金属切削刀具材料应用及发展研究

- -1金属切削刀具材料应用及发展研究山西农业大学毕业论文摘要：刀具材料的进步将在一定程度上决定切削技术的发展。本文对金属切削刀具材料的发展历史、现状以及刀具材料的选择方法做了介绍，详细分析了各种典型金属及非金属刀具材料的特点和应用场合。结合制造业先进技术的发展，提出了自己对刀具材料发展的看法，最后对刀具材料的进一步研究做一展望。关键词：切削；刀具；材料；发展Application and Development Research of Metal Cutting MaterialsAbstract：The progress of cutting tool materials will determine into the development of cutting technology to a certain extent. In this paper, the development history, current situation and the choice method of metal cutting tool material have been described and the characters and application occasions of typical tool materials are analysised detailedly. Combined with todays advanced manufacturing technology, some ideas on the development of tool materials are put forward. Finally the prospect of the tool material for further research is made.Keywords：Cutting; Cutting Tool; Material; Development1 1 绪论绪论.31.1 引言.31.2 金属切削刀具材料的发展.31.2.1 我国切削技术及刀具材料的历史演变 .31.2.2 刀具材料的发展与应用 .41.3 国内外刀具材料发展现状.61.3.1 刀具材料市场情况 .61.3.2 我国刀具材料目前存在的问题 .71.4 刀具材料及选择.81.4.1 工具材料与工件材料的匹配 .81.4.2 一般选用原则 .92 2 典型金属刀具材料典型金属刀具材料.102.1 碳素钢刀具材料.102.1.1 材料成分及性质 .102.1.2 热处理及组织状态 .112.2 合金钢刀具材料.112.3 高速钢刀具材料.12- -22.3.1 高速钢材料发展现状 .122.3.2 材料成分及性质 .132.3.3 高速钢热处理及组织状态 .142.3.4 高速钢用途 .152.4 硬质合金刀具材料.152.4.1 硬质合金发展现状 .152.4.2 材料成分及性质 .162.4.3 硬质合金生产工艺 .173 3 典型非金属刀具材料典型非金属刀具材料.18183.1 涂层刀具材料.183.2 陶瓷刀具材料.203.2.1 传统陶瓷材料 .203.2.2 氧化铝陶瓷材料 .213.2.3 金属陶瓷材料 .213.2.4 氮化硅陶瓷材料 .223.2.5 塞隆陶瓷材料 .223.2.6 陶瓷刀具材料的制备工艺 .223.3 金刚石刀具材料.233.3.1 金刚石材料发展现状 .233.3.2 材料成分及性质 .243.3.3 材料加工工艺 .243.4 立方氮化硼刀具材料.263.4.1 材料成分及性质 .263.4.2 材料的制备工艺 .264 4 对当今刀具行业发展的思考对当今刀具行业发展的思考.26264.1 刀具行业发展的特点.264.2 今后研究的方向.274.3 切削刀具材料的展望.285 5 结论结论.2929参考文献参考文献.2929- -31 绪论1.1 引言20 世纪 90 年代以来，激烈的市场竞争推动以机械制造技术为先导的先进制造技术以前所未有的速度和广度向前发展。而在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有 90%以上的机械零件是通过切削加工制成。切削加工是制造高精度和高质量的机械零件最经济的方法1。从系统的角度看，切削技术是一个非常膨大而复杂的工程，它涵盖了机床结构设计和制造技术、高精度快进快给技术、高性能刀具夹持系统、高效高精度测试测量技术、高性能刀具产品及先进的切削技术等等。只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。因此，要发挥出切削的优越性必须是各方面完美的组合。但是，从细节上来看，刀具在金属切削中具有举足轻重的地位。要进行高质量的切削加工，首先必须有高性能的刀具。刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具的材料、几何参数及其结构。其中，刀具材料仍然是决定刀具性能的关键因素。因此可以说，刀具材料的进步将在一定程度上决定切削技术的发展。刀具材料的发展过程，实际上是不断提高刀具材料的耐热性、耐磨性、切削速度和表面加工质量的过程2。近年来，随着各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削的发展与应用，都对刀具材料提出了更高、更新的要求。本文将对金属切削刀具材料的应用及发展情况做一介绍，详细分析典型的金属及非金属刀具材料，最后结合现今制造业先进技术的发展，提出几点自己的看法，最后对刀具材料的进一步研究做一展望。1.2 金属切削刀具材料的发展1.2.1 我国切削技术及刀具材料的历史演变我国的金属切削技术有悠久历史。古代加工石质、木质、骨质和其他非金属器物即为现在金属加工的序曲。在旧石器时代人们用石头砍砸简单工具，到了新石器时代，在与大自然搏斗中生产工具得到了不断的改进，开始使用石斧、石刀、石镰等工具，并且以能在石器上钻孔，甚至把坚硬的石刃镶嵌或粘接在骨把上制成夹固式石刃骨刀。此阶段的切削工作材料主要是未加工过的石头。在逐渐发展过程中，人类从生产实践中认识了刀刃的作用。可以这样说，利用刀刃进行工作，形成了原始的切削加工过程，基本上具备了切削基本条件：刀具（带刃口石器，材料为 CaCO3） 、被加工对象（生产和生活用品） 、切削运动。刀具材料一般为刃口石头。我国金属切削加工工艺，从青铜器时代开始萌芽并逐渐形成和发展。从殷- -4商到春秋时期已经有了相当发达的青铜冶铸业，出现了各种青铜工具如青铜刀、青铜锉、青铜锯等。同时有出土文物与甲骨文记录表明，这个时期生产的青铜工具和生活工具，在制造过程中大都要经过切削加工或研磨。我国的冶铸技术比西欧早一千多年。渗碳、淬火、和炼钢技术的发明，为制造坚硬锋利的工具材料提供了便利的条件。铁质工具材料的出现，表明金属切削加工进入了一新的阶段。有记载表明早在三千多年前的商代已经有了旋转的琢玉工具，可视为金属切削机床的前身。70 年代在河北满城一号汉墓出土的五铢钱，其外圆上有经过车削的痕迹，刀花均匀，切削振动波纹清晰，椭圆度很小。猜测可能是将五铢钱穿在方轴上然后装夹在木质的车床上，用手拿着工具进行切削。八世纪时我国有了金属切削车床。到了明代，手工业有了很大的发展，各种切削方法有了较细的分工，如：车、铣、钻、磨等等。从北京古天文台上的天文仪器可以看出当时采用了与五、六十年代类似的加工方法。这也就说明当时就有较高精度的磨削、车削、铣削、钻削等等。清末，由于政府腐败和外国的侵略使我国的科学技术发展停滞不前，金属加工也处于落后的状态。解放前，我国的工业已经十分落后，根本没有自己的机床及相关工具制造业，就连高速钢和麻花转等简单的材料和工具都不能制造。解放后，我国机床也有了长足的发展。机床和工具制造业也从无到有，从小到大。七八十年代，工具材料进一步得到发展，硬质合金和高速钢的规格和品种不断增加，逐渐有了涂层硬质合金、立方碳化硼，陶瓷等等。到了八十年代数控、数显设备也开始发展起来。但是受当时电子设备、微机、传输等影响，没有太大的发展空间。随着电子设备、微机、传输速率的快速发展，数控、数显设备也快速发展起来了。1.2.2 刀具材料的发展与应用远古时代，人类曾用石材和铜合金作为刀具材料（如 1.2.1 所述）。人类历史上最早的金属刀具是钢质刀具。在公元前 2820 世纪，中国出现了黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等。18 世纪中叶欧洲工业革命以后，切削刀具一直由碳素工具钢制造；19 世纪中期以后，合金工具钢出现；1865 年，英国的 Rohert Mushet 发明了合金工具钢，能承受 350的切削温度，加工一般钢材时切削速度可提高到 1012m/min。但随着对加工效率的要求日益提升，上述两种工具钢材料的性能已不敷要求。1898 年，美国的 W.Taylor 和 M.White 终于成功研制了被称为高速钢的刀具材料。由于在材料中加入了硬质的碳化钨，使之在高温条件下（能够承受550600的切削温度）硬度也不降低，所以可以高速加工（切削钢材可达25m/min） ，这也是该材料被称为高速钢的原因3。- -5高速钢的出现立即引起了切削加工的一次革命。它的出现使切削速度和切削效率较碳素工具钢、合金工具钢分别提高 4 倍和 2.5 倍以上。从 19 世纪末到20 世纪初，高速钢曾使切削水平出现了一个飞跃，推动了美国及世界各国机械制造业的迅猛发展，产生了巨大的经济效益。它不但大大提高了金属切削的效率，并要求完全改变机床的结构，以适应这种新刀具材料的高切削性能要求。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。但是，用高速钢刀具来加工镍基合金、模具钢等材料时，其加工速度和寿命又让人感到无法忍受。因此人们寻求更高性能的新型刀具材料的努力从未停步，20 世纪 20 年代中期到 30 年代初，出现了钨钴类和钨钛钴类硬质合金。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。在我国，解放后曾从苏联引进少量硬质合金。接着，在苏联援助下，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。经过国人半世纪断断续续的努力，目前生产硬质合金材料的厂家已经很多。中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。直至近年，高速钢和硬质合金仍是用得最多的两种刀具材料，但硬质合金的市场占有率已扩大到 60%。可以看到，经过半个世纪的“攻城掠地”，硬质合金竟然占领了如此广阔的阵地，应该也是当初人们始料不及的。但随着玻璃、玻璃纤维、耐火材料、石墨、强化塑料、高硅铝合金等材料的逐步应用，硬质合金刀具的寿命又无法满足生产的需要。另外，硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料和超精密加工的要求。所以，人们又必须开发出更硬、更耐磨的刀具材料以满足这种需求。20 世纪 30 年代出现了氧化铝陶瓷，后来又有氮化硅陶瓷。20 世纪 50 年代，美国利用人造金刚石微粉和人造 CBN 微粉在高温、高压、触媒和结合剂的作用下烧结成尺寸较大的聚晶块作为刀具材料。之后，南非戴比尔（DeBeers）公司、前苏联和日本也相继研制成功。70 年代初又推出了金刚石或 CBN 和硬质合金的复合片，它们是在硬质合金基体上烧结或压制一层 0.5mm1mm 的 PCD 或PCBN 而成，从而解决了超硬刀具材料抗弯强度低、镶焊困难等问题，使超硬刀具的应用进入实用阶段。目前，又出现了人工合成大单晶金刚石，以及用CVD（化学气相沉积）法制出的金刚石薄膜涂层和金刚石厚膜等功能性材料，大大拓宽了超硬刀具材料的应用领域。60 年代又制造出人造立方氮化硼和人造聚晶金刚石，它们的硬度明显高于其它刀具材料。陶瓷的硬度稍高于硬质合金，但其韧性和可加工性则又逊于硬质合金。我国超硬刀具材料的研究与应用4开始于 70 年代，并于 1970 年在贵阳建造了我国第一座超硬材料及制品的专业生产厂第六砂轮厂，从 19701990- -6年整整 20 年中，超硬材料年产量仅从 46 万克拉增至 3500 万克拉。90 年代前后不少超硬材料生产专业厂从国外引进了成套的超硬材料合成设备及技术，产量得到迅速增加，至 1997 年我国人造金刚石年产量就已达到 5 亿克拉左右，CBN 年产量达 800 万克拉，跃居世界上超硬材料生产大国之首。1.3 国内外刀具材料发展现状1.3.1 刀具材料市场情况全球切削刀具消耗价值是机械制造业产值的 10%。没有先进的刀具材料，就不可能制造出先进的刀具。据统计，2003 年全世界金属切削刀具（不包括锯削刀具）消费总额达到约 110 亿美元5。表 1 为按地域区分的世界切削刀具消费情况。表 1 世界各地区切削刀具市场份额地域西欧北美日本其它亚洲国家CIS 和东欧南美和其它地区市场份额200330251217106市场份额198428%26%16.5%7%19.5%3%注：北美包括美国、加拿大、墨西哥在内的北美自由贸易区（NFATA）表 1 中西欧和北美依然是切削刀具消费大区，其它亚洲国家(不包括日本)的刀具消费值已从 1984 年占世界 7上升到 2003 年的 17，已超过同年占12的日本，说明亚洲国家制造业的兴起。与刀具消费额最直接关联的机械加工业统计值如图 2 所示。图 2 2003 年世界各地区机械加工业统计值（%）地域西欧北美其他亚洲国家日本独联体及东欧南美及其它地区总计值（亿美元）切削刀具消费比值30251712106110汽车年产量比28261816576200 万辆机床消费比值321534154250机械制造业产值3643-21-11150 亿欧元从表 2 中可见各地区的切削刀具消费值与该地区汽车产量最相关联，欧、美、日的汽车制造业要消耗切削刀具的 60产值。欧美历来是用未来数年汽车业的销售预测来做切削刀具业未来的生产予测。2003 年中国仍是世界最大的机床消费国，但不是最大的刀具消费国。表 3 为 2003 年世界 7 大类刀具消费额占刀具总消费额的百分比（如车刀占25%）及每种刀具内不同刀具材料的比例（如硬质合金车刀占车刀总消费额的90%，而其中 88%可转为刀片车刀）。表 3 2003 年各类刀具及其材料构成比刀具种类车铣转螺纹刀铣刀扩孔齿轮刀拉总- -7刀刀头具钻具刀计占消费额百分比25282014733100高速钢133519526818639.6硬质合金905849574191455.4可转位刀片和刀体884927-24-1243.1焊接的2-2其中整体硬质合金-92255019-12.3超硬材料109-5总计100依据上述 2 种数据可计算得到三大类刀具材料各自占的比例如表 4 所示。硬质合金刀具占刀具消费额的 55，高速钢刀具为 40，超硬刀具为 5。表 4 三大类刀具材料所占刀具总之的百分比（%）刀具材料序号统计值类别统计范围年份高速钢硬质合金超硬材料1消费额世界405552生产值日本2003355873销售值世界19846733-从表 4 可知日本生产的硬质合金和超硬刀具占的百分比高于世界平均水平。表 4 中超硬材料一项 1984 年无数据，那时还是以高速钢刀具为主。近 20 年高速钢刀具产值每年递减 1.25，而硬质合金刀具产值每年递升 1.1。世界刀具消费额则随世界经济之起落而波动，在 1990 年即已达 110 亿美元，其后剧降到1993 年的 86 亿美元，再缓慢回升到 2003 年的 110 亿美元，近 10 年来刀具性能的提高也减缓了刀具消费额的增长，齿轮刀具尤为明显。20 世纪 80 年代以前，高速钢处于领先地位，90 年代以后，硬质合金超越了高速钢，超硬材料(金刚石、立方氮化硼及陶瓷等)所占份额不大。近年来，硬质合金刀具已成为高速钢刀具的“天敌”，正持续不断地侵蚀着高速钢刀具的市场份额。但对于某些刀具品种而言，高速钢刀具因具有良好的强韧性而仍可与硬质合金刀具“分庭抗礼”。分析 1989 年及 2003 年各类刀具所占产值份额及材料构成比数据发现，1989 年硬质合金刚进入齿轮刀具领域，尚未进入螺纹刀具及拉刀；到 2003 年开始硬质合金制造螺纹刀具及拉刀，在齿轮刀具领域所占份额已从 2%上升到19%，硬质合金在其它领域所占份额也都大幅度增加。在 2003 年车刀已是硬质合金及超硬材料的天下；铣刀及铰刀多以硬质合金为主；钻头行业高速钢与硬质合金平分秋色，螺纹刀具、齿轮刀具及拉刀则仍以高速钢为主。2007 年，情况又有很大变化。- -81.3.2 我国刀具材料目前存在的问题改革开放以来，我国在刀具材料的生产方面取得了迅速的发展。高速钢、硬质合金以及人工合成金刚石的产量均已跃居世界首位，每年都向国外大量廉价出口各种刀具材料和中、低档刀具。但与此极不相称的是我们还要从国外大量高价进口中、高档刀具。与此同时，在大量出口中、低档产品又造成了我国资源的严重浪费和流失。为什么会出现这种情况，我们认为主要有以下一些原因：（1）我国刀具材料产品质量低造成质量低下的原因有两个，一是重数量、轻质量， “有了数量就有质量”的错误思想至今还存在；二是用降低质量的办法来降低生产成本以提高市场竞争能力，这种想法是坚决不能有的。（2）质量不稳定造成质量不稳定的原因也有两个：一是国际标准 ISO9000 形同虚设，花钱即可买到；二是稳定的质量不可能由生产厂家独家保证，因为任何一个产品的质量均与上家产品质量有关，因此必须全面提高整个社会所有产品的质量才能真正稳定各个产品的质量，亦即必需实行全社会的质量全面管理才能保证产品质量的稳定。（3）科研落后于生产目前能自己进行研究开发的企业为数甚少，绝大多数企业都没有研究开发能力。造成这种局面的原因除了急功近利、拿来主义外还因知识产权既不被重视，又保护不力。因此研究开发重任就落在科研单位及高等学校，但是，令人遗憾的是目前科研单位与高校的科研工作很多不是为生产服务而是为学位、职称评定服务，致使我国论文的被引用率世界排名在 120 之后。学术腐败已经严重影响科学技术的发展。（4）缺乏现代企业意识私人小企业大多还停留在家族式企业阶段，都想独大，相互之间，残酷竞争，毁了自己而给洋人以可乘之机。上述问题如不能及时解决则落后面貌就很难在短期内得到扭转。另外，W、Mo 等贵重资源大量浪费和外流应该引起政府有关部门的重视，建议政府成立专门机构对我国资源进行全面评估并起草国家资源法对资源进行保护。1.4 刀具材料及选择1.4.1 工具材料与工件材料的匹配刀具、工件两方面材料的力学、物理和化学性能必须得到合理得匹配，切削过程方能正常进行，并获得正常的刀具寿命；否则，刀具就可能会急剧磨损，刀具寿命很短。例如，硬度高的工件材料，必须用更硬的刀具来加工；高速钢- -9刀具硬度不够，不能用来切削淬硬钢和冷硬铸铁，硬质合金和陶瓷刀具则能胜任，CBN 刀具更佳。加工硬脆材料，不仅要求刀具有更高的硬度，还要求有高的弹性没粮，否则刃部难以支撑。用硬质合金刀具加工淬硬钢及其他硬脆材料，必须采用弹性模量较高（WC 成分较多）的 K 类或 M 类牌号。以上是力学性能的匹配。不仅考虑刀具材料的常温力学性能，还应考虑其高温性能。在加工导热性差的工件时，应采用导热较好的工具，以使切削热得以传出，从而降低切削温度，这是物理性能匹配的例子。工件、刀具双方材料中的化学元素如有容易化合、相互发生化学作用或扩散作用着，应设法回避。例如，含钛的金属材料钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等，不能用含钛元素的刀具进行切削。也就是说，P 类硬质合金、TiC基与 Ti（C，N）基硬质合金、涂层硬质合金（多数涂层材料含钛）均不能使用；应采用 K 类硬质合金或高速钢。凡加工塑性材料出长切屑且与前刀面发生摩擦者，应特别注意刀-屑双方元素的双方相互扩散，故加工非淬硬钢材应当采用 P类硬质合金或 Al2O3 基陶瓷、金刚石在 600-700以上会转化为石墨，Fe 元素将起到催化作用而加速这种转化，钴金刚石刀具不能加工钢铁材料。CBN 最适合加工钢铁，但只能进行干切削，水基切削液在高温下将使 CBN 分解。这些是化学性能匹配的例子。化学作用在低温条件下一般进行缓慢，高温下加剧。机械、物理、化学作用有时是综合影响而且是相互关联的，对它们的规律尤其是对化学作用的机理尚认识不够深入，有待进一步研究。1.4.2 一般选用原则目前国内外使用的刀具材料主要有：高速钢、硬质合金、陶瓷材料和超硬刀具材料等，它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的加工条件。高速切削时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件才能获得最佳的切削效果6。如何正确地选择刀具来加工相应工件材料，进而提高加工生产率，降低生产成本，是一个十分重要的问题7。每一种刀具材料都有其特定的加工范围，一般而言，CBN、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、涂层刀具适合加工钢铁等黑色金属材料。而 PCD 刀具适合加工铝、镁、铜等有色金属及其合金和非金属材料的高速加工。表 5 为一般选择刀具材料的原则。表 5 刀具材料的选择- -10根据表 5 可以合理地选择合适的刀具材料。陶瓷刀具适用于加工各种铸铁、钢件和镍基高温合金，不同品种和陶瓷刀具有不同的加工范围，Al2O3基陶瓷刀具有良好的耐磨性、耐热性且高温化学稳定性好，可用于对铸铁、钢及其合金的加工。Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热振性好，适于断续加工铸铁和合金铸铁。金属陶瓷刀具不仅具有陶瓷的硬度，还具有硬质合金的高强度，抗粘结性和耐磨性好，与钢的亲合力小，适合中高速切削模具钢，当切削速度低度于750m/min 时，可对铸铁件进行加工。金钢石刀具适合加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性比较差，与铁有很强的化学亲合力，所以 PCD 不适合加工钢铁类材料，金刚石摩擦系数小，与非铁金属无亲和力，切屑易流出，热导率高，切削时不易产生积屑瘤，加工表面质量好。最适合用于超精密加工非铁金属材料、有色金属和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、粉末烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨的木材（尤其是实心木和胶合板等复合材料）。立方氮化硼刀具适于加工各种淬硬钢、热喷涂材料、冷硬铸铁和 35HRC 以上的钴基和镍基等难切削材料，被加工材料硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优势。国外还研制了 CBN 含量不同的 CBN 刀具，以充分发挥 CBN 刀具的切削性能。据报导，CBN300 加工灰铸铁的速度可达 2000m/min。刀具材料的不断更新，使切削加工向着高速和超高速的方面发展，各种刀具材料都与相应的工件材料相匹配，并有着不同的切削速度范围，涂层刀具将会在高速切削领域占主导地位；陶瓷刀具的自身优势将会得到更广泛的发展；CBN 和 PCD 将会在高速切削中占有重要地位，且应用将会越来越广泛。加强高速切削刀具材料的研究和开发，将会对高速切削技术的应用和发展具有重大的意义8。2 典型金属刀具材料刀具材料最先被发展使用的是钢类材料。本章对目前广泛使用的典型的金属刀具材料的发展及其应用场合做一详细介绍。- -112.1 碳素钢刀具材料2.1.1 材料成分及性质碳素工具钢是较早出现并使用的刀具材料。一般用于制作刃具、模具和量具。其加工性良好，价格低廉，使用范围广泛，所以它在工具生产中用量较大。在工具钢中，碳素工具钢性能相对较差，一般 150以下使用，含碳量为0.651.35。含碳量越高，钢的耐磨性越好，而韧性越差，常见的有T7、T7A、T8、T10、T10A、T12、T12A 等。与合金工具钢相比，此类钢淬透性低，在水中淬透直径为 15mm，而在油中淬透直径仅为 5mm。另外，此类钢的热硬性低，工作温度高于 250时钢的硬度和耐磨性急剧下降，从而钢的切削能力显著降低，所以此类钢只适于制作尺寸小、形状简单、切削速度低、进刀量小、工作温度不高的工具。碳素工具钢在中国国家标准 GB1298-77 中共有 8 个牌号碳素工具钢。其中碳含量较低的 T7 钢具有良好的韧性，但耐磨性不高，适于制作切削软材料的刃具和承受冲击负荷的工具，如木工工具、镰刀、凿子、睡子等。T8 钢具有较好的韧性和较高的硬度，适于制作冲头、剪刀，也可制作木工工具。锰含量较高的 T8Mn 钢淬透性较好，适于制作断口较大的木工工具、煤矿用凿、石工凿和要求变形小的手锯条、横纹锉刀。T10 钢耐磨性较好，应用范围较广，适于制作切削条件较差、耐磨性要求较高的金属切削工具，以及冷冲模具和测量工具，如车刀、刨刀、铣刀、搓丝板、拉丝模、刻纹凿子、卡尺和塞规等。T12钢硬度高、耐磨性好，但是韧性低，可以用于制作不受冲击的，要求硬度高、耐磨性好的切削工具和测量工具，如刮刀、钻头、铰刀、扩孔钻、丝锥、板牙和千分尺等。T13 钢是碳素工具钢中碳含量最高的钢种，其硬度极高，但韧性低，不能承受冲击载荷，只适于制作切削高硬度材料的刃具和加工坚硬岩石的工具，如锉刀、刻刀、拉丝模具、雕刻工具等。2.1.2 热处理及组织状态碳素工具钢一般以退火状态交货，根据需方要求也可以不退火状态交货。退火钢材的硬度、断口组织、网状碳化物、珠光体组织、试样淬火硬度、淬透性深度和钢材表面脱碳层深度应符合中国国家标准 GB1298 规定。此类钢中存在网状碳化物和层片状珠光体时，容易产生淬火变形、开裂和硬度不均匀，并降低刃具耐磨性，容易引起刃具崩刃，降低刃具寿命。为了防止网状碳化物的产生，钢材要反复锻造，锻后要快速冷却。通过球化退火可使层片状珠光体中的渗碳体球化。此类钢淬火加热一般用盐浴炉，它可防止或减轻工具表层脱碳。在淬火冷却时要注意防止变形和开裂，为此一般采用分级淬火或等温淬火，有的采用高频淬火。淬火后应及时回火，以防停放时发生变形或开裂。- -122.2 合金钢刀具材料合金工具钢是在碳素工具钢中加入 Si、Mn、Ni、Cr、W、Mo、V 等合金元素的钢。加入 Cr 和 Mn 可以提高工具钢的淬透性，可根据要求，有选择地加入或同时加入其他元素(加入总量一般不超过 5)，即形成一系列的合金工具钢。合金工具钢广泛用作刃具、冷、热变形模具和量具，也可用于制作柴油机燃料泵的活塞、阀门、阀座以及燃料阀喷嘴等。低合金工具钢用于制造截面较大、形状较复杂、切削条件较苛刻、碳素工具钢不能胜任的刀具9，一般 300以下使用；这类钢中含碳量为 0.8%1.4%，常加入的合金元素有 Cr、Mn、Si、V 等，如9SiCr、CrMn、CrWMn、9Mn2V、DC53 等。碳素工具钢和合金工具钢一般用作凿子、锤头、木工工具、冲头、剪刀、钻头、锉刀、丝锥、板牙、锯条、铰刀、圆锯片、搓丝板等工具。2.3 高速钢刀具材料2.3.1 高速钢材料发展现状（1）国内外高速钢生产概况图 1 是我国与日本自 1965 年以来高速钢产量的发展趋势。图 1 我国与日本高速钢年产量由图 1 可见，日本高速钢的年产量从 1965 年的 157 万吨发展到 1976 年的2 万吨，之后一直停滞在 2 万吨以下，全世界高速钢年产量也停滞在 30 万吨以下(根据我国高速钢产量所占世界份额估出)。而我国的高速钢年产量从 1965 年的 112 万吨发展到 1997 年的 3 万吨后进入了一个高速发展期，在世界各国停滞- -13不前甚至回落的情况下，8 年内竟从 3 万吨发展到 813 万吨，占全世界产量的份额从 10%跃升至 40%，居世界第一。需要指出的是其中近 40%为低合金高速钢，甚至有的合金元素含量之低已不能称之为高速钢。这种异常的飞跃发展是喜是忧有待讨论。（2）国产高速钢存在的问题尽管我国高速钢产量已占世界第一位，但我国生产的高速钢的质量还远远落后于先进国家，主要有以下几个原因：我国目前主要采用中频熔炼加电渣重熔工艺生产高速钢，一个炉号一般只有几百公斤，故一吨钢材要由几个炉号组成，生产厂在供应钢材时根本无法提供钢号，这就给热处理造成极大困难；冶金质量不稳定，主要表现为表面纵裂发生率仍很高，尺寸精度差；品种规格不全，市场混乱。上述问题如不能及时解决则落后面貌就很难在短期内得到扭转。另外，W、Mo 等贵重资源大量浪费和外流应该引起政府有关部门的重视，建议政府成立专门机构对我国资源进行全面评估并起草国家资源法对资源进行保护。2.3.2 材料成分及性质高速钢是加入了 W、Mo、Cr、V 等合金元素的高合金结构钢10，是最先研制成功的切削刀具用钢。高速钢是一种强韧性的刀具材料。但其抗磨损性能较差，因此限制了它的实用，故只能在低速时使用。尽管如此，由于目前可供使用的刀具材料品种较多，且高速钢的强度、韧性、热硬性、工艺性特别是锋利性(刀尖半径可达 1215m)等方面具有优良的综合性能，因此在切削某些难加工材料以及在复杂刀具(尤其是切齿刀具、拉刀和立铣刀等)制造中仍占有较大比重。国际上通用的高硬及超硬高速钢是含 Co 的 M35 及 M42、高碳 M2 及高碳 M35钢。此外，德国及日本还采用高 V 高速钢 M3 及 V4 钢。我国缺 Co，曾发展了一系列不含 Co 和少含 Co 的超硬高速钢，其中包括M2Al、B201、B211、B213、5F-6、Co5Si、W12Al、Co5、V3N、B212、5F-7 及Co3N 钢等。在这一系列超硬高速钢中，除 M2Al 及 Co3N 钢外，V 含量均在 3%wt 以上，故磨削性差，价格贵，除非在特殊需要时，一般不采用。Co3N 是在 M2 钢的基础上降 V 增 W，再加入少量 Co 与 N 而成的，其目的是改善可磨削性，但因含3%wtCo，故价格仍较贵。M2Al 钢成分简单，价格低廉（仅较 M2 钢贵 10%15%） ，但 M2Al 钢工艺性能太差且较脆，除贵阳工具厂外其他工具厂很少采用。由此可见，尽管在超硬高速钢方面做了大量工作，但至今仍无一种符合我国国情的价廉物美的超硬高速钢。为此，大连交通大学研制了一种价格低廉的工艺性能优于 M2Al 钢的无 Co 超硬高速钢 M2-R4（意即能代替 M42 的 M2 钢） ，- -14该钢是以 M2 钢为基础，提高 Si 含量，调整碳含量而获得的一种不含 Co 的超硬高速钢，其特点是价格低廉（相当于 M2Al 钢） ，工艺性能显著优于 M2Al 钢，可磨削性、强度及韧性不低于 M2 及 M2Al 钢，淬回火后的硬度为(671)HRC，红硬性高于 M42 钢。M2-R42 钢目前正在推广中，已成功地用于制作钻头、铣刀、滚刀、拉刀、丝锥、双金属锯条及冲头。大连日资企业“盘起”在试用成功后又将 M2-R42 钢送日本日立钢厂及大同钢厂进行鉴定，结论是大规格 M2-R42 钢可以取代 M35 及 M42 钢，小规格 M2-R42 钢可以取代粉末高速钢 HAP40 钢。高速钢分低合金高速钢、低碳高速钢、通用高速钢、高硬高速钢、超硬高速钢、无碳化物偏析高速钢及轧辊高速钢。其中低碳高速钢主要用于制作冷作模具；以 W18 及 M2 钢为代表的通用高速钢主要用于制作切削刀具，通用高速钢的碳饱和度一般0.8，故淬回火后的硬度仅为(651)HRC，用于加工硬度低于270HB 的钢材。近年来由于被加工件硬度提高以及数控机床及加工中心的广泛应用，通用高速钢的硬度已不能满足要求，需要采用硬度为(661)HRC 的以M35 钢为代表的高硬高速钢及硬度大于 67HRC 的以 M42 钢为代表的超硬高速钢来制作刀具以提高刀具硬度。需要指出的是机床精度与刚度的提高为提高刀具硬度提供了条件。目前在国际著名工具厂家的样本上通用高速钢 M2 钢已基本被淘汰，M2 钢只用于制作手丝锥等少数刀具；欧洲一般不采用 M42 钢而采用高碳M2 及 M35 钢。遗憾的是我国到目前为止仍以 M2 钢等通用高速钢为主要刀具材料，这也是我国刀具制造业落后的原因之一。特别是江苏天工工具股份有限公司及江苏飞达工具集团等高速钢生产大户生产的高速钢中接近一半是低合金高速钢，用这样的钢大量制成低档刀具，廉价出口，造成我国资源严重浪费。2.3.3 高速钢热处理及组织状态高速钢的热处理包括机械加工前的球化退火处理和成形后的淬火回火处理。（1）高速钢球化退火。高速钢锻造以后必须经过球化退火。其目的不仅在于降低钢的硬度，以利于切削加工。而且也为以后的淬火做好组织准备。另外，返修工件在第二次淬火前也要进行球化退火。否则，第二次淬火加热时，晶粒将过分长大而使工件变脆。（2）高速钢淬火高速钢的淬火工艺比较特殊：即经过两次预热、高温淬火，然后再进行三次高温回火。 高速钢淬火时进行两次预热。其原因在于：高速钢中含有大量合金元素。导热性较差、如果把冷的工件直接放人高温炉中。会引起工件变形或开裂，特别是对大型复杂工件则更为突出。高速钢淬火加热温度大多数在 1200以上，如果先预热。可缩短在高温处理停留的时间，这样可减少氧化脱碳及过热的危- -15险性。高速钢第一次预热温度在 600650可烘干工件上的水分。第二次预热温度在 800820，使索氏体向奥氏体的转变可在较低温度内发生。高速钢中含有大量难溶的合金碳化物，淬火加热温度必须足够高才可使合金碳化物溶解到奥氏体中。淬火之后马氏体中的合金元素含量才足够高。而只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。图中已经表示出了淬火温度对奥氏体(或马氏体)内合金元素含量的影响、由此可知，对高速钢红硬性影响最大的合金元素是 W、Mo 及 V 只有在 1000以上时。其溶解量才急剧增加。温度超过 1300时，各元素溶解量虽然还有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大。甚至在晶界处发生熔化现象，致使钢的强度、韧性下降。所以在下发生过热的前提下，高速钢淬火温度越高。其红硬性越民在生产中常以淬火状态奥氏体晶粒的大小来判断淬火加热温度是否合适。对高速钢来说。合适的晶粒度为9.510.5 级。 淬火冷却通常在油中进行。但对形状复杂、细长杆状或薄片零件可采用分级淬火和等温淬火等方法。分级淬火后使残余奥氏体量增加 20%30%，使工件变形、开裂倾向减小，使强度、韧性提高。油淬及分级淬火后的组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体。（3）高速钢回火为了消除淬火应力、稳定组织、减少残余奥氏体量、达到所需要的性能。高速钢一般要进行三次 560的高温回火处理。高速钢的回火转变比较复杂。在回火过程中马氏体和残余奥氏体发生变化，过剩碳化物在回火时不发生变化。综上所述，高速钢在热处理操作时。必须严格控制淬火加热及回火温度，淬火、回火保温时间，淬火、回火冷却方法。上述工艺参数控制不当，易产生过热、过烧、萘状断口、硬度不足及变形开裂等缺陷。2.3.4 高速钢用途高速钢主要用于制造需要高韧性、锋利的切削刃以及用其它材料不能制造的几何形状复杂的刀具，其典型的应用包括钻头、扩孔钻、立铣刀、铰刀等刀具。目前，大部分刀具材料都是普通高速钢(W6Mo5Cr4V2)，在普通铣床上用来加工铝合金材料的飞机零件。另外，钴高速钢（W2Mo9Cr4VCo8）和铝高速钢（W6Mo5Cr4V2AL）以其独特的优势使用量在不断增加，这两种高性能高速钢刀具主要用于加工钛合金、30CrMnSiA 钢件等飞机零件。另外，由于高速钢是铁磁性材料，具有较高的剩磁感应和较大的矫顽磁力，而正常的切削温度不超过 650，因此高速钢刀具可进行磁化切削。磁化切削可以显著改善高速钢的切削性能，延长刀具的实用寿命，提高加工质量11。- -162.4 硬质合金刀具材料2.4.1 硬质合金发展现状硬质合金由碳化物及粘结剂组成。碳化物包括 WC 及 TiC，粘结剂包括Co、Fe 和 Ni。其中用得最多的是由 WC 及 Co 组成的硬质合金。1923 年硬质合金被成功发明后，在 20 世纪 60 年代以前，由于硬质合金性脆且难加工，故发展缓慢，未对高速钢构成威胁；60 年代以后，由于硬质合金的弯曲强度已经达到甚至超过高速钢的水平，故随着磨加工工艺的发展，使硬质合金得到迅速发展。表 6 为国内外硬质合金年产量发展情况。表 6 国内外硬质合金年生产量（万吨）生产年份全世界年产量我国年产量占世界份额19470.160019812.50.52020043.81.540由表 2 可见，我国在 2004 年已成为世界硬质合金生产第一大国。但令人遗憾的是我国生产的仍是低档产品，产值及利润极低，高档硬质合金及刀具还需从国外大量进口，如瑞典 Sandvik 公司硬质合金年产量仅为我国的 1/4，但其销售收入及利润却是我们的 510 倍；2003 年我国进口的硬质合金刀具高达 113亿美元。更令人遗憾的是国外生产硬质合金的工厂所用的钨主要由我国低价供应。我国是钨资源大国，钨储量 102 万吨，占世界储量 40%，仅次于哈萨克斯坦的 155 万吨，居世界第二位，钨资源出口贸易量超过全球总贸易量的 75%，是世界第一大国。其中钨初级产品占 79%，硬质合金仅占 18%，另 3%为铸造碳化钨。按此速度出口，预计不用 20 年，我国钨资源将消耗殆尽12。在硬质合金问世初期，由于脆性高、弯曲强度低、难加工，故用量不大，发展缓慢。20 世纪 50 年代后采用细化强化使硬质合金的硬度及弯曲强度同时提高(见图 2)，在保持高硬度优势的同时，弯曲强度提高到了高速钢的水平甚至高于高速钢，再加磨加工水平的提高及生产发展的需要，使硬质合金得到迅猛发展，现已超越高速钢成为制造刀具的主要材料。表 7 为德国粉末冶金协会制定的硬质合金 WC 晶粒的分级标准。- -17图 2 WC-6Co 硬质合金弯曲强度与 WC 晶粒尺寸的关系表 7 德国粉末冶金协会硬质合金 WC 晶粒度分级标准20 世纪 60 年代前世界各国只能生产粗晶及中晶硬质合金，60 年代出现细晶硬质合金，70 年代出现亚微晶硬质合金，80 年代出现超细晶硬质合金，2004年亚微晶及超细晶硬质合金的产量已经达到 115 万吨，占硬质合金产量的40%。用于加工印刷电路板的微型钻头必须用超细晶硬质合金制作，年需数千吨。20 世纪 90 年代纳米晶硬质合金开始从实验室走向生产，上世纪末，Sandvik 已能批量生产介于超细晶与纳米晶之间的 0.2m 的硬质合金。但012m 的纳米晶硬质合金的面世还有待时日。我国目前能够生产亚微晶硬质合金，但超细晶硬质合金还未走出实验室。2.4.2 材料成分及性质硬质合金是高硬度、难融的金属化合物(主要是 WC、TiC 等，又称为高温碳化物)微米级的粉末，用钴或镍等金属做粘结剂烧结成的粉末冶金制品。硬质合金的出现，使切削效率得以显著提高，大约为高速钢的 510 倍，切削中碳钢时，切削速度可达 100200m/min，故全世界硬质合金的产量增长极快，新材料、新牌号的硬质合金刀具不断出现，硬质合金刀具在全部刀具中的比重越来越大9。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具较脆，韧性不足，可加工性也不好，因此不能用于所有种类的刀具。随后出现了细颗粒、超细颗粒的硬质合金材料（如第一章所述），这种材料在强度和韧性上较传统的硬质合金有了很大的提高。用它制造的整体硬质合金刀具（尤其是中小规格通用刀具如钻头、立铣刀等），切削速度和加工速率明显提高。- -18随着技术的发展，随后研制成功了各种特种硬质合金，介绍如下： 特粗晶硬质合金在向纳米晶硬质合金方向发展的同时又发展了 20m 的特粗晶硬质合金，这类硬质合金具有高的导热系数，低的膨胀系数及高的断裂韧性，适于制造特种冲击钻。 功能梯度硬质合金功能梯度硬质合金包括成分梯度及结构梯度。成分梯度硬质合金可以通过各种化学热处理方法获得，其中包括富 Co 脱 层处理、缺碳硬质合金渗碳处理、熔体渗透法；也可采用分层压制法。结构梯度硬质合金可以通过表面涂敷晶粒长大抑制剂然后烧结的方法，也可以采用分层压制法。 复合硬质合金复合硬质合金的种类很多，可以通过各种方法将硬质合金与聚晶金刚石复合在一起，也可以将硬质合金与高速钢复合在一起。另一种复合硬质合金是将金刚石粉、WC 粉、Co 粉混合后烧结而成，烧结时应防止金刚石石墨化。 双烧结硬质合金双烧结硬质合金是将 WC 与 Co 烧结成球粒，然后将烧结球粒与 Co 混合后再次烧结而成。目的是提高断裂韧性而不降低耐磨性。2.4.3 硬质合金生产工艺生产超细晶及纳米晶硬质合金的关键是生产出超细粉及纳米粉及烧结中如何防止 WC 晶粒长大。近年来国内外对硬质合金的研究也都集中在解决这两个问题上，其中包括制粉工艺、烧结工艺及抑制剂的研究。 制粉工艺为能生产出超细晶及纳米晶硬质合金，首先要制备出细、纯、均匀的 WC粉13。一般用于生产的有以下几种，其中包括：喷雾干燥转化法，美国Nanodyne 公司用这种工艺大量生产各种规格的 WC2Co 混合粉，其中最细的可以达到 2050nm；直接碳化法，日本住友及东京钨公司用 WO3+C 直接碳化法得到 0.10.2m 的 WC 粉。美国 Dow 公司用快速还原碳化法大规模低成本生产 0.2m 的 WC 粉；原位渗碳法，美国 Y.T.Zhu 发明的用聚丙烯腈作为原位碳源，直接还原出 5080nm 的 WC2Co 复合粉。我国在规模生产制粉方面相对于国外落后 1020 年，虽在实验室中也已能制成 610nm 的 WC2Co 复合粉，但能否转入工业生产还存在许多问题。 烧结工艺虽然目前已能在实验室制备出几个纳米的 WC 粉及 WC2Co 混合粉，但还不能生产出 0.1m 的纳米晶硬质合金。这是因为在烧结中 WC 粒子将发生长大。因此，获得纳米晶硬质合金的关键是防止 WC 颗粒在烧结过程中发生长大，目前有两个办法阻止长大：一是采用快速加热、短时保温，使 WC 粒子来不及长- -19大；二是添加抑制剂阻止 WC 粒子长大。快速加热：加热分外热源加热及内热源加热。外热源加热时热量通过表面进入工件，然后通过热传导传入工件中心，因此心部加热速度必将低于表面，且差别与导热系数有关。故表面和心部不可能同时快速加热到烧结温度。为使表面和心部能同时快速加热到烧结温度，必须采用内热源加热。现已发展了许多内热源加热方法，其中能用于生产的有微波烧结、等离子活化烧结及脉冲电流烧结。 添加抑制剂硬质合金烧结为液相烧结，在烧结过程中 WC 粒子的长大是通过小颗粒WC 溶入液相，扩散至大颗粒 WC 表面析出，使大颗粒 WC 进一步长大，因此为阻止 WC 粒子长大，方法之一是消除 WC 粒子大小的差别，即 WC 粒度要均匀；二是加入抑制剂，这种抑制剂能先于 WC 溶入液相中，降低了 WC 在液相中的溶解度，使 WC 难以溶入液相，从而阻止了 WC 粒子的长大。常用的抑制剂有 VC、Cr2O3、Mo2C、NbC、TaC 及 TiC 等，其中以 VC 及 Cr2O3 最常用，效果最好。热等静压烧结：这是硬质合金烧结工艺的一个重要发展。与HIPPMHSS 烧结不同，硬质合金烧结为液相烧结，故无需加压即可通过液相在WC 颗粒间向空隙的流动以及颗粒的飘移使体积收缩、致密度增加。但如在等静压作用下进行烧结，则效果会更好。硬质合金液相烧结所需的压力远低于高速钢固相烧结所需的压力，只需 6MPa 即可。目前低压热等静压烧结已经逐步取代普通烧结14。3 典型非金属刀具材料3.1 涂层刀具材料对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一15。涂层技术的出现为刀具材料的改进和提高开辟一条崭新的道路，是刀具材料的一次革命，是刀具发展史上的一座丰碑。涂层技术的发展已从当初单一的 TiC、TiN 涂层，经历了 TiC、TiN、AL2O3 复合涂层和 TiCN、TiAlN 等多元复合涂层的发展阶段，使涂层的性能有了重大的改进，使用范围不断扩大。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具即有较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性。涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高 25 倍。近 10 年来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。多涂层及其相关技术的出，使涂层即可提高与基体的结合强度有能具有多种材料的综合性能。图 3 为涂层刀具的涂层处理图。- -20图 3 涂层刀具涂层处理涂层刀具可分为两大类16：一类是“硬”涂层刀，如 TiC、TiN、Al2O3 涂层刀具等，其主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是“软”涂层刀具，如 MoS2 、WS2 等，这种涂层刀具也称为自润滑刀具，可以减小摩擦，降低切削力和切削温度。常见的单涂层及多涂层组合有：TiC、TiN、TiCN、TiAiN、TiC/ TiN、TiC/ TiCN/ TiN、TiC/Al2O3/TiN 等. 多涂层及其相关技术的出现，使涂层既可提高与基体的结合强度又能具有多种材料的综合性能。TiC 是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。TiN 的硬度稍低，但它与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化能力比 TiC 好。TiCN 具有 TiC 和 TiN 的综合性能，其硬度高于TiC 和 TiN ，因此是一种较为理想的刀具涂层材料。TiAiN 是含有铝的 PVD 涂层，在切削过程中铝氧化而形成氧化铝，从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，在高速切削时， TiAiN 涂层刀具的切削效果优于 TiN 和 TiCN 涂层刀具，主要原因是 TiAiN 涂层刀具的硬度、抗氧化和抗粘结能力高。尤其是由于TiAiN 涂层刀具具有很高的高温硬度。目前，TiAiN/Al2O3 多层 PVD 涂层也已研究成功，其涂层硬度达 HV4000，涂层数为 400 层(总厚度 5m)，切削性能优于 TiC/ Al2O3/ TiN 涂层刀具。软涂层刀具，如 MoS2 和 WS2 作为涂层材料的高速钢刀具主要用于高强度铝合金、钛合金等的加工。此外，最新开发的纳米涂层材料刀具在高速切削中的应用前景也很广阔。如日本住友公司的纳米 TiAlN 复合涂层铣刀片，共2000 层涂层，每层只有 2.5nm 厚。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高 25 倍。近 10 年来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占 41%.- -21根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积涂层刀具和物理气相沉积涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法；涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法。金刚石薄膜涂层刀具17是近年研究成功的新型刀具涂层材料，它采用化学气相沉积(CVD) 法在硬质合金基体沉积一层极薄(50m 以下)的金刚石膜制成的。这种工艺可在形状复杂的刀具基体制作大面积高质量的金刚石薄膜。CVD金刚石薄膜涂层刀具不仅冲击无涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为聚晶金刚石刀具强有力的竞争对手。这种涂层刀具特别适合于加工有色金属及纤维材料。最近又开发了纳米涂层(N anocoating)技术18。这种方法可采用多种涂层材料的不同组合以满足不同的功能和性能要求，特别适合于高速干切削。这些复合涂层每层由两种材料组合而成，厚度仅为几纳米，根据切削需要，可互相叠加涂覆上百层，总厚度可达 25m。3.2 陶瓷刀具材料3.2.1 传统陶瓷材料与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀具的寿命可比硬质合金高几倍甚至十几倍，红硬性比硬质合金高 26 倍，且陶瓷刀具的化学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷刀具的高温性能使其能够以比硬质合金刀具高 310 倍的切削速度进行加工。它与钢铁金属的亲和力小，摩擦系数低，抗粘结和抗扩散能力强，加工表面质量好。但是陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了它的应用推广。近年来，由于科学技术与制造技术的进步，通过添加各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善陶瓷的性能，并且超微粉技术的发展和纳米复合材料的研究也极大地提高了陶瓷刀具的材料的强度，应用范围日益广泛19。陶瓷刀具广泛应用于高速切削、干切削、硬切削以及难加工材料的切削加工。陶瓷刀具可以高效加工传统刀具根本不能加工的高硬材料，实现“以车代磨”；陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬质合金刀具高 210 倍，大大提高了切削加工生产效率；陶瓷刀具材料的主要原料是地壳中最丰富的原色，对降低加工成本，节省战略性贵重金属具有十分重要的意义。可以说，陶瓷材料是具有极大发展潜力的高速切削刀具，在生产中有美好的应用前景，目前已引起世界各国的重视。在德国约 70%加工铸件的