刀具材料的历史与未来

刀具材料的发展历史，实际上就是不断提高刀具材料耐热性的过程。18世纪中叶，在欧洲出现了工业革命以后，采用碳素工具钢制造车刀，其成分与现代的T10、T12相近。碳素工具钢有较高的硬度，切削刃能够磨得很锋利，但只能承受200～250℃的切削温度，加工普通钢材时的切削速度为5～8m/min，切削铸铁的速度为3～5m/min，故切削效率很低。用碳素工具钢车刀镗削瓦特蒸汽机的一个大气缸的孔和端面用去27.5个工作日。1861年，英国罗伯特·墨希特（Robert Mush-et）发明了含钨的合金工具钢。最初的高速钢w（W）为8%，w（Cr）为3.6%，能承受350℃的切削温度，切削速度可提高到8～12m/min。1898年，美国机械工程师泰勒（Winslow Taylor）和冶金工程师怀特（Maun White）研制成功了高速钢，其化学成分（质量分数）为：C0.67%、W18.91%、Cr5.47%、Mn0.11%、V0.29%，其余为Fe，能承受较高的切削温度，切削普通钢材，可采用25～30m/min的切削速度。从1900年至1920年，出现了添加V和Co的高速钢，使其耐热性提高到500～600℃，同时还出现了铸造钴基合金，加工钢的切削速度达到了30～40m/min，切削铸铁的速度达到了15～20m/min。高速钢的出现，引起了金属切削的革命大大提高了金属切削的生产率，使美国和世界各国的机械制造业得到迅速发展，并取得了巨大的经济效益。一百多年来人们对这种材料的性能一直进行着孜孜不倦的改进（现代高速钢切削钢材的速度可达40m/min以上）。直至今日，高速钢还是金属切削业中不可缺少的刀具材料。

随着人类生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高加工效率和高加工质量的要求。特别是用高速钢刀具来加工镍基合金、模具钢等材料时，其加工速度和寿命让人感到无法忍受。1925年德国人史律太尔发明了硬质合金。德国Krupp公司于1926年获得此专利并开始开发、推广。由于其出色的硬度，当时就把公司冠名为“WIDIA”-Wie Diamant（德语，意为“硬似金刚石”）。其成分（质量分数）为：94%WC+6%Co。最初研制的WC-Co合金的耐热性达到了800℃，加工铸铁的效果很好，切削速度可提高到40m/min以上，但加工钢时的寿命很低。到了1931年，发明了WC-TiC-Co合金，其耐热性达到了900℃以上，加工钢时的切削速度达到了220m/min。第二次世界大战期间，由于大批量、高效率生产兵器的需要，美、英、苏、德各国已部分使用硬质合金刀具，二战后逐步扩大使用。其后出现了添加熔点更高的TaC、NbC而制成的WC-TiC-TaC（NbC）-Co合金。20世纪50年代末出现了以TiC为基本成分的TiC-Ni-Mo合金，其耐热性达到了1000～1100℃以上，因而切削速度可进一步提高。1968年前后开发的涂层硬质合金刀具将耐热性提高到1000～1200℃以上，促使切削加工水平和能力向前迈进了一大步。

20世纪50年代初，我国从原苏联少量引进硬质合金，替代高速钢刀具在生产中的应用。其后在原苏联援助下，我国建设了株洲硬质合金厂。后又自力更生，建成了自贡硬质合金厂。

经过国人半个世纪的努力，目前生产硬质合金材料的厂家已经很多。我国硬质合金材料的产量已居世界之首，成为名副其实的生产大国，但遗憾的是，我们还不是硬质合金生产强国。在高端硬质合金领域，如二孔、三孔的螺旋内冷棒料、超细晶粒和纳米晶粒棒料及特殊用途的硬质合金材料方面，我们几乎全部依赖进口。

硬质合金材料的出现与发展，进一步完成了从高速钢开始的金属切削革命，并使切削速度和效率有了跳跃性的提高，所以被称为“刀具技术的第一次革命”。

20世纪后半期，工件材料的力学性能不断提高，产品的品种和批量逐渐增多，加工精度的要求日益提高，工件的结构和形状不断复杂化和多样化，对刀具提出了更新、更高的要求，硬质合金刀具在这些新的要求中发挥了重大作用。而且硬质合金本身也有发展，出现了许多新品种，其性能不断提高。但硬质合金较脆，韧性不足，可加工性远远低于高速钢，开始时只能用于车刀和铣刀，后扩大到其它刀具，但不能用于所有的刀具。正因如此，高速钢由于能制造各种类型的刀具，始终占领着很大的份额。而高速钢也发展了很多新品种，切削性能比起初的普通高速钢有了很大提高。时至今日，高速钢和硬质合金仍是用得最多的两种刀具材料，硬质合金稍过半数。经过半个世纪，硬质合金竟然占领了如此广阔的阵地，是人们在当初所预料不到的。(www.xing528.com)

由于硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料的超精密加工的要求，于是更新的刀具材料不断涌现。1938年德国古萨公司首先取得了陶瓷刀具的专利。但陶瓷真正作为刀具商品出售时是在20世纪50年代中期。这个时期的陶瓷刀具主要是氧化铝陶瓷（所谓的白陶瓷），耐热性在1200℃以上。随后在20世纪60年代又研制成功了综合性能更好的Al₂O₃+TiC混合陶瓷（黑陶瓷），耐热性在1100℃以上。1981出现了氮化硅陶瓷刀具，耐热性高达1300～1400℃。陶瓷刀具在近几年有很大发展，应用也越来越广。利用陶瓷刀具加工钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢和镍基高温合金时，刀具寿命可比硬质合金长几倍。然而，陶瓷与硬质合金相比，尽管其硬度稍高于硬质合金，但其强度、韧性和可加工性的不足毕竟会影响陶瓷刀具的未来发展前景。

金刚石是人类已经发现的最硬的物质，其硬度达10000HV。1954年美国通用电气公司采用高温高压的方法成功地合成了人造金刚石。1964年美国GE公司首次申请了以某些金属添加剂使金刚石之间产生结合的美国专利。1966年，英国De Beers公司用金属作粘结剂制成了金刚石聚晶。但一般认为（GE公司1970年公布），1972～1973年正式生产的Compax具有划时代的意义。自此以后，聚晶金刚石得到了快速的发展。人造金刚石刀具主要用于加工有色金属和非金属，如铝、高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等有色金属和硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维、花岗岩、石墨、尼纶、强化塑料等耐磨非金属材料。例如，用金刚石刀片加工玻璃纤维时，其寿命比硬质合金刀片要提高150倍。

立方氮化硼是硬度仅次于金刚石的第二种人造超硬材料，其硬度为8000～9000HV，耐热性高达1300～1500℃。立方氮化硼于1957年合成成功，1970年烧结成可作为刀具使用的烧结块。立方氮化硼最适合于加工各种硬度在45HRC以上的淬硬钢（碳素钢、轴承钢、模具钢、高速钢等）和高温合金。

综上所述，在20世纪，刀具材料发展的速度比过去快得多。百花齐放，推陈出新，令人眼花缭乱，目不暇接。其品种、类型、数量和性能均比过去有大幅度的发展和提高，推动着人类物质文明迅速前进。20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年代。近50年中，硬质合金不断提高自身的切削性能，发展了许多新品种，从高速钢的领域中占领了大片阵地，成为当前用量超过一半的刀具材料。目前，二者共占有90%以上的刀具市场份额。可以预计，硬质合金的使用范围将进一步扩大；高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的传统阵地。由于资源、价格和性能的原因，陶瓷材料亦将得到发展，代替一部分硬质合金刀具。随着镁铝合金等材料的广泛应用，超硬刀具的份额将会不断提高。