摘 要：近年来，国外切削刀具材料发展迅速，尤其是随着涂层技术的不断发展，金属切除率一直呈直线上升，制造业的生产效率大大提高。切削刀具材料正逐渐向高效加工、硬加工、干式加工、超精密加工和新型难加工材料加工的方向发展。
关键词：刀具材料 涂层硬质合金 超细硬质合金 金属陶瓷 陶瓷 超硬材料
Developing Situation of Cutting Tool Materials Abroad
Li Xuefang
Abstract：In recent years，the rapid development of cutting tool materials in the world have greatly affected the manufacturing industry，especially with the continuous advances of coating technology，the metal removal rate is increasing linearly and the production efficiency in manufacturing industry is enhanced largely．Now cutting tool materials are gradually rising to the challenges of high productivity machining，hard machining，dry machining，superfine machining and machining new difficult materials．
Keywords：cutting tool material coated cemented carbide ultrafine-grained cemented carbide cermet
ceramics superhard material
近几十年来，航空航天、汽车等行业使用材料的性能不断提高，轻质强韧材料的使用日渐增多，加工难度日益增大。机加工行业为了降低成本和保护环境，逐渐推广干式切削技术，也使某些材料的加工难度增大。随着机床制造业的发展，数控机床和加工中心的加工能力获得极大提高，并不断向高速、高效率加工发展，从而对刀具材料提出了更高的要求。随着切削刀具材料制造技术的日益成熟，市场竞争异常激烈，刀具行业的兼并或联合、机床制造业与切削刀具制造业的跨行业联合极大地提高了开发新产品和开拓新市场的能力。在这些因素的影响下，促进了切削刀具材料的高速发展，其中硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一直处于主导地位；金刚石和立方氮化硼等超硬刀具材料的高速发展为广泛采用新型硬韧材料和新型加工工艺提供了广阔的应用前景。
一、硬质合金涂层材料
硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一直处于领先地位，在今后的发展中仍具有相当大的潜力。硬质合金涂层材料现已发展到几十种，在涂层的化学稳定性、红硬性以及与基体的粘附性等方面已取得了新的突破。目前的涂层工艺已能自由控制涂层的形态、晶相结构、残余应力状态和设计界面等。
1．中低温CVD涂层
中温化学气相沉积（MTCVD）涂层与CVD涂层的区别是TiCN层的结构不同。MTCVD法采用乙腈在800～900℃的温度下沉积TiCN，可得到较厚的细晶纤维状结构，商品牌号的涂层厚度通常为CVD法涂层厚度的1．5倍，且为半粘结态晶界。这种中低温沉积的厚膜结构消除了在涂层过程中所产生的裂纹，而且在不降低耐磨性或抗月牙洼磨损性能的前提下提高了涂层的韧性和光洁度，从而改善了刀具在断续切削条件下的抗崩刃性能，这对加工不锈钢、球墨铸铁等十分有利。该涂层可用于加工各种铁基材料。目前国外大部分复合涂层牌号都具有这种耐磨的TiCN涂层特征。
传统的氧化铝涂层是α-Al2O3和κ-Al2O3的混合相结构，表面不光滑，化学稳定性差，新近开发的MTCVD单相α-Al2O3涂层工艺，其α-Al2O3层呈微晶结构，热稳定性好，表面光滑，抗扩散磨损性好。
为了克服传统的CVD－TiCN涂层工艺中氯化物的污染，H．C．Stock公司采用四异丙基钛等物质代替四氯化钛，用等离子辅助化学气相沉积法涂覆TiN和TiCN时，可得到性能更好的Ti（CNO）涂层。
在韧性基体上进行中温TiCN（厚膜）＋α-Al2O3＋TiN涂层的复合涂层刀具，具有较强的抗侧面磨损性能，其切削速度达300m／min以上，已成功地用于铣削铸铁和不锈钢，具有代表性的牌号有山特维克公司的GC3032和GC4030；肯纳金属公司的KC992M；三菱综合材料公司的UE6005和UE6035等。
2．PVD涂层
首先将PVD涂层用于硬质合金工具的是日本，开始只能涂氮化钛，现在已能涂碳氮化钛、铝钛氮化合物以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。原来采用阴极溅射法，沉积速度只有0．1μm／h，现已采用磁控阴极溅射法，沉积速度提高到3～10μm／h。
为了达到要求的涂层厚度而又不引起晶粒长大，以减少接触应力和改善涂层性能，通常可将刚开始产生晶粒长大的涂层过程中断，然后进行新的成分相容的薄层细晶涂层。基于这一理论，日本住友公司的AC105G、AC110G等牌号的ZX超晶格涂层与多层厚膜CVD涂层形成了鲜明的对比，ZX涂层为TiN与AlN的交互涂层，层数可达2000层，每层厚度仅1nm，其硬度接近CBN烧结体的硬度。该涂层具有很高的耐磨性、抗氧化性和抗剥落性，其寿命是TiCN、TiAlN涂层的2～3倍。
东芝坦葛洛依公司首次在PVD－TiC工艺中有目的地通入氧气，以产生纳米级氧化物薄膜，使涂层的性能得到改善。新的优质涂层牌号CH系列和CT系列，其顶部都有一层Ti（CNO）涂层；其它牌号如不二越公司的T715X和T725X，其最外层都有耐磨的“X”涂层（AlON层）。
美国多弧涂层公司最先研究了PVD－TiAlN涂层，发现其硬度与TiCN和TiN相当，而热稳定性温度比TiCN和TiN要高，达到1450℃。改进的TiAlN涂层随Al含量的提高，其硬度更高，抗高温断裂性更强，而氧化温度不变。如果在其上再涂一层MoS2或TiCN光滑涂层，将形成具有耐高温磨损和摩擦系数低的复合涂层，适合于高速切削、干式切削和难加工材料的切削加工，其铰孔和钻孔加工能力比未涂层刀具提高3倍，磨损后还可重磨和重涂，而且切削速度越高，其切削效率越高，这对TiAlN涂层有利。最新的TiAlN涂层又进一步发展成TiAl（CN）超复合涂层，如三菱综合材料公司的AP20M和AP10H牌号；瓦尔特公司的WXK15、WXM15和WXM25等牌号。
3．CVD＋PVD混合涂层
随着机床主轴转速的不断提高，促进了新一代CVD-TiCN＋PVD-TiN混合涂层硬质合金材料的发展。CVD-TiCN涂层具有较高的耐磨性，而PVD-TiN涂层具有压缩残余应力，这种刀具车削钛合金的速度比传统刀具要高2倍。
4．涂层用硬质合金基体的改进
涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。具有较高红硬性的耐磨基体通常为细晶低钴的碳化钨基合金，并通常加入少量的TiC、TaC和NbC，使其具有更高的抗变形能力。粗晶、高钴合金和通过热处理或添加钌、锆以改善粘结相性能的合金通常具有较高的韧性。如住友公司的AC2000和AC3000等牌号。表面层富钴的合金基体则使涂层切削刃强度更高，提高了涂层的抗裂纹扩展能力，特别适合于断续切削。这种涂层合金可通过梯度烧结脱除表面的立方碳化物相和在近表面区产生富钴带的工艺技术获得，通常可将这两种工艺技术结合使用。切削刃拐角处烧结时碰撞扩散区的影响以及烧结后因涂层需要进行的刃口钝化处理，将影响刃口的梯度状况，现在这一缺陷已通过专利技术及精确的工艺控制得到克服。这类涂层的代表产品有肯纳金属公司的KC9000系列、山特维克公司的GC4000系列和三菱综合材料公司的UC6000系列。二、超细晶硬质合金材料
超细晶硬质合金刀具的研究开发一直是国外各厂家竞相发展的重点。目前细晶和超细晶硬质合金正被大量用于制作印刷电路板钻头（最小直径为1．5mm）、立铣刀和圆盘切断刀等精密刀具，其加工精度大大提高，刀具寿命普遍提高。
过去，细颗粒合金粉末的高成本和烧结时晶粒的不均匀长大一直是限制超细晶碳化钨基硬质合金从实验室研究转化为工业规模化生产的主要障碍。近来，美国DOW化学公司采用改进的工艺技术，已能低成本、大批量生产三种亚微米级（细颗粒为0.8μm，超细颗粒为0.4μm，极细颗粒为0.2μm）的WC粉末。各种级别的粉末通过加入0．2％～0．6％的VC，进行传统烧结，可有效地抑制硬质合金烧结时的晶粒长大，制作的合金可用来制作刀具。
目前最有发展前途的是美国Nanodyne公司的制粉和合金生产技术。该公司用喷雾转化和碳热工艺生产WC粒度＜50nm的纳米结构WC－Co硬质合金粉末，即以可熔性盐的混合溶液经喷雾干燥后得到的混合物，在流化床反应器中进行气相还原碳化生产纳米级钴包覆的WC／Co硬质合金粉末。这种复合工艺有利于晶粒度的均匀分布并可避免脏化。为便于压制，纳米晶粉末通常制备成50μm的大颗粒，然后用传统的热等静压（HIP）设备进行快速烧结致密化，用VC和Cr3C4晶粒长大抑制剂可使合金的平均晶粒度小于0．25μm，在特殊的烧结条件下，可降至0．15μm。用这种合金制作的印刷电路板钻头的寿命比微晶硬质合金制作的钻头高2～3倍。该公司已开始在北卡罗莱纳州建立采用该技术的WC／Co粉末生产车间，1998年秋季投产，年生产能力为450公吨。
1997年，山特维克公司开发出了晶粒度为0．2μm的WC合金微型钻头，据称该公司是世界上唯一制造、销售这种新型高性能硬质合金钻头的厂家。同年，该公司还制造出了双烧结的硬质合金钻头，外部为超细晶材料，以提高耐磨性；芯部为粗晶材料，具有较高的强度。
超细晶硬质合金的涂层正处于研究开发阶段，如研制成功，其性能及寿命是无可比拟的，市场前景十分广阔。三、金属陶瓷材料
与硬质合金不同，金属陶瓷中的TiC和TiCN是主要的硬质相成分，它具有极高的抗磨损性能，但抗热冲击性能较差，通过不断改进，现已取得显著改善。通过硬质相与Mo2C、WC、TaC、VC和TiN的合金化以及提高粘结相Co-Ni的含量及对其比例的精确控制，在提高韧性和弹性变形抗力等方面已取得了极大进展。由于具有成分梯度的几个硬质相使显微结构变得极其复杂，因此与硬质合金的生产相比，要求更严格的原料制备，重点应放在对原料选择到烧结气氛等方面的精确控制。
金属陶瓷刀具适合于干式切削。以往对硬质模具通常采用磨削或电火花加工，现在可用金属陶瓷刀具进行铣削加工，不仅提高了工效，且光洁度也得到提高。
近年来，金属陶瓷材料又有很大进展，主要体现在以下几个方面。
1．涂层金属陶瓷的商业化应用
具有代表性的涂层金属陶瓷牌号有：山特维克公司的CT1525和伊斯卡公司的IC570、IC530N，其表面均涂覆了Ti（CN）＋TiN的物理涂层；肯纳金属赫尔特公司的HT7涂覆了新一代PVD－TiAlN涂层；普兰西公司的TCC10涂覆了TiC＋TiCN＋TiN＋Al2O3的化学涂层，等等。这些牌号的共同特点是基体粘结相含量较高，韧性更好，切削更加可靠、锋利，适合于合金钢、高合金钢、不锈钢和延性铁的高速精加工和半精加工，其加工效率和加工精度均有显著提高。
2．新型金属陶瓷的开发
TiB2基金属陶瓷由于硬度高，适于制作刀具，已引起众多厂家的关注。日本最新研制的TiB2＋Ti（CN）＋Mo2SiB2金属陶瓷，其抗弯强度高达1300N／mm2，硬度高达2300HV，比超细硬质合金的硬度更高，是新一代金属陶瓷的代表。
3．超细晶金属陶瓷的开发
日本三菱综合材料公司开发了NX1010牌号的细晶金属陶瓷，晶粒度约为0．8μm，其抗弯强度和硬度均有所提高，主要用于高速钢的精加工。四、陶瓷材料
研究结果表明，通过强化作用可改善陶瓷材料的韧性和抗冲击性。强化陶瓷材料主要有两种，一种是SiC晶须增强Al2O3，通过在氧化铝陶瓷中添加25～35wt％的SiC晶须，使其抗断裂强度提高2倍，抗热冲击能力增强，可防止加工中产生积屑瘤；另一种是半增韧强化或自增韧强化氮化硅陶瓷，它实质上是一种两相结构材料，即包含细粒状粘结的晶体相和长条棱柱状的晶体相，它可提高材料的韧性，起到类似于晶须的强化作用。随着纳米晶陶瓷材料致密化技术的发展，陶瓷材料的强度和韧性会有新的突破，如纳米晶ZrO2陶瓷和纳米晶Si3N4陶瓷已具有较理想的韧性。
晶须增强的氧化铝陶瓷刀具除可铣削耐热合金外，还可粗加工超合金，其生产效率可提高近10倍。新一代高氧化铝含量的赛龙陶瓷（SiAlON）刀具也可粗加工高强度的镍基超合金，用其加工Inconel718耐热合金时，比未改进的赛龙陶瓷刀具寿命提高40％。自增韧氮化硅陶瓷刀具更适合于高速铣削加工HRC＞50的灰口铸铁和针状铸铁。混合陶瓷刀具可连续进行硬车削，可部分取代传统的磨削和电火花加工。
为避免陶瓷刀具与工件材料产生化学反应，通过对韧性较好的陶瓷刀具进行涂层，其使用寿命可大大提高，从而拓宽了其应用范围。对氮化硅陶瓷进行一层或多层（Ti化合物、Al2O3和TiN等）化学涂层，可进一步改善其加工性能，极大地提高抗侧面磨损性能，在相同的加工条件下车削球墨铸铁时，其寿命比未涂层陶瓷刀具提高10倍。具有代表性的涂层氮化硅陶瓷牌号有山特维克公司的CC1690、住友公司的NS260C和三菱综合材料公司的XE9等。对Al2O3-SiC陶瓷进行涂层的牌号有三菱综合材料公司的XD805（物理沉积Ti化合物涂层）、Cerasiv公司的SC7015（化学沉积TiCN涂层）等。五、超硬材料
金刚石涂层硬质合金刀具是涂层技术发展的一项重大突破。首次应用这一新工具材料的是瑞典山特维克可乐满公司，其CD1810牌号采用精心设计的梯度烧结硬质合金作为基体，进行新型的等离子体活化化学气相沉积（PACVD）金刚石涂层，解决了涂层与基体粘结力较差的问题。采用改进的低压等离子体工艺及设备，能够经济地批量重复生产金刚石涂层硬质合金刀具。金刚石涂层硬质合金刀具具有比PCD刀具更为复杂的几何形状，适合于加工铝等非铁材料，其寿命是未涂层硬质合金刀具的几十倍，不低于PCD刀具的寿命，可逐步替代未涂层硬质合金刀具和PCD刀具。
目前开发的不定形金刚石膜与由碳氢化合物气体合成的类碳金刚石膜不同，它是一种不需用氢气或任何其它反应气体就能合成的物质。通过改进普通的阴极弧工艺及设备，提高电离能，使SP2结构的石墨阴极蒸发，蒸发的碳原子在低温（150℃以下）低压下冷凝时按SP3键进行组合，形成不定形金刚石膜。这种膜具有较低的摩擦系数、较高的硬度和热化学稳定性，与CVD涂层的金刚石膜的性能相当，是用于铣削和钻削非铁材料如石墨、锻压铝、模铸铝和碳复合材料的最经济实用的涂层，其价格比化学气相沉积金刚石涂层低10～20倍，且能对多种牌号和复杂形状的硬质合金基体进行涂层，并具有较好的膜-基结合性。沉积不定形金刚石涂层的难点是要在三维切削刀具上沉积出厚度大于2μm的不定形金刚石膜，同时要求保持较高的硬度和较强的粘结力比较困难，因此国外研究者正努力寻求在不降低硬度的前提下提高不定形金刚石涂层厚度的方法。
立方氮化硼刀具由于硬度高，可用于断续切削精加工淬硬钢，可替代硬质材料的磨削和电火花加工。采用PCBN可转位刀片干式精车硬化齿轮，可将每个齿轮的加工成本降低60％；采用装配了球形CBN刀片的立铣刀精铣大型硬质模具，可将传统的磨削加工时间减少80％。通过对CBN晶粒大小和粘结剂性能的改进，整体CBN烧结刀片的性能达到了PCBN刀片的性能。日本住友公司的BNX10牌号是目前市场上销售的CBN烧结体中耐磨性最好的品种，适合于HRC＞60的淬硬钢的高速连续切削加工，其寿命是其它CBN烧结体的2倍以上，切削速度可达200m／min。
CBN多角复合刀片的出现是超硬材料开发的一大进展。以往的PCBN复合刀片生产工艺是先制备出CBN复合片，再切割成小块，然后焊接在硬质合金基体上，其缺点是存在焊接应力。现在能将CBN切削刃直接复合到合金基体的多个部位上，消除了焊接应力，提高了刀片的利用率，降低了加工成本。
立方氮化硼涂层正在研究开发之中，一旦达到实用阶段，其市场前景不可低估。作者单位：株洲硬质合金厂（412000）参考文献
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