硬質合金刀具材料的研究現狀與發展思路

1.引言

切削加工是現代制造業應用最廣泛的加工技術之一。據統計，國外切削加工在整個制造加工中所占比例約為80％～85％，而在國內這一比例則高達90％。

刀具是切削加工中不可缺少的重要工具，無論是普通機床，還是先進的數控機床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系統(FMC)，都必須依靠刀具才能完成切削加工。刀具的發展對提高生產率和加工質量具有直接影響。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l0年幾乎提高一倍”。刀具材料已從20世紀初的高速鋼、硬質合金發展到現在的高性能陶瓷、超硬材料等，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，使切削加工生產率在不到100年時間內提高了100多倍。因此可以說，刀具材料的發展歷程實際上反映了切削加工技術的發展史。

本文回顧了常規刀具材料的基本性能，綜合評述了硬質合金刀具材料的研究現狀，提出采用晶須增韌補強、納米復合強化技術制備高性能硬質合金材料的研究發展思路。

2.常規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、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6000℃，與碳素工具鋼及合金工具鋼相比，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、小直徑銑刀等。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(如鎢)的儲藏資源在世界范圍內日漸枯竭，據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展危機。

(2)陶瓷
與硬質合金相比，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合金刀具的l0～20倍，其紅硬性比硬質合金高2～6倍，且化學穩定性、抗氧化能力等均優于硬質合金。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：①氧化鋁基陶瓷。通常是在Al2O3基體材料中加人TiC、WC、SiC、TaC、ZrO2等成分，經熱壓制成復合陶瓷刀具，其硬度可達93～95HRA，為提高韌性，常添加少量Co、Ni等金屬。②氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷為SiN+TiC+Co復合陶瓷，其韌性高于氧化鋁基陶瓷，硬度則與之相當。③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％A12O3+10％Y2O3，硬度可達1800HV，抗彎強度可達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，小于硬質合金；化學穩定性和抗氧化性好，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合金、涂層硬質合金刀具，加工出的工件表面粗糙度小；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合金刀具加工鋼制工件時，切屑形成較穩定，在自動化加工中不易發生長切屑纏繞現象，零件棱邊基本無毛刺。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。

3．硬質合金刀具材料的研究現狀
由于硬質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具體加工對象和加工條件在眾多硬質合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質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
通過細化硬質相晶粒度、增大硬質相晶間表面積、增強晶粒間結合力，可使硬質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。普通硬質合金晶粒度為3～5μm，細晶粒硬質合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)，超細晶粒硬質合金晶粒度可達0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質合金與成分相同的普通硬質合金相比，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。經過ECAE工藝加工的粉體晶粒可明顯細化。

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)涂層硬質合金

在韌性較好的硬質合金基體上，通過CVD(化學氣相沉積)、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，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結合而提高硬質合金刀具的綜合性能。

涂層硬質合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，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，提高加工效率；涂層硬質合金刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩定，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；涂層硬質合金刀具的基體經過鈍化、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合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機集成制造系統)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、整體熱處理和循環熱處理
對強韌性較好的硬質合金表面進行滲氮、滲硼等處理，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硬質相的鄰接度，從而提高硬質合金的強度和韌性。利用循環熱處理工藝緩解或消除晶界間的應力，可全面提高硬質合金材料的綜合性能。

(4)添加稀有金屬
在硬質合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物，可使添加物與原有硬質相WC、TiC結合形成復雜固溶體結構，從而進一步強化硬質相結構，同時可起到抑制硬質相晶粒長大、增強組織均勻性等作用，對提高硬質合金的綜合性能大有益處。在ISO標準的P、K、M類硬質合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質合金(尤以M類牌號中較多)。

(5)添加稀土元素
在硬質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，耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強化硬質相和粘結相，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，該類硬質合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質合金工具中亦有廣闊應用前景。我國稀土資源豐富，在硬質合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。