硬質(zhì)合金

　　機械制造業(yè)需要“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的經(jīng)營理念，在當代刀具制造和使用領(lǐng)域，“效率第一”的理念已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的“性能價格比”老概念，這一變化為高技術(shù)含量的高效刀具的發(fā)展掃清了障礙。

　　硬質(zhì)合金不僅具有較高的耐磨性，而且韌性也較高（和超硬材料相比），所以得到廣泛的應(yīng)用，展望未來，它仍然是應(yīng)用最廣泛的刀具材料。從歷屆機床工具博覽會上可以看出，硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具幾乎覆蓋了所有的刀具品種。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和刀具技術(shù)的進步，硬質(zhì)合金的性能得到很大改善：一是開發(fā)了提高韌性的1~2μm細顆粒硬質(zhì)合金；二是開發(fā)了涂層硬質(zhì)合金。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金涂層刀具的市場份額增長幅度更大，因為在高溫和高速切削參數(shù)下，高強度更為重要。

　　現(xiàn)代切削刀具，硬質(zhì)合金大展其威，展望未來，刀具材料無疑是硬質(zhì)合金的天下。

　　超硬刀具材料

　　超硬材料是指以金剛石為代表的具有很高硬度物質(zhì)的總稱。超硬材料的范疇雖沒有一個嚴格的規(guī)定，但人們習慣上把金剛石和硬度接近于金剛石硬度的材料稱為超硬材料。

　　1）金剛石

　　金剛石是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性等性能，在有色金屬和非金屬加工中得到廣泛的應(yīng)用，尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中，如轎車發(fā)動機缸體、缸蓋、變速箱和各種活塞等的加工中，金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具。近年來，由于數(shù)控機床的普及和數(shù)控加工技術(shù)的高速發(fā)展，可實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的金剛石刀具的應(yīng)用日漸普及。金剛石刀具現(xiàn)在和將來都是數(shù)控加工中不可缺少的重要刀具。

　　2）立方氮化硼（CBN）

　　立方氮化硼是氮化硼的同素異構(gòu)體，其結(jié)構(gòu)與金剛石相似，硬度高達8000~9000HV,耐熱度達1400℃，耐磨性好。近年來開發(fā)的多晶立方氮化硼（PCBN）是在高溫高壓下將微細的CBN顆粒通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，既能勝任淬硬鋼（45~65HRC）、軸承鋼（60~64HRC）、高速鋼（63~66HRC）、冷硬鑄鐵的粗車和精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工。

　　3）陶瓷刀具

　　陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ牡毒咧唬壳耙岩鹗澜绻ぞ呓绲闹匾暋Ｔ诠I(yè)發(fā)達的德國，約70%加工鑄件的工序是由陶瓷刀具來完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%~10%.由于數(shù)控機床、高效無污染切削、被加工材料硬等因素，迫使刀具材料必須更新?lián)Q代，陶瓷刀具正是順乎潮流，不斷改革創(chuàng)新，在Al2O3陶瓷基體中添加20%~30%的SiC晶液制成晶須增韌陶瓷材料，SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋，它能成為阻擋或改變裂紋擴展方向的障礙物，使刀具的韌性大幅度提高，是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。為了提高純氧化鋁陶瓷的韌性，加入含量小于10%的金屬，構(gòu)成所謂金屬陶瓷，這類刀具材料具有強大的生命力，正以強勁勢頭向前發(fā)展，也許將來會自成一系，成為刀具材料家族新成員。

　　陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等，它們是地殼中最富足的資源，發(fā)展此類刀具不存在原料來源問題。因此，開發(fā)應(yīng)用陶瓷刀具有重要的戰(zhàn)略意義和深遠的歷史意義。

　　由于切削加工機床和切削技術(shù)的突飛猛進，迫使刀具被動式同步。刀具材料的發(fā)展趨勢，是向著高效率、高速度、高壽命方向發(fā)展。在各種刀具材料的發(fā)展中，硬質(zhì)合金（包括涂層硬質(zhì)合金）一枝獨秀；HSS將進一步萎縮；HSS-E增幅緩慢；HSS-PM將有長足的進步；DH還會繼續(xù)膨脹擾亂市場，不過好景不長；超硬刀具材料有廣闊的發(fā)展空間，將繼續(xù)擴大應(yīng)用比例。形成了以硬質(zhì)合金為主線，各種材料既有獨特的優(yōu)點和應(yīng)用范圍，又互相發(fā)展、互相競爭，又相互有所取代補充的整體格局。

 隨著全球機加工水平的不斷進步，刀具生產(chǎn)制造技術(shù)的也在逐步發(fā)展，從刀具材料方面來講，近代金屬切削刀具材料從碳素工具鋼、高速鋼發(fā)展到今日的硬質(zhì)合金、立方氮化硼等超硬刀具材料，使切削速度從每分鐘幾米飚升到千米乃至萬米。

　　隨著數(shù)控機床和難加工材料的不斷發(fā)展，刀具實有難以招架之勢。要實現(xiàn)高速切削、干切削、硬切削必須有好的刀具材料。在影響金屬切削發(fā)展的諸多因素中，刀具材料起著決定性作用。

　　高速鋼

　　高速鋼自1900年面世至2000年，盡管各種超硬材料不斷涌現(xiàn)，但始終未能動搖其切削刀具的霸主地位，2000年以后硬質(zhì)合金已成為高速鋼的“天敵”,正在持續(xù)不斷地侵蝕著高速鋼刀具的市場份額，但對于某些如螺紋刀具、拉削刀具等對韌性要求較高的刀具，高速鋼仍可與硬質(zhì)合金“分庭抗禮”,甚至占明顯優(yōu)勢。

　　據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計分析，2004年我國生產(chǎn)高速鋼7.8萬噸，幾乎占全球產(chǎn)量的50%,生產(chǎn)了約25億件刀具，其中近20億件低檔出口。2005年全國高速鋼產(chǎn)量8.3萬噸，其中低合金高速鋼（鎢當量6%~12%）占40%左右，刀具的生產(chǎn)、銷售情況和2004年差不多。從整體形勢分析，目前最突出的矛盾是低檔產(chǎn)品惡性膨脹，而高檔產(chǎn)品嚴重短缺，或者說高端失守、低端混戰(zhàn)，倘任其自由發(fā)展，高速鋼刀具在切削領(lǐng)域的地位只會越來越低，甚至退出，將市場拱手讓給外國佬。

　　人們習慣上將高速鋼分為四大類：

　　1）通用高速鋼（HSS）

　　以W18Cr4V為代表的HSS曾輝煌過一個世紀，為我國刀具行業(yè)做出過杰出的歷史性貢獻，但由于還存在不少弊端，現(xiàn)已逐步淡出市場；M2鋼的市場份額已由上世紀90年代的60%~70%下降到目前的20%~30%;9341是我國自行研制的HSS,市場份額占20%左右，W7、M7等其他HSS產(chǎn)量比較低。HSS已占高速鋼總量60%以上。由于HSS的強韌性和較高的耐磨性、紅硬性等優(yōu)異性能，在絲錐、拉刀等刀具領(lǐng)域，還會牢牢守住一塊地盤，不過陣地在逐年減少。

　　2）高性能高速鋼（HSS-E）

　　HSS-E是指在HSS成分基礎(chǔ)上加入Co、Al等合金元素，并適當增加含碳量，以提高耐熱性、耐磨性的鋼種。這類鋼的紅硬性比較高，經(jīng)625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上，刀具的耐用度為HSS刀具的1.5~3倍。

　　以M35、M42為代表的HSS-E產(chǎn)量逐年在增加，501是我國自產(chǎn)的高性能高速鋼，在成形銑刀、立銑刀等方面應(yīng)用十分普遍，在復(fù)雜刀具方面應(yīng)用也比較成功。由于數(shù)控機床、加工中心、高難加工材料發(fā)展迅速，HSS-E刀具材料亦逐步增加。

　　3）粉末高速鋼（HSS-PM）

　　和冶煉高速鋼相比，HSS-PM力學性能有顯著的提高。在硬度相同的條件下，后者的強度比前者高20%~30%,韌性提高1.5~2倍，在國外應(yīng)用十分普遍。我國在上世紀70年代曾研制出多種牌號的HSS-PM,并投入市場，但不知何故夭折，現(xiàn)在各工具廠所用材料均系進口。值得欣喜的是，河冶科技股份有限公司（原河北冶金研究院）已能生產(chǎn)HSS-PM,并小批量供貨，效果不錯。由于資源日益枯竭和HSS-PM自身優(yōu)良的綜合性能及市場的需求，HSS-PM必將會有一個長足的進步。

　　4）低合金高速鋼（DH）

　　由于合金資源越來越少、成套麻花鉆出口及低速切削工具的需要，鋼廠和工具廠共同開發(fā)出301、F205、D101等多種牌號的DH.2003年我國生產(chǎn)高速鋼6萬噸，其中DH兩萬噸，占高速鋼的1/3;2004年DH占高速鋼的40%,2005年、2006年仍呈增長勢頭。但其中水分不少，有些根本不屬高速鋼，硬度也達不到63HRC,也被標以HSS.