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高速切削刀具材料的進展和未來

來源: admin   發布時間: 2015-04-09   2149 次瀏覽   大小:  16px  14px  浙江快乐12开奖结果

1概況

  機械加工發展的總趨勢是高效率、高精度、高柔性和強化環境意識。在機械加工領域,切(磨)削加工是應用最廣泛的加工方法。高速切削是切削加工的發展方向,已成為切削加工的主流。它是先進制造技術的重要共性關鍵技術。推廣應用高速切削技術將大幅度提高生產效率和加工質量并降低成本。高速切削技術的發展和應用決定于機床和刀具技術的進步,其中刀具材料的進步起決定性的作用。研究表明,高速切削時,隨著切削速度的提高,切削力減小,切削溫度上升很高,達到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機械摩擦、粘結、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損,因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學性能、熱物理性能、抗粘結性能、化學穩定性(氧化性、擴散性、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等?;謖庖灰?,近20多年來,發展了一批適于高速切削的刀具材料,可在不同切削條件下,切削加工各種工件材料。目前,可以2500~5000m/min的高速切削鋁合金(Si含量≤12%,大于12%的為500~1500m/min):以500~1500m/min切削鑄鐵:300~1000m/min切削鋼:100~400m/min切削淬硬鋼、耐熱合金:90~200m/min切削鈦合金等。當然人們還期待著以超高切削速度進行加工而獲得更好的效果。

  2國外高速切削刀具材料的進展和應用

  高速切削時,對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件,才能獲得最佳的切削效果。據此,針對目前生產中廣泛應用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削,已發展的刀具材料主要有:金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和TiC(N)基硬質合金刀具(金屬陶瓷)等。

  金剛石刀具

  金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質中最高的硬度和導熱系數。但由于價格昂貴,加工、焊接都非常困難,除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工),很少作為切削工具應用在工業中。隨著高技術和超精密加工日益發展,例如微型機械的微型零件,原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈或火箭中的導航陀螺,計算機硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工,單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和?;て漲ズ附鷥帳際?,使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易,因此,在超精密鏡面切削的高技術應用領域,天然金剛石起到了重要作用。

  20世紀50年代利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉以后,70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石(PCD),PCD晶粒呈無序排列狀態,不具方向性,因而硬度均勻。它有很高的硬度(8000~12000HV)和導熱性,低的熱脹系數,高的彈性模量和較低的摩擦系數,刀刃非常鋒利。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料,如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同,對性能產生的影響也不同,晶粒尺寸越大,其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下,晶粒尺寸越小,則刃口質量越好。例如,選用晶粒尺寸10~25μm的PCD刀具,可以500~1500m/min的高速粒尺寸8~9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金:晶粒尺寸4~5μm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工,則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是燒結成金剛石-硬質合金復合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置,在5~6萬個大氣壓,1400~1600℃的高溫下,可人工合成形狀整齊、雜質非常少的單晶金剛石,質量均勻穩定,結晶面非常清晰,識別容易。它具有所有物質中最高的導熱率及與天然金剛石同等以上的強度。目前最大尺寸可達8mm。這種單晶金剛石的尺寸、形狀和性能的良好一致性,在天然金剛石產品中是不可能實現的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超過700℃時會減弱,因其結構中含有金屬Co,它會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。但有較好的斷裂韌性,可以進行斷續切削。例如,可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。當前,人工合成單晶金剛石刀具材料的應用得到了迅速的發展,其新應用領域是木材加工業。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時,木板耐磨層會引起刃口鈍化,導致氧化鋁耐磨層碎裂,必須經常磨刀或更換刀片,而人工單晶金剛石性能顯著優于PCD刀具。

  目前正在研究和開發化學氣相沉積CVD金剛石,沉積出的是交互生長極好的PCD,呈柱狀結構且非常致密。隨著生長條件的不同,CVD金剛石也呈現不同的晶粒尺寸和結構,它不需金屬催化劑,因此它的熱穩定性接近天然金剛石。根據不同的應用要求,可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應用不同,要求有多種不同的晶粒尺寸。CVD金剛石制成兩種形式:一種是在基體上沉積厚度小于30μm的薄層膜(CVD薄膜):另一種是沉積厚度達1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應用不多。CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術釬焊在基體上,但要保證釬焊點的強度。它與PCD相比,熱穩定性好但脆性較高,且不導電。不能用于放電加工(EDM)技術中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應用。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩定性,在高耐磨性材料的高速切削加工領域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功,還有待于繼續試驗和評價。CVD厚膜金剛石目前的成本較高,隨著技術的發展,成本逐漸降低,它將是PCD有力的競爭對手。

  三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為:PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高,抗磨損性和刃口質量居中,抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性最好,機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中,可焊接性差。人工合成單晶金剛石刃口質量,抗磨損性和抗腐蝕性最好,焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。

  金剛石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料,但由于碳對鐵的親和作用,特別是在高溫下,金剛石能與鐵發生化學反應,因此它不宜于切削鐵及其合金工件。

  立方氮化硼

  立方氮化硼(CBN)是純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結性能很差,直至70年代才制成立方氮化硼燒結塊(聚晶立方氮化硼PCBN),它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiC、TiN、Al2O3)在高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致密相,有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300~1500℃),優良的化學穩定性(遠優于金剛石)和導熱性,低的摩擦系數。PCBN與Fe族元素親和性很低,所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列,硬度均勻,沒有方向性,具有一致的耐磨性和抗沖擊性,克服CBN易解理和各向異性缺點。CBN含量、晶粒尺寸和粘結相等會影響PCBN的性能。CBN含量高,PCBN的硬度和導熱性高,CBN晶粒尺寸大,其抗破損性就弱,刀刃鋒利性就差,金屬材料Co、Ni作粘結相時,PCBN有較好的韌性和導電性,陶瓷材料作粘結相時,則有較好的熱穩定性。目前多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結或釬焊在硬質合金基體上,做成PCBN復合片,有利于提高強度,可焊性也好,便于制造PCBN刀具。

  PCBN刀坯從組織上看,大致有兩種。一種是高含量PCBN(CBN,質量80%~90%),以CBN晶粒之間直接結合為主,具有高硬度、高導熱性。另一種是低CBN含量的PCBN,它是用少量金屬或陶瓷粘結相牢固地結合起來的,有較好的強度和韌性。一般較低CBN含量(50%~65%)的PCBN刀具適于精加工45~65HRC的淬硬鋼,高含量(80%~90%)的適于加工鎳鉻鑄鐵,粗和半粗斷續切削淬硬鋼,高速切削鑄鐵,加工硬質合金、燒結金屬和重合金等。選擇合適CBN含量的PCBN刀具可以在500~1500m/min高速下加工鑄鐵,在100~400m/min下加工45~65HRC的淬硬鋼,在100~200m/min下加工耐熱合金。但不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金,特別不宜于加工35HRC以下的工件。涂層CBN刀具尚在研究中。

  陶瓷刀具

  陶瓷刀具為高速切削最重要的刀具材料之一。目前各國陶瓷刀片生產數量占可轉位刀片的比例約為:美國3%~5%,俄羅斯5%~7%,日本7%~9%,德國9%~12%,英國、法國、瑞典等也在大力推廣應用。由于現代陶瓷刀具原材料、組分和制備工藝取得了長足進步,近5年來,陶瓷刀具的銷售額增長率達20%。國際上現已發展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4)兩大系列,添加各種各樣的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物,形成不同品種的氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。現有40多個品種,200多個牌號,其中氧化鋁基為25種多,氮化硅基的近15種。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性,其硬度達93~95HRA,耐磨性好,適于加工50~65HRC的高硬度材料,如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。高溫性能好,在1200℃的高溫下仍能進行切削。具有良好的抗粘結性能,Al2O3與金屬的親和力小,它與多種金屬的相互反應能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低,不容易與金屬產生粘結,化學穩定性好,Al2O3在鐵中的溶解率約為WC的1/5,擴散磨損小,Al2O3的抗氧化能力特別好,即使刀刃處于熾熱狀態,也能長時間連續使用,適于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系數也低于硬質合金。Al2O3基陶瓷刀具的主要缺點是強度和斷裂韌性較低,脆性較大,導熱性差,抗熱震性不高。但幾十年來,在提高陶瓷刀具的力學性能上做了大量卓有成效的研究工作,如采用熱壓和熱等靜壓工藝,加入各種增韌補強相,如在Al2O3中加入金屬碳化物、氮化物、硼化物及純金屬和晶須等,如Al2O3+TiC、Al2O3+ZrO2、Al2O3+SiCw(晶須)、Al2O3+TiN,Al2O3+TiCN等,有的在這些組合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金屬和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化鋁基陶瓷刀具可以高速切削鋼、鑄鐵及其合金等,Al2O3+SiCw適于加工鎳基合金。

  氮化硅(Si3N4)基陶瓷與Al2O3基陶瓷比較,其最顯著的特點為強度和斷裂韌性較高,熱脹系數低,彈性模量也低,故其抗熱震性能高。Si3N4基陶瓷刀具適于加工鑄鐵,連續和斷續切削都優于Al2O3基陶瓷刀具,也可以用于冷硬鑄鐵、高硬軋輥等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其與鐵的化學親和性明顯超過Al2O3基陶瓷,化學反應生成的低熔點化合物會使刀刃在短時間內破壞,因此Si3N4基陶瓷刀具加工鋼件就比Al2O3基的差得多。Si3N4基陶瓷刀具也是在Si3N4中加入各種增韌補強相形成多品種的陶瓷刀具。

  Si3N4-Al2O3(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品種,它是在Si3N4基礎上通過用氧部分置換Si3N4中的氮,并以鋁部分置換其中的硅的方法研制成功的,是由Si-Al-O-N各種構成的多種化合物群的總稱。Sialon陶瓷刀具的強度和斷裂韌性較高,化學穩定性、抗氧化能力和高溫抗蠕變能力都很好,導熱性高,熱脹系數小,故有很高的抗熱震性能。由于其抗蠕變強度高,因而在刀尖處受到反復集中的高應力和熱的作用時,也沒有因塑性變形而明顯增大損壞的現象,它是高速粗加工鑄鐵及鎳基合金優良的刀具材料。在精車和半精車鎳基合金等難加工材料時,晶須增韌陶瓷刀具有優越性。粗車和銑削時,Sialon陶瓷刀具更具適應性,但它的溶解磨損速率比Al2O3基陶瓷刀具高很多,因而不適于加工鋼件。

  陶瓷刀具選擇合適的品種可以用500~1000m/min的高速切削鑄鐵,用300~800m/min的速度切削鋼件,用100~200m/min的速度切削高硬材料(50~65HRC),用100~300m/min的速度切削耐熱合金。

  TiC(N)基硬質合金

  TiC (N)基硬質合金的主要成分是TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦),它們是以高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高韌性的TiC+WC +TaC+Co、強韌的TiN為主體,以高強韌的TiCN+NbC等TiC(N)為基的硬質合金。與WC硬質合金相比,硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能得到顯著改善,主要是高溫強度、高溫硬度、導熱性、抗氧化性和抗熱震性能都有提高,與鋼的親和力小,摩擦系數也小,抗月牙洼磨損和抗粘結能力強,現在已發展成獨立系列的刀具材料。近幾年來發展的高氮含量、均勻微細硬質組織的TiC(N)基硬質合金,由于抗磨損性能和抗崩刃性良好,適于在200~400m/min的高速下切削一般鋼和合金鋼,也可用于鑄鐵的精加工。

  涂層刀具

  涂層刀具發展很快,目前80%以上都是涂層刀具。廣泛應用的是在硬質合金和高速鋼刀體上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等,其中氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等,有優異的高溫性能。從單涂層發展為多涂層,涂層工藝有化學氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。PVD法主要用于高速鋼刀具,CVD法和PVD法均可用于硬質合金刀具涂層。PVD法的硬質合金刀具有較好抗破損性能,適于斷續切削,但耐磨性不如CVD法的硬質合金刀具。涂層刀具隨涂層物質不同,其性能也有差別,涂層硬質合金刀具具有:高的硬度和耐磨性(2100~4200HV)、高的耐熱性(1000~1200℃)、高的抗粘結性能、高的化學穩定性和摩擦系數低等,優異的WC基、TiC(N)基硬質合金和陶瓷都可作為涂層刀具的基體。目前適于高速切削的涂層硬質合金刀具的涂層物質主要有CVD的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3和TiCN以及PVD的復合涂層TiAlN/TiN、TiAlN等。單涂層的TiC或TiN已經不用了。選擇不同涂層物質的涂層硬質合金刀具可以200~500m/min的速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等。近年來開發的氮化碳(CNx)、氮化物(TiN/NbN、TiN/VN)等,在高溫下有良好的熱穩定性,適合于高速切削。軟涂層刀具(如MoS2、WS2涂層的高速鋼刀具)主要用于加工高強度鋁合金、鈦合金或貴重金屬等。日本最近開發的納米TiN/AlN復合涂層銑刀片,涂層達2000層,每層厚度為2.5nm,可在高速下進行切削。目前復雜刀具(鉆頭、齒輪刀具、拉刀等)主要是在高性能高速鋼基體上涂層TiCN、TiN等硬涂層。涂層刀具不適于特別重載下的粗加工和沖擊大的斷續切削以及高硬度材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵),涂層刀具低速切削時,容易產生剝落、崩碎等,表面涂層的刀具重磨后,涂層效果降低。

  粉末冶金高速鋼(PM HSS)

  近幾年來,工業發達國家大力發展粉末冶金高速鋼,它是從高壓氬氣或純氮霧化熔融的高速鋼鋼液中直接得到的細小高速鋼粉末,然后在高溫高壓下熱等靜壓成鋼錠,從而再制成高速鋼材。與熔融法制造的高速鋼相比,它的優點是:無碳化物偏析,晶粒粉細小均勻,可達2~3μm,熱處理后,硬度可達67~70HRC,抗彎強度高0.5~1倍,在600℃時的高溫硬度高出2~3HRC,同樣的切削條件,刀具壽命提高0.5~2倍。由于物理力學性能各向同性,可減小熱處理變形與應力,適于制造鉆頭、拉刀和齒輪刀具等復雜刀具。這類高速鋼刀具,其切削速度可成倍增加,在其表面PVD涂層TiN、TiCN、TiAlN后,切削速度可達150~200m/min。在復雜刀具高速切削領域,粉末冶金高速鋼涂層刀具將會進一步發展而占有重要地位。

  3國內高速切削刀具材料面臨的挑戰

  國內高速切削刀具材料與國外差距較大,目前在進口的和國內生產的高速機床上使用的刀具主要依靠進口,所以國內高速切削刀具材料面臨嚴峻的挑戰。

  目前國內最常用的通用刀具主要是高速鋼(W18Cr4V),多由較小廠家生產,高性能高速鋼如鋁高速鋼、鈷高速鋼品質較差,也很少用。粉末冶金高速鋼刀具仍在研究,切削速度一般在25~40m/min。車、銑、鏜和端銑刀普遍應用硬質合金,但焊接刀居多,主要是普通硬質合金(TG、YT)??勺壞鍍淙揮蠾C加TaC、NbC或Hf-Nb,以及超細硬質合金的產品,但應用仍不普遍,切削速度在100~200m/min。硬質合金如深孔鉆、螺紋刀具等近年也有產品,但應用較少,加工效率普遍偏低。

  國內高速切削刀具最具有優勢的是陶瓷刀具,研究開發的水平與國際相當。目前已有陶瓷刀具30多個品種,其中氧化鋁基20多個,氮化硅基近10個,包括帶孔和不帶孔陶瓷刀具的生產能力也很大。我們幾十年來把切削學和刀具材料學緊密結合在一起,經過深入研究,已建立了基于切削可靠性,融合陶瓷刀具切削理論與刀具材料研究開發于一體的陶瓷刀具研究新體系。現在可以以切削可靠性為優化目標,通過優化設計,獲得優異性能的陶瓷刀具材料,并正在邁向陶瓷刀具材料的計算機輔助設計和熱壓工藝過程仿真相結合的國際前沿陣地,突破了“炒菜式”的研究開發傳統模式,加速了陶瓷刀具研究開發的進程?;謖庵擲礪?,我們已開發成功6個品種12個牌號的Al2O3基陶瓷刀具材料,先后投放市場,其中包括鋁鈦(LT)、晶須(JX)、硼鈦(LP)、添加特殊粉末與稀土LD系列、梯度功能(FG)和陶瓷-硬質合金復合片(FH)系列。FG和FH系列的力學性能和抗磨損與抗破損性能有顯著提高,延長了刀具壽命。在6個品種中的晶須與顆粒協同增韌的JX-2,LP-2,梯度功能FG,陶瓷-硬質合金復合片(FH)和添加特殊粉末的LD-1不僅填補了國內空白,國外也未見報導。國內的陶瓷刀具產品的力學性能和切削性能與國外相當,有的還好一些。國內陶瓷刀具可在300~1000m/min的高速下車削或銑削鋼、合金鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等,在這些Al2O3基品種中,SG-4、FG-2和FH-2三種是目前國內外高速加工淬硬鋼(55~65HRC)的理想刀具材料。國內研制的氮化硅基陶瓷刀片性能優異,在加工鑄鐵方面顯出了優越性。Sialon陶瓷刀具也有產品。陶瓷刀具存在的主要差距是高精度陶瓷刀片精度和外觀質量還欠佳,有的品種還沒有,推廣應用也遠不如發達國家普遍。

  國內高速切削用的立方氮化硼(PCBN)于1973年、聚晶金剛石(PCD)于1980年研制成功,發展較快,已開發出可分別用于車、鏜、銑削等加工領域的多種不同CBN含量的PCBN刀具和不同晶粒尺寸的PCD刀具。其中PCBN刀具目前主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵和某些難加工材料。PCD刀具主要用于高硅鋁合金加工。目前主要是國內的多家合資公司研究和生產的超硬刀具(PCBN、PCD和天然金剛石ND)主導著市場。兩類刀具應用還不普遍。人工合成單晶金剛石和涂層金剛石還在研究中。

  碳化鈦(TiC(N))基硬質合金國內于60年代末開始研制,最早的是TiC基硬質合金,最近幾年研制成功含TiN的TiC-TiN和TiCN的TiC(N)基硬質合金幾種產品,可用于200~400m/min高速精和半精加工鋼、合金鋼和不銹鋼。近來國內初步研制成功加入TiN納米粉的TiC+TiN納米改性Ti(C,N)基硬質合金。試驗表明,在200m/min速度下加工45鋼,比未加納米改性的刀具提高壽命1倍,目前尚無產品。Ti(C,N)基刀具材料存在的主要問題是品種較少,應用也不多。

  國內在20世紀70年代初開始研制涂層刀具,最初研制CVD TiC單涂層硬質合金,80年代初研究PCD TiN單涂層高速鋼刀具。經過多年的努力。從國外進口了一批涂層設備,近年來開發成功CVD TiC-TiN、Al2O3-TiN多涂層硬質合金刀片和PVD TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN復合多涂層高速鋼復雜刀具。低溫(<600℃)的外熱式直流脈沖等離子體增強化學氣相沉積技術(PCVD)也開發成功,具有設備簡單、涂層厚度均勻、結合強度高、涂層材料種類多、工件不變形等優點。但目前市場上涂層刀具的主要產品是CVD Al2O3和TiN復合涂層硬質合金刀片以及PVD TiN涂層高速鋼刀具。TiCN、TiAlN和TiAlCN商品化涂層產品由于技術原因,難于及時供應,質量與國外還有差距。PVD硬質涂層如氮化碳(CNx)、Al2O3、氮化物[TiN(NbN)、TiN/VN等]以及金剛石PCD膜涂層和軟涂層(MoS2,WS2)和納米涂層等有待開發。國外在國內的代理公司大力熱銷涂層刀具,劇烈沖擊著國內市場。

  4高速切削刀具材料的未來

  未來超高速切削的目標是:銑削鋁為10000m/min,鑄鐵為5000m/min,普通鋼為2500m/min:而鉆削鋁、鑄鐵和普通鋼分別為30000、20000與10000r/min。因此,今后要發展具有更加優異高溫力學性能、高化學穩定性和熱穩定性及高抗熱震性的刀具材料。PCD刀具將繼續發展提高性能,廣泛使用于加工鋁合金和高硬度非金屬材料,但人工合成單晶金剛石和金剛石厚膜涂層將發展更快,視其成本,將逐步取代PCD。高速超精密鏡面切削領域,天然金剛石刀具仍有重要作用,但部分將被人造單晶金剛石代替。目前限制PCD刀具加工鋁合金切削速度的主要是機床的主軸轉速及其功率。

  Al2O3基與Si3N4基陶瓷刀具和CBN刀具為高速切削鋼、鑄鐵及其合金的首選刀具材料,但各有其使用范圍,應繼續發展。Al2O3基陶瓷刀具高速加工鋼及其合金有更廣泛的應用前景,與CBN刀具相比,它既有成本優勢,又適于加工淬硬鋼和未淬硬鋼與鐵素體材料,但耐熱性與抗熱震性能還不夠。發展耐高溫1400~1500℃以上并提高其高溫強度與抗熱震性的、添加CBN的納米復合型Al2O3基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐熱合金領域發展具有更大的高溫強度和化學穩定性的Al2O3+Si3N4基的添加CBN的復合型刀具材料是一個重要研究方向。

  涂層刀具材料在高速切削領域有巨大潛力,繼續研究新的涂層技術和涂層物質,提高性能,擴大使用。但主要發展粉末涂層,即在硬質合金與粉末冶金高速鋼粉體(晶粒)上涂層高性能耐磨材料的新一代涂層刀具,可以重磨而不影響其性能,對復雜刀具特別有意義。我們初步研制成功的、在硬質合金粉末上涂層Al2O3的涂層刀片說明其可行性和優越性。

  對于某些很難加工而應用又多的工件材料(如鈦合金),因其切削時,即使在中速下,溫度也很高,研究不污染環境的氣冷(如氮氣)方法,降低切削溫度以實現高效切削,是一個可行而具有應用前景的方向。

  5結束語

  高速切削技術已成為切削加工的主流,加快其推廣應用,將會創造巨大經濟效益。高速切削刀具材料對發展和應用高速切削技術具有決定性作用。超硬刀具材料(PCD與.CBN)、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質合金刀具(金屬陶瓷)和涂層刀具等四大類高速切削刀具材料各有其特性和應用范圍,它們相互配合,彼此競爭,推動高速切削技術的發展和應用。國內在這方面也有一定基礎,取得很大進步,特別是陶瓷刀具我國占有突出優勢,但總體來說與國外差距較大。我們抓住經濟全球化和改革開放的大好機遇,勇敢地去迎接面臨的嚴峻挑戰。在以不同方式利用國外已成熟的技術,加快發展我國高速切削刀具材料工業的同時,重點發展我國新一代陶瓷基添加CBN的復合型刀具材料和涂層刀具材料技術,以促進我國高速和超高速切削技術的迅速發展和推廣應用。

1概況

  機械加工發展的總趨勢是高效率、高精度、高柔性和強化環境意識。在機械加工領域,切(磨)削加工是應用最廣泛的加工方法。高速切削是切削加工的發展方向,已成為切削加工的主流。它是先進制造技術的重要共性關鍵技術。推廣應用高速切削技術將大幅度提高生產效率和加工質量并降低成本。高速切削技術的發展和應用決定于機床和刀具技術的進步,其中刀具材料的進步起決定性的作用。研究表明,高速切削時,隨著切削速度的提高,切削力減小,切削溫度上升很高,達到一定值后上升逐漸趨緩。造成刀具損壞最主要的原因是切削力和切削溫度作用下的機械摩擦、粘結、化學磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等磨損和破損,因此高速切削刀具材料最主要的要求是高溫時的力學性能、熱物理性能、抗粘結性能、化學穩定性(氧化性、擴散性、溶解度等)和抗熱震性能以及抗涂層破裂性能等?;謖庖灰?,近20多年來,發展了一批適于高速切削的刀具材料,可在不同切削條件下,切削加工各種工件材料。目前,可以2500~5000m/min的高速切削鋁合金(Si含量≤12%,大于12%的為500~1500m/min):以500~1500m/min切削鑄鐵:300~1000m/min切削鋼:100~400m/min切削淬硬鋼、耐熱合金:90~200m/min切削鈦合金等。當然人們還期待著以超高切削速度進行加工而獲得更好的效果。

  2國外高速切削刀具材料的進展和應用

  高速切削時,對不同的工件材料選用與其合理匹配的刀具材料和允許的切削條件,才能獲得最佳的切削效果。據此,針對目前生產中廣泛應用的鋁合金、鑄鐵、鋼及合金和耐熱合金等的高速切削,已發展的刀具材料主要有:金剛石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具和TiC(N)基硬質合金刀具(金屬陶瓷)等。

  金剛石刀具

  金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。天然金剛石具有自然界物質中最高的硬度和導熱系數。但由于價格昂貴,加工、焊接都非常困難,除少數特殊用途外(如手表精密零件、光飾件和首飾雕刻等加工),很少作為切削工具應用在工業中。隨著高技術和超精密加工日益發展,例如微型機械的微型零件,原子核反應堆及其它高技術領域的各種反射鏡、導彈或火箭中的導航陀螺,計算機硬盤芯片、加速器電子槍等超精密零件的加工,單晶天然金剛石能滿足上述要求。近年來開發了多種化學機理研磨金剛石刀具的方法和?;て漲ズ附鷥帳際?,使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡易,因此,在超精密鏡面切削的高技術應用領域,天然金剛石起到了重要作用。

  20世紀50年代利用高溫高壓技術人工合成金剛石粉以后,70年代制造出金剛石基的切削刀具即聚晶金剛石(PCD),PCD晶粒呈無序排列狀態,不具方向性,因而硬度均勻。它有很高的硬度(8000~12000HV)和導熱性,低的熱脹系數,高的彈性模量和較低的摩擦系數,刀刃非常鋒利。它可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料,如鋁、銅、鎂及其合金、硬質合金、纖維增塑材料、金屬基復合材料、木材復合材料等。PCD刀具所含金剛石晶粒平均尺寸不同,對性能產生的影響也不同,晶粒尺寸越大,其耐磨性越高。在相近的刃口加工量下,晶粒尺寸越小,則刃口質量越好。例如,選用晶粒尺寸10~25μm的PCD刀具,可以500~1500m/min的高速粒尺寸8~9μm的PCD加工Si含量小于12%的鋁合金:晶粒尺寸4~5μm的PCD加工塑料、木材等。而超精密加工,則應選用晶粒尺寸小的PCD刀具。通常PCD刀具是燒結成金剛石-硬質合金復合刀片焊接在刀體上使用。利用超高壓裝置,在5~6萬個大氣壓,1400~1600℃的高溫下,可人工合成形狀整齊、雜質非常少的單晶金剛石,質量均勻穩定,結晶面非常清晰,識別容易。它具有所有物質中最高的導熱率及與天然金剛石同等以上的強度。目前最大尺寸可達8mm。這種單晶金剛石的尺寸、形狀和性能的良好一致性,在天然金剛石產品中是不可能實現的。它具有比PCD更好的耐磨性。PCD的耐磨性超過700℃時會減弱,因其結構中含有金屬Co,它會促進“逆向反應”即由金剛石向石墨轉變。但有較好的斷裂韌性,可以進行斷續切削。例如,可以2500m/min的高速端銑Si含量10%的鋁合金。當前,人工合成單晶金剛石刀具材料的應用得到了迅速的發展,其新應用領域是木材加工業。對表面有氧化鋁涂層的高耐磨層狀木地板需求量越來越大。加工時,木板耐磨層會引起刃口鈍化,導致氧化鋁耐磨層碎裂,必須經常磨刀或更換刀片,而人工單晶金剛石性能顯著優于PCD刀具。

  目前正在研究和開發化學氣相沉積CVD金剛石,沉積出的是交互生長極好的PCD,呈柱狀結構且非常致密。隨著生長條件的不同,CVD金剛石也呈現不同的晶粒尺寸和結構,它不需金屬催化劑,因此它的熱穩定性接近天然金剛石。根據不同的應用要求,可選擇不同的CVD沉積工藝以合成出晶粒尺寸和表面形貌差別很大的PCD。作為刀具的CVD金剛石因其應用不同,要求有多種不同的晶粒尺寸。CVD金剛石制成兩種形式:一種是在基體上沉積厚度小于30μm的薄層膜(CVD薄膜):另一種是沉積厚度達1mm的無襯底的金剛石厚層膜(CVD厚膜)。目前CVD薄膜金剛石應用不多。CVD厚膜可以通過特殊的但簡易可行的技術釬焊在基體上,但要保證釬焊點的強度。它與PCD相比,熱穩定性好但脆性較高,且不導電。不能用于放電加工(EDM)技術中。CVD厚膜金剛石在木材加工刀具和修整刀具中得到推廣應用。由于CVD厚膜金剛石的高純度和高的耐磨性和熱穩定性,在高耐磨性材料的高速切削加工領域具有很大的潛力。目前可用于EDM切削的CVD厚膜金剛石刀具材料也已制造成功,還有待于繼續試驗和評價。CVD厚膜金剛石目前的成本較高,隨著技術的發展,成本逐漸降低,它將是PCD有力的競爭對手。

  三種主要金剛石刀具材料——PCD、CVD厚膜和人工合成單晶金剛石各自的性能特點為:PCD焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最高,抗磨損性和刃口質量居中,抗腐蝕性最差。CVD厚膜抗腐蝕性最好,機械磨削性、刃口質量和斷裂韌性和抗磨損性居中,可焊接性差。人工合成單晶金剛石刃口質量,抗磨損性和抗腐蝕性最好,焊接性、機械磨削性和斷裂韌性最差。

  金剛石刀具是目前高速切削(2500~5000m/min)鋁合金較理想的刀具材料,但由于碳對鐵的親和作用,特別是在高溫下,金剛石能與鐵發生化學反應,因此它不宜于切削鐵及其合金工件。

  立方氮化硼

  立方氮化硼(CBN)是純人工合成的材料。它是20世紀50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超硬材料——CBN微粉。由于CBN的燒結性能很差,直至70年代才制成立方氮化硼燒結塊(聚晶立方氮化硼PCBN),它是由CBN微粉與少量粘結相(Co、Ni或TiC、TiN、Al2O3)在高溫高壓下燒結而成。CBN是氮化硼的致密相,有很高的硬度(僅次于金剛石)和耐熱性(1300~1500℃),優良的化學穩定性(遠優于金剛石)和導熱性,低的摩擦系數。PCBN與Fe族元素親和性很低,所以它是高速切削黑色金屬較理想的刀具材料。PCBN組織中各微小晶粒呈無序排列,硬度均勻,沒有方向性,具有一致的耐磨性和抗沖擊性,克服CBN易解理和各向異性缺點。CBN含量、晶粒尺寸和粘結相等會影響PCBN的性能。CBN含量高,PCBN的硬度和導熱性高,CBN晶粒尺寸大,其抗破損性就弱,刀刃鋒利性就差,金屬材料Co、Ni作粘結相時,PCBN有較好的韌性和導電性,陶瓷材料作粘結相時,則有較好的熱穩定性。目前多將0.5mm左右的PCBN層直接燒結或釬焊在硬質合金基體上,做成PCBN復合片,有利于提高強度,可焊性也好,便于制造PCBN刀具。

  PCBN刀坯從組織上看,大致有兩種。一種是高含量PCBN(CBN,質量80%~90%),以CBN晶粒之間直接結合為主,具有高硬度、高導熱性。另一種是低CBN含量的PCBN,它是用少量金屬或陶瓷粘結相牢固地結合起來的,有較好的強度和韌性。一般較低CBN含量(50%~65%)的PCBN刀具適于精加工45~65HRC的淬硬鋼,高含量(80%~90%)的適于加工鎳鉻鑄鐵,粗和半粗斷續切削淬硬鋼,高速切削鑄鐵,加工硬質合金、燒結金屬和重合金等。選擇合適CBN含量的PCBN刀具可以在500~1500m/min高速下加工鑄鐵,在100~400m/min下加工45~65HRC的淬硬鋼,在100~200m/min下加工耐熱合金。但不宜加工以鐵素體和45HRC以下的鋼及合金鋼、合金鑄鐵、耐熱合金,特別不宜于加工35HRC以下的工件。涂層CBN刀具尚在研究中。

  陶瓷刀具

  陶瓷刀具為高速切削最重要的刀具材料之一。目前各國陶瓷刀片生產數量占可轉位刀片的比例約為:美國3%~5%,俄羅斯5%~7%,日本7%~9%,德國9%~12%,英國、法國、瑞典等也在大力推廣應用。由于現代陶瓷刀具原材料、組分和制備工藝取得了長足進步,近5年來,陶瓷刀具的銷售額增長率達20%。國際上現已發展的陶瓷刀具主要是氧化鋁基(Al2O3)和氮化硅基(Si3N4)兩大系列,添加各種各樣的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物,形成不同品種的氧化鋁基和氮化硅基陶瓷刀具。現有40多個品種,200多個牌號,其中氧化鋁基為25種多,氮化硅基的近15種。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性,其硬度達93~95HRA,耐磨性好,適于加工50~65HRC的高硬度材料,如冷硬鑄鐵和淬硬鋼。高溫性能好,在1200℃的高溫下仍能進行切削。具有良好的抗粘結性能,Al2O3與金屬的親和力小,它與多種金屬的相互反應能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低,不容易與金屬產生粘結,化學穩定性好,Al2O3在鐵中的溶解率約為WC的1/5,擴散磨損小,Al2O3的抗氧化能力特別好,即使刀刃處于熾熱狀態,也能長時間連續使用,適于高速切削。陶瓷刀具的摩擦系數也低于硬質合金。Al2O3基陶瓷刀具的主要缺點是強度和斷裂韌性較低,脆性較大,導熱性差,抗熱震性不高。但幾十年來,在提高陶瓷刀具的力學性能上做了大量卓有成效的研究工作,如采用熱壓和熱等靜壓工藝,加入各種增韌補強相,如在Al2O3中加入金屬碳化物、氮化物、硼化物及純金屬和晶須等,如Al2O3+TiC、Al2O3+ZrO2、Al2O3+SiCw(晶須)、Al2O3+TiN,Al2O3+TiCN等,有的在這些組合陶瓷刀具中加入少量Mo、Ni等金屬和稀土元素改善陶瓷刀具的性能。氧化鋁基陶瓷刀具可以高速切削鋼、鑄鐵及其合金等,Al2O3+SiCw適于加工鎳基合金。

  氮化硅(Si3N4)基陶瓷與Al2O3基陶瓷比較,其最顯著的特點為強度和斷裂韌性較高,熱脹系數低,彈性模量也低,故其抗熱震性能高。Si3N4基陶瓷刀具適于加工鑄鐵,連續和斷續切削都優于Al2O3基陶瓷刀具,也可以用于冷硬鑄鐵、高硬軋輥等高硬度材料的精加工和半精加工。但因其與鐵的化學親和性明顯超過Al2O3基陶瓷,化學反應生成的低熔點化合物會使刀刃在短時間內破壞,因此Si3N4基陶瓷刀具加工鋼件就比Al2O3基的差得多。Si3N4基陶瓷刀具也是在Si3N4中加入各種增韌補強相形成多品種的陶瓷刀具。

  Si3N4-Al2O3(Sialon)陶瓷刀具是陶瓷刀具的新品種,它是在Si3N4基礎上通過用氧部分置換Si3N4中的氮,并以鋁部分置換其中的硅的方法研制成功的,是由Si-Al-O-N各種構成的多種化合物群的總稱。Sialon陶瓷刀具的強度和斷裂韌性較高,化學穩定性、抗氧化能力和高溫抗蠕變能力都很好,導熱性高,熱脹系數小,故有很高的抗熱震性能。由于其抗蠕變強度高,因而在刀尖處受到反復集中的高應力和熱的作用時,也沒有因塑性變形而明顯增大損壞的現象,它是高速粗加工鑄鐵及鎳基合金優良的刀具材料。在精車和半精車鎳基合金等難加工材料時,晶須增韌陶瓷刀具有優越性。粗車和銑削時,Sialon陶瓷刀具更具適應性,但它的溶解磨損速率比Al2O3基陶瓷刀具高很多,因而不適于加工鋼件。

  陶瓷刀具選擇合適的品種可以用500~1000m/min的高速切削鑄鐵,用300~800m/min的速度切削鋼件,用100~200m/min的速度切削高硬材料(50~65HRC),用100~300m/min的速度切削耐熱合金。

  TiC(N)基硬質合金

  TiC (N)基硬質合金的主要成分是TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)和TiCN(碳氮化鈦),它們是以高耐磨性的TiC+Ni或Mo、高韌性的TiC+WC +TaC+Co、強韌的TiN為主體,以高強韌的TiCN+NbC等TiC(N)為基的硬質合金。與WC硬質合金相比,硬度、強度、韌性、抗塑性變形和抗崩刃性能得到顯著改善,主要是高溫強度、高溫硬度、導熱性、抗氧化性和抗熱震性能都有提高,與鋼的親和力小,摩擦系數也小,抗月牙洼磨損和抗粘結能力強,現在已發展成獨立系列的刀具材料。近幾年來發展的高氮含量、均勻微細硬質組織的TiC(N)基硬質合金,由于抗磨損性能和抗崩刃性良好,適于在200~400m/min的高速下切削一般鋼和合金鋼,也可用于鑄鐵的精加工。

  涂層刀具

  涂層刀具發展很快,目前80%以上都是涂層刀具。廣泛應用的是在硬質合金和高速鋼刀體上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等,其中氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、碳氮化鋁鈦(TiAlCN)等,有優異的高溫性能。從單涂層發展為多涂層,涂層工藝有化學氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PVD法)。PVD法主要用于高速鋼刀具,CVD法和PVD法均可用于硬質合金刀具涂層。PVD法的硬質合金刀具有較好抗破損性能,適于斷續切削,但耐磨性不如CVD法的硬質合金刀具。涂層刀具隨涂層物質不同,其性能也有差別,涂層硬質合金刀具具有:高的硬度和耐磨性(2100~4200HV)、高的耐熱性(1000~1200℃)、高的抗粘結性能、高的化學穩定性和摩擦系數低等,優異的WC基、TiC(N)基硬質合金和陶瓷都可作為涂層刀具的基體。目前適于高速切削的涂層硬質合金刀具的涂層物質主要有CVD的TiCN+Al2O3+TiN、TiCN+Al2O3、TiCN+Al2O3+HfN、TiN+Al2O3和TiCN以及PVD的復合涂層TiAlN/TiN、TiAlN等。單涂層的TiC或TiN已經不用了。選擇不同涂層物質的涂層硬質合金刀具可以200~500m/min的速度加工鋼、合金鋼、不銹鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等。近年來開發的氮化碳(CNx)、氮化物(TiN/NbN、TiN/VN)等,在高溫下有良好的熱穩定性,適合于高速切削。軟涂層刀具(如MoS2、WS2涂層的高速鋼刀具)主要用于加工高強度鋁合金、鈦合金或貴重金屬等。日本最近開發的納米TiN/AlN復合涂層銑刀片,涂層達2000層,每層厚度為2.5nm,可在高速下進行切削。目前復雜刀具(鉆頭、齒輪刀具、拉刀等)主要是在高性能高速鋼基體上涂層TiCN、TiN等硬涂層。涂層刀具不適于特別重載下的粗加工和沖擊大的斷續切削以及高硬度材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵),涂層刀具低速切削時,容易產生剝落、崩碎等,表面涂層的刀具重磨后,涂層效果降低。

  粉末冶金高速鋼(PM HSS)

  近幾年來,工業發達國家大力發展粉末冶金高速鋼,它是從高壓氬氣或純氮霧化熔融的高速鋼鋼液中直接得到的細小高速鋼粉末,然后在高溫高壓下熱等靜壓成鋼錠,從而再制成高速鋼材。與熔融法制造的高速鋼相比,它的優點是:無碳化物偏析,晶粒粉細小均勻,可達2~3μm,熱處理后,硬度可達67~70HRC,抗彎強度高0.5~1倍,在600℃時的高溫硬度高出2~3HRC,同樣的切削條件,刀具壽命提高0.5~2倍。由于物理力學性能各向同性,可減小熱處理變形與應力,適于制造鉆頭、拉刀和齒輪刀具等復雜刀具。這類高速鋼刀具,其切削速度可成倍增加,在其表面PVD涂層TiN、TiCN、TiAlN后,切削速度可達150~200m/min。在復雜刀具高速切削領域,粉末冶金高速鋼涂層刀具將會進一步發展而占有重要地位。

  3國內高速切削刀具材料面臨的挑戰

  國內高速切削刀具材料與國外差距較大,目前在進口的和國內生產的高速機床上使用的刀具主要依靠進口,所以國內高速切削刀具材料面臨嚴峻的挑戰。

  目前國內最常用的通用刀具主要是高速鋼(W18Cr4V),多由較小廠家生產,高性能高速鋼如鋁高速鋼、鈷高速鋼品質較差,也很少用。粉末冶金高速鋼刀具仍在研究,切削速度一般在25~40m/min。車、銑、鏜和端銑刀普遍應用硬質合金,但焊接刀居多,主要是普通硬質合金(TG、YT)??勺壞鍍淙揮蠾C加TaC、NbC或Hf-Nb,以及超細硬質合金的產品,但應用仍不普遍,切削速度在100~200m/min。硬質合金如深孔鉆、螺紋刀具等近年也有產品,但應用較少,加工效率普遍偏低。

  國內高速切削刀具最具有優勢的是陶瓷刀具,研究開發的水平與國際相當。目前已有陶瓷刀具30多個品種,其中氧化鋁基20多個,氮化硅基近10個,包括帶孔和不帶孔陶瓷刀具的生產能力也很大。我們幾十年來把切削學和刀具材料學緊密結合在一起,經過深入研究,已建立了基于切削可靠性,融合陶瓷刀具切削理論與刀具材料研究開發于一體的陶瓷刀具研究新體系。現在可以以切削可靠性為優化目標,通過優化設計,獲得優異性能的陶瓷刀具材料,并正在邁向陶瓷刀具材料的計算機輔助設計和熱壓工藝過程仿真相結合的國際前沿陣地,突破了“炒菜式”的研究開發傳統模式,加速了陶瓷刀具研究開發的進程?;謖庵擲礪?,我們已開發成功6個品種12個牌號的Al2O3基陶瓷刀具材料,先后投放市場,其中包括鋁鈦(LT)、晶須(JX)、硼鈦(LP)、添加特殊粉末與稀土LD系列、梯度功能(FG)和陶瓷-硬質合金復合片(FH)系列。FG和FH系列的力學性能和抗磨損與抗破損性能有顯著提高,延長了刀具壽命。在6個品種中的晶須與顆粒協同增韌的JX-2,LP-2,梯度功能FG,陶瓷-硬質合金復合片(FH)和添加特殊粉末的LD-1不僅填補了國內空白,國外也未見報導。國內的陶瓷刀具產品的力學性能和切削性能與國外相當,有的還好一些。國內陶瓷刀具可在300~1000m/min的高速下車削或銑削鋼、合金鋼、鑄鐵和合金鑄鐵等,在這些Al2O3基品種中,SG-4、FG-2和FH-2三種是目前國內外高速加工淬硬鋼(55~65HRC)的理想刀具材料。國內研制的氮化硅基陶瓷刀片性能優異,在加工鑄鐵方面顯出了優越性。Sialon陶瓷刀具也有產品。陶瓷刀具存在的主要差距是高精度陶瓷刀片精度和外觀質量還欠佳,有的品種還沒有,推廣應用也遠不如發達國家普遍。

  國內高速切削用的立方氮化硼(PCBN)于1973年、聚晶金剛石(PCD)于1980年研制成功,發展較快,已開發出可分別用于車、鏜、銑削等加工領域的多種不同CBN含量的PCBN刀具和不同晶粒尺寸的PCD刀具。其中PCBN刀具目前主要用于加工淬硬鋼、高硬鑄鐵和某些難加工材料。PCD刀具主要用于高硅鋁合金加工。目前主要是國內的多家合資公司研究和生產的超硬刀具(PCBN、PCD和天然金剛石ND)主導著市場。兩類刀具應用還不普遍。人工合成單晶金剛石和涂層金剛石還在研究中。

  碳化鈦(TiC(N))基硬質合金國內于60年代末開始研制,最早的是TiC基硬質合金,最近幾年研制成功含TiN的TiC-TiN和TiCN的TiC(N)基硬質合金幾種產品,可用于200~400m/min高速精和半精加工鋼、合金鋼和不銹鋼。近來國內初步研制成功加入TiN納米粉的TiC+TiN納米改性Ti(C,N)基硬質合金。試驗表明,在200m/min速度下加工45鋼,比未加納米改性的刀具提高壽命1倍,目前尚無產品。Ti(C,N)基刀具材料存在的主要問題是品種較少,應用也不多。

  國內在20世紀70年代初開始研制涂層刀具,最初研制CVD TiC單涂層硬質合金,80年代初研究PCD TiN單涂層高速鋼刀具。經過多年的努力。從國外進口了一批涂層設備,近年來開發成功CVD TiC-TiN、Al2O3-TiN多涂層硬質合金刀片和PVD TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN復合多涂層高速鋼復雜刀具。低溫(<600℃)的外熱式直流脈沖等離子體增強化學氣相沉積技術(PCVD)也開發成功,具有設備簡單、涂層厚度均勻、結合強度高、涂層材料種類多、工件不變形等優點。但目前市場上涂層刀具的主要產品是CVD Al2O3和TiN復合涂層硬質合金刀片以及PVD TiN涂層高速鋼刀具。TiCN、TiAlN和TiAlCN商品化涂層產品由于技術原因,難于及時供應,質量與國外還有差距。PVD硬質涂層如氮化碳(CNx)、Al2O3、氮化物[TiN(NbN)、TiN/VN等]以及金剛石PCD膜涂層和軟涂層(MoS2,WS2)和納米涂層等有待開發。國外在國內的代理公司大力熱銷涂層刀具,劇烈沖擊著國內市場。

  4高速切削刀具材料的未來

  未來超高速切削的目標是:銑削鋁為10000m/min,鑄鐵為5000m/min,普通鋼為2500m/min:而鉆削鋁、鑄鐵和普通鋼分別為30000、20000與10000r/min。因此,今后要發展具有更加優異高溫力學性能、高化學穩定性和熱穩定性及高抗熱震性的刀具材料。PCD刀具將繼續發展提高性能,廣泛使用于加工鋁合金和高硬度非金屬材料,但人工合成單晶金剛石和金剛石厚膜涂層將發展更快,視其成本,將逐步取代PCD。高速超精密鏡面切削領域,天然金剛石刀具仍有重要作用,但部分將被人造單晶金剛石代替。目前限制PCD刀具加工鋁合金切削速度的主要是機床的主軸轉速及其功率。

  Al2O3基與Si3N4基陶瓷刀具和CBN刀具為高速切削鋼、鑄鐵及其合金的首選刀具材料,但各有其使用范圍,應繼續發展。Al2O3基陶瓷刀具高速加工鋼及其合金有更廣泛的應用前景,與CBN刀具相比,它既有成本優勢,又適于加工淬硬鋼和未淬硬鋼與鐵素體材料,但耐熱性與抗熱震性能還不夠。發展耐高溫1400~1500℃以上并提高其高溫強度與抗熱震性的、添加CBN的納米復合型Al2O3基陶瓷刀具是今后的主攻方向。在高速加工耐熱合金領域發展具有更大的高溫強度和化學穩定性的Al2O3+Si3N4基的添加CBN的復合型刀具材料是一個重要研究方向。

  涂層刀具材料在高速切削領域有巨大潛力,繼續研究新的涂層技術和涂層物質,提高性能,擴大使用。但主要發展粉末涂層,即在硬質合金與粉末冶金高速鋼粉體(晶粒)上涂層高性能耐磨材料的新一代涂層刀具,可以重磨而不影響其性能,對復雜刀具特別有意義。我們初步研制成功的、在硬質合金粉末上涂層Al2O3的涂層刀片說明其可行性和優越性。

  對于某些很難加工而應用又多的工件材料(如鈦合金),因其切削時,即使在中速下,溫度也很高,研究不污染環境的氣冷(如氮氣)方法,降低切削溫度以實現高效切削,是一個可行而具有應用前景的方向。

  5結束語

  高速切削技術已成為切削加工的主流,加快其推廣應用,將會創造巨大經濟效益。高速切削刀具材料對發展和應用高速切削技術具有決定性作用。超硬刀具材料(PCD與.CBN)、陶瓷刀具、TiC(N)基硬質合金刀具(金屬陶瓷)和涂層刀具等四大類高速切削刀具材料各有其特性和應用范圍,它們相互配合,彼此競爭,推動高速切削技術的發展和應用。國內在這方面也有一定基礎,取得很大進步,特別是陶瓷刀具我國占有突出優勢,但總體來說與國外差距較大。我們抓住經濟全球化和改革開放的大好機遇,勇敢地去迎接面臨的嚴峻挑戰。在以不同方式利用國外已成熟的技術,加快發展我國高速切削刀具材料工業的同時,重點發展我國新一代陶瓷基添加CBN的復合型刀具材料和涂層刀具材料技術,以促進我國高速和超高速切削技術的迅速發展和推廣應用。