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刀具材料的分類及應(yīng)用領(lǐng)域

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2022-10-30 16:33

縱觀切削刀具材料的發(fā)展歷史，可分為四類：高速鋼、硬質(zhì)合金（含硬質(zhì)合金PVD涂層）、陶瓷以及超硬材料。

20世紀(jì)初，匹茲堡伯利恒鋼鐵公司展現(xiàn)了泰勒（機(jī)械工程師）和懷特（冶金工程師）經(jīng)過反復(fù)切削測(cè)試的新型刀具，此刀具由制造時(shí)經(jīng)過一種熱處理的鉻鎢鋼所制成，其車削速度比碳鋼高出十幾倍。盡管在加工過程中，刀具和工件相互摩擦?xí)r產(chǎn)生熱量并且成暗紅色，但卻鋒利不減，削鐵如泥，令人驚嘆不止。此后，這種鋼就獲得了“高速鋼”的美名。之后人們不斷的變換高速鋼成分，先后出現(xiàn)了很多種類的高速鋼刀具。

然而進(jìn)入20世紀(jì)中葉以來，各種高強(qiáng)度鋼、高錳鋼、不銹鋼、高硬耐磨鑄鐵、高溫合金、鈦合金，以及各種非金屬材料、復(fù)合材料等難加工材料相繼出現(xiàn)，高速鋼刀具加工這些材料時(shí)效率太低，甚至根本切不動(dòng)。于是人們又改進(jìn)高速鋼的化學(xué)成分和熱處理方法，提高高速鋼的切削性能，出現(xiàn)了很多新型高速鋼，如含鈷、高釩超硬高速鋼等。另外又利用高硬度的碳化鎢和金屬粘結(jié)劑，經(jīng)粉末冶金工藝制成硬質(zhì)合金。本世紀(jì)20年代，先后制成鎢鈷類和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金，并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)。硬質(zhì)合金刀具加工某些金屬的效率，可比高速鋼提高4-10倍，而且硬質(zhì)合金的硬度很高，可以加工高速鋼加工不了的材料，但對(duì)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)水平而言，硬質(zhì)合金韌性差，可加工性能差，只能在部分加工范圍內(nèi)替代高速鋼使用。

1969年瑞典研制成功了碳化鈦涂層（PVD涂層，即物理氣相沉積涂層）刀具，刀具的基體是鎢鈦鈷硬質(zhì)合金或鎢鈷硬質(zhì)合金，表面碳化鈦涂層的厚度不過幾微米，但是與同牌號(hào)的合金刀具相比，使用壽命延長(zhǎng)了3倍，切削速度提高了25%～50%。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)第四代涂層刀具，可用來切削很難加工的材料。隨著技術(shù)水平的提高，硬質(zhì)合金刀具的性能得到了全方位的提高，即使PVD涂層刀具的出現(xiàn)，也并沒有動(dòng)搖硬質(zhì)合金刀具的地位。硬質(zhì)合金刀具由于廣泛應(yīng)用于加工車刀、銑刀、刨刀、鉆頭和鏜刀，以及能夠加工的材料較多的突出綜合性能，在2019年全球刀具市場(chǎng)中，硬質(zhì)合金刀具仍占據(jù)著高達(dá)63%的市場(chǎng)份額。

陶瓷刀具早在1912-1913年在英國(guó)和德國(guó)出現(xiàn)，由于其強(qiáng)度、韌度低，只應(yīng)用于連續(xù)切削的精加工中，且切削速度和進(jìn)給量都較低，直到1950年左右才開始被應(yīng)用于生產(chǎn)。直到后來出現(xiàn)了氧化鋁陶瓷刀具和氮化硅陶瓷刀具，強(qiáng)度和韌性才得到有效地提高。但其抗沖擊韌性和抗斷裂性能還是較差，不能斷續(xù)切削和性能較差的鑄造件加工。并且隨著后來的超硬刀具的出現(xiàn)，陶瓷刀具的市場(chǎng)一直沒能擴(kuò)展。

超硬刀具可分為金剛石類和立方氮化硼兩大類。金剛石類（單晶金剛石、PCD復(fù)合片、CVD金剛石涂層）刀具憑借其超高的硬度和耐磨性，在高強(qiáng)石墨、高硅鋁合金、鈦合金、鋁基復(fù)合材料、工程陶瓷、碳纖維復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）等這些非鐵系材料的加工中，在穩(wěn)定性、加工壽命和效率方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，受到越來越多行業(yè)客戶的青睞，市場(chǎng)需求亦逐年增加。立方氮化硼類超硬刀具主要應(yīng)用于鐵系金屬的加工。

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