1、硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀 與發(fā)展思路【深度解讀】硬質(zhì)合金刀具材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路內(nèi)容來源網(wǎng)絡，由“深圳機械展（11萬1100 多家展商，超10萬觀眾）”收集整理！更多cnc加工中心、車銃磨鉆床、線切割、數(shù)控 刀具工具、工業(yè)機器人、非標自動化、數(shù)字化無 人工廠、精密測量、數(shù)控系統(tǒng)、3D打印、激光 切割、鎖金沖壓折彎、精密零件加工等展示，就 在深圳機械展.材料、結構和幾何形狀是決定刀具切削性能的 三要素，其中刀具材料的性能起著關鍵性作 用。國際生產(chǎn)工程學會（CIRP）在一項研究報告 中指出：“由于刀具材料的改進，允許的切削 速度每隔10年幾乎提高一倍”。刀具材料已 從20世紀初的高速鋼、硬質(zhì)

2、合金發(fā)展到現(xiàn)在 的高性能陶瓷、超硬材料等，耐熱溫度已由 500 600 C提高到1200 C以上，允許切 削速度已超過1000m/min,使切削加工生產(chǎn)率在不到100年時間內(nèi)提高了 100多倍。因 此可以說，刀具材料的發(fā)展歷程實際上反映了 切削加工技術的發(fā)展史。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 入了較多 W、Mo、Cr、V等合金元素的高合 金工具鋼，其含碳量為 0.7% 1.05% 。高 速鋼具有較高耐熱性）其切削溫度可達600 C,與碳素工具鋼

3、及合金工具鋼相比，其 切削速度可成倍提高。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， 如絲錐、麻花鉆、齒輪刀具、拉刀、小直徑銃 刀等。但是，高速鋼也存在耐磨性、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；此外，高速鋼材料中的一 些主要元素（如鴇）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，因此高速鋼材料面臨嚴峻的發(fā)展危 機。2）陶瓷與硬質(zhì)合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、 紅硬性和耐磨性。因此，加工鋼材時，陶瓷刀 具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10 20倍，其紅硬性比硬質(zhì)合金高 2 6倍，且化學穩(wěn) 定性、抗氧化能力等均優(yōu)于

4、硬質(zhì)合金。陶瓷材 料的缺點是脆性大、橫向斷裂強度低、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。陶瓷刀具材料可分為三大類：氧化鋁基陶 瓷。通常是在 A12O3基體材料中加入 TiC、 WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，經(jīng)熱壓制成 復合陶瓷刀具，其硬度可達 93 95HRC ,為提高韌性，常添加少量 Co、Ni等金屬。 氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為 Si3N4+TiC+Co 復合陶瓷，其韌性高于氧化 鋁基陶瓷，硬度則與之相當。氮化硅一氧化 鋁復合陶瓷。又稱為賽阿龍 (Sialon)陶瓷，其 化學成分為77%Si3N4+13%Al2O3,硬度可達1800HV ,抗

5、彎強度可達1.20GPa ,最適 合切削高溫合金和鑄鐵。3)金屬陶瓷金屬陶瓷與由 WC構成的硬質(zhì)合金不同，主要 由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結劑Ni、Co、 Mo等構成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬 質(zhì)合金，低于陶瓷材料；其橫向斷裂強度大于 陶瓷材料，小于硬質(zhì)合金；化學穩(wěn)定性和抗氧 化性好，耐剝離磨損，耐氧化和擴散，具有較 低的粘結傾向和較高的刀刃強度。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，加工出的工件表 面粗糙度??；由于金屬陶瓷與鋼的粘結性較 低，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，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，零件

6、棱邊 基本無毛刺。金屬陶瓷的缺點是抗熱震性較 差，易碎裂，因此使用范圍有限。4)超硬材料人造金剛石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度 的材料統(tǒng)稱為超硬材料。金剛石是世界上已知 的最硬物質(zhì)，并具有高導熱性、高絕緣性、高化學穩(wěn)定性、高溫半導體特性等多種優(yōu)良性 能，可用于鋁、銅等有色金屬及其合金的精密 加工，特別適合加工非金屬硬脆材料。1955年，美國GE公司采用高溫高壓法成功合成了 人造金剛石，1966年又研制出人造聚晶金剛 石復合片（PCD）,自此人造金剛石作為一類新 型刀具材料得到迅速發(fā)展。但由于金剛石中的 碳在高溫下易與鐵元素作用而迅速溶解，因此 金剛石刀具不適合加工鐵基合金，從而大大限 制

7、了金剛石在金屬切削加工中的應用。立方氮化硼（CBN）是硬度僅次于金剛石的超 硬材料。雖然 CBN的硬度低于金剛石，但其 氧化溫度高達1360 C,且與鐵磁類材料具有 較低的親和性。因此，雖然目前CBN還是以燒結體形式進行制備，但仍是適合鋼類材料切 削、具有高耐磨性的優(yōu)良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性等優(yōu) 異性能，因此特別適合加工高硬度、高韌性的 難加工金屬材料。如采用 CBN可轉(zhuǎn)位刀片干 式精車淬硬齒輪，每個齒輪的加工成本可降低 60% ;采用配裝球形 CBN刀片的立銃刀精銃 大型硬質(zhì)磨具，磨削時間可比傳統(tǒng)工藝減少 80%。 CBN材料的不足之處是韌性較差的問 題尚待

8、解決。5）硬質(zhì)合金施質(zhì)合金由Schroter 于1926年首先發(fā)明經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具的硬度 已達9893HRA ,在1000 C的高溫下仍 具有較好的紅硬性，其耐用度是高速鋼刀具的 幾十倍。硬質(zhì)合金是由 WC、TiC、TaC、NbC、VC等 難熔金屬碳化物以及作為粘結劑的鐵族金屬 用粉末冶金方法制備而成。與高速鋼相比，它 具有較高的硬度、耐磨性和紅硬性；與超硬材 料相比，它具有較高的韌性。由于硬質(zhì)合金具 有良好的綜合性能，因此在刀具行業(yè)得到了廣 泛應用，目前國外 90%以上的車刀、55%以 上的銃刀均采用硬質(zhì)合金材料制造。硬質(zhì)合金牌號通?？煞譃槿悾篩G類(WC-Co類)：該類

9、硬質(zhì)合金制造的刀具具有 較好的韌性、耐磨性、導熱性等，主要用于加 工鑄鐵、有色金屬和非金屬。 YT類 (WC-TiC-Co 類)：由于材料中加入了 TiC, 使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗彎剛度 有所降低。該類硬質(zhì)合金具有高硬度和高耐熱 性，抗粘結、抗氧化能力較好，適用于加工鋼 材，切削時刀具磨損小，耐用度較高。 YW 類(WC-TiC-TaC-Co 類)：在YT材料中加入 TaC是為了提高刀具的強度、韌性和紅硬性。 該類硬質(zhì)合金材料具有很高的高溫硬度、高溫 強度和較強的抗氧化能力，特別適于加工各種 高合金鋼、耐熱合金和各種合金鑄鐵。雖然近年來各種新型刀具材料層出不窮，但在 今后相當長一段

10、時間內(nèi)，硬質(zhì)合金刀具仍將廣 泛應用于切削加工，因此需要研究開發(fā)新的材料制備技術，進一步改善和提高硬質(zhì)合金刀具 材料的切削性能。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。為進一步改善硬質(zhì)合金刀具材料 的綜合切削性能，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、增強晶粒間結合力，可使硬質(zhì)合金刀具材 料的強度和耐磨性均得到提高。當WC晶粒尺 寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、 強度、耐

11、磨性等均可提高，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 5 m ,細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度為1 1.5m（微米級），超細晶粒硬質(zhì)合金晶粒度可達 0.5 m以下（亞微米、納米級）。超細晶粒硬質(zhì) 合金與成分相同的普通硬質(zhì)合金箱比，硬度可 提高2HRA 以上，抗彎強度可提高 600 800MPa 。常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉 積法、化學氣相沉積法、等離子體沉積法、機 械合金化法等。等徑側向擠壓法（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，并沿某一與擠壓方向不同（也不相反）的方向擠出，且擠壓時的橫截面積 不變。經(jīng)過ECAE工藝加工的粉體晶粒

12、可明顯 細化。由于上述晶粒細化工藝方法仍不夠成熟，因此 在硬質(zhì)合金燒結過程中納米晶粒容易瘋長成 粗大晶粒，而晶粒普遍長大將導致材料強度下 降，單個的粗大 WC晶粒則常常是引起材料斷 裂的重要因素。另一方面，細晶粒硬質(zhì)合金的 價格較為昂貴，對其推廣應用也起到一定制約 作用。2）涂層硬質(zhì)合金在韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，通過CVD（化學氣相沉積）、PVD（物理氣相沉積）、HVOF（HighVelocity Oxy-Fuel ThermalSpraying）等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化 合物，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結 合而提高硬質(zhì)合金刀具的綜合性能。涂層硬質(zhì) 合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱

13、性，特別適 合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用 于小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效 減少換刀次數(shù)，提高加工效率；涂層硬質(zhì)合金 刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩(wěn) 定，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；涂層硬質(zhì)合金刀具的基體 經(jīng)過鈍化、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。上述特點 決定了涂層硬質(zhì)合金刀具特別適用于FMS、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等自動化加工設 備。但是，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。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、滲硼 等處理）可有

14、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，可改變材料中的粘結成分與結構，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。利用循環(huán)熱處理工藝緩解或消除晶 界間的應力，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、NbC等稀有金 屬碳化物，可使添加物與原有硬質(zhì)相 WC、TiC 結合形成復雜固溶體結構，從而進一步強化硬 質(zhì)相結構，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，對提高硬質(zhì)合金的綜 合性能大有益處。在ISO標準的P、K、M類 硬質(zhì)合金牌號中，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）。

15、5）添加稀土元素在硬質(zhì)合金材料中添加少量鉉等稀土元素，可 有效提高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有 所改善。這是因為稀土元素可強化硬質(zhì)相和粘 結相，凈化晶界，并改善碳化物固溶體對粘結 相的潤濕性。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。此外， 該類硬質(zhì)合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬 質(zhì)合金工具中亦有廣闊應用前景。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。硬質(zhì)合金刀具材料的發(fā)展思路應用晶須增韌補強、納米粉復合強化技術全面 提高硬質(zhì)合金刀具材料的硬度、韌性等綜合性 能，是硬質(zhì)合金刀具材料研究今后發(fā)展的重要 方向。1）晶須增韌補強技術a.增韌機理由

16、于硬質(zhì)合金刀具材料的斷裂韌性欠佳，因此 很難應用于一些對刀具韌性要求較高的加工 場合（如微型深孔鉆削等）。解決這一問題的一 種有效方法是使用晶須增韌補強技術。加入硬質(zhì)合金材料中的晶須能吸收裂紋擴展 的能量，吸收能量的大小則由晶須與基體的結 合狀態(tài)決定。晶須增韌機制主要表現(xiàn)為：晶 須拔出增韌：晶須在外界負載作用下從基質(zhì)中 拔出時，因界面摩擦而消耗掉一部分外界負載 能量，從而達到增韌目的，其增韌效果受晶須 與界面滑動阻力的影響。晶須與基體界面之間 必須有足夠的結合力，以使外界負載能有效傳 遞給晶須，但該結合力又不能太大，以便保持足夠的拔出長度。裂紋偏轉(zhuǎn)增韌：當裂紋尖 端遇到彈性模量大于基質(zhì)的第二相

17、時，裂紋將 偏離原來的前進方向，沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi) 擴展。由于裂紋的非平面斷裂比平面斷裂具有 更大的斷裂表面，因此可吸收更多外界能量， 從而起到增韌作用。在基質(zhì)內(nèi)加入高彈性模量 的晶須或顆粒均可引起裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機制。 晶須橋接增韌：當基質(zhì)斷裂時，晶須可承受外 界載荷并在斷開的裂紋面之間起到橋梁連接 作用。橋接的晶須可對基質(zhì)產(chǎn)生使裂紋閉合的 力，消耗外界載荷做功，從而提高材料韌性。b.晶須的選用及添加方式目前常用的晶須材料主要有 SiC、TiC、TiB2、 A12O3、MgO、氮化硼、莫來石等。但研究 重點應放在單晶SiC晶須材料上，這是由于 SiC本身具有良好的抗熱震性以及纖維狀（針狀）Si

18、C粉末體較易獲得。SiC晶須的添加方式主要有兩種：外加晶須 方式：將一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮 化物等為基體的粉末材料中，通過制造加工獲 得晶須增韌制品。這種方式目前使用較廣泛。合成晶須方式：將粉末基體與SiO2、碳黑、燒結助劑等混合后，在一定溫度和壓力下合成 SiCw晶須，然后通過制造加工獲得晶須增韌 制品。這種方法目前尚在進一步研究開發(fā)之 中。一般選用SiCw晶須的直徑范圍為 0.01 3 pm ,長度范圍為0.1300 pm ,晶 須的長徑比取值為10 , SiCw晶須添加量為5% 40%。我國目前使用的 SiCw晶須特 性見表1。c.晶須的取向與含量晶須增韌硬質(zhì)合金材料熱壓成形

19、后，晶須的分 布呈現(xiàn)出明顯的方向性，在不同方向上因晶須 取向不同而表現(xiàn)出不同的增韌效果。因此，在 制造硬質(zhì)合金刀片時應考慮晶須取向?qū)Φ毒?切削性能的影響。此外，WC-Co-SiCw 材料中的晶須含量不同，其增韌效果也有較大差 異。如晶須含量過多，會因燒結困難而難以獲 得致密度高的材料組織，從而影響硬質(zhì)合金材 料強度；如晶須含量過少，則晶須增韌效果不 明顯，材料斷裂韌性提高有限，晶須可能非但 起不到增韌作用，反而成為多余夾雜物甚至缺 陷源。因此，存在一個最佳晶須配比，按此配 比添加晶須，不僅可獲得致密度高的材料，而 且外載能通過界面?zhèn)鹘o晶須，有效實現(xiàn)晶須的 增韌作用。為達此目的，應根據(jù)刀具損壞方

20、式 的不同，分別優(yōu)選出具有不同晶須含量和不同 晶須取向的WC-Co-SiCw 刀具進行切削加 工，以充分實現(xiàn)這種刀具材料的增韌補強作 用。2）納米復合強化技術a.強化機理納米技術是近年來發(fā)展迅速的一門新興技術。當材料的晶粒尺寸達到納米級，就會產(chǎn)生許多 特異性能。由于納米材料具有較大界面，界面 上的原子排列相當混亂，在外力變形條件下極 易遷移，因此使材料表現(xiàn)出良好的韌性與延展 性。納米刀具材料的顯微結構物相具有納米級 尺度，由于尺寸效應的作用，晶界面積增大， 抗裂紋擴張阻力提高，從而可獲得優(yōu)異的力學 性能（如斷裂韌性、抗彎強度、硬度等 ），表現(xiàn) 出良好的切削性能。由于生產(chǎn)工藝不成熟、價格昂貴以及

21、燒結過程 中納米晶粒容易發(fā)生瘋長等原因，迄今世界上 還沒有一家公司實現(xiàn) 100nm粒度硬質(zhì)合金材 料的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。因此，納米硬質(zhì)合金材 料的工業(yè)化應用還有待時日。但是人們發(fā)現(xiàn)， 在細晶粒硬質(zhì)合金基體中加入納米顆粒，也可 使硬質(zhì)合金基體材料的硬度、韌性等綜合性能 有較大提高。因此，采用納米復合強化是改善 細晶粒硬質(zhì)合金材料性能的有效途徑。納米復合強化機理主要是因為彌散在硬質(zhì)合 金基體材料中的納米顆粒具有彌散增韌作用。 當在基質(zhì)材料中加入高彈性模量的第二相粒 子（納米顆粒）后，這些粒子在基質(zhì)材料受到拉 伸作用時將阻止橫向截面收縮，而要達到與基 體相同的橫向收縮，就則增大縱向拉應力，這 樣就可使

22、材料消耗更多能量，起到增韌效果。 同時，高彈性模量顆粒對裂紋可起到“釘扎” 作用，使裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)、繞道，從而耗散裂紋 前進的動力，起到增韌作用。此外，彌散在硬 質(zhì)合金基體材料中的納米顆?？梢种朴操|(zhì)合金晶粒在燒結過程中的長大，綜合提高硬質(zhì)合 金材料的機械性能。b.抑制劑的選擇制備納米復合細晶粒硬質(zhì)合金時，一個重要問 題是在燒結過程中如何抑制晶粒的長大。細晶 粒硬質(zhì)合金在燒結時極易快速長大，晶粒長大 會導致材料強度下降，單個的粗大WC晶粒常 常是硬質(zhì)合金發(fā)生斷裂的重要誘因。通過添加 抑制劑能有效阻止燒結過程中WC晶粒的長大,而消除WC晶粒局部長大的關鍵在于抑制 劑的均勻分布。晶粒長大現(xiàn)象主要發(fā)生在

23、WC的溶解沉淀過程中，即WC溶解在液相中并沉 淀在較大 WC晶體上而導致晶粒長大。 抑制劑 可抑制晶粒長大的一個重要機理在于加入抑 制劑可降低 WC在粘結相中的溶解度，使WC 晶粒的溶解一析出機制受到阻礙，從而破壞晶粒長大的條件；同時，加入的抑制劑可沉積在 WC晶粒的活化長大晶粒上，從而阻止晶粒進 一步長大。通常用于控制WC晶粒長大的抑制劑有 VC、 Cr3C2等，此外，添加的難溶碳化物還有 TiC、 ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC 等。圖 1 所示 為制備 WC-X-20%Co（X 為添加的碳化物）硬 質(zhì)合金時（1400 C下燒結1小時）WC的平均 晶粒度與各種碳化物單獨添加量之間的關系。由圖可見，各種碳化物抑制劑控制 WC