1、临沂大学临沂大学 汽车学院汽车学院 赵琳赵琳涂层刀具涂层刀具1234567专题五专题五 切削刀具的发展切削刀具的发展硬质合硬质合金刀具金刀具8高速钢高速钢刀具刀具切削刀具切削刀具的发展展的发展展望望910一、一、 一、一、1818世纪后期，世纪后期，碳素工具钢刀具碳素工具钢刀具，耐热温度为，耐热温度为200200，切削速，切削速度度6-106-10m/minm/min，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面，加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面， 需要大约需要大约1 1个月个月时间时间。18611861年英国人首先制备出年英国人首先制备出合金工具钢刀具合金工具钢刀具，耐热温度达到，耐热温度达到300300左右，切削
2、速度左右，切削速度2020m/minm/min。 18981898年美国人研制成功年美国人研制成功高速钢刀具高速钢刀具，耐热温度达到，耐热温度达到500500左左右，切削速度右，切削速度30-4030-40m/minm/min。 高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的第一次革命第一次革命，新型高速机床随之出现。新型高速机床随之出现。19251925年德国人首先发明了年德国人首先发明了硬质合金刀具硬质合金刀具，耐热温度达到，耐热温度达到600-800600-800左右，切削速度左右，切削速度40-20040-200m/minm/min。硬质合金刀具硬质合金刀
3、具的的出现，引起了金属切削加工的又一次出现，引起了金属切削加工的又一次革命革命。2020世纪世纪3030年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，5050年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到1100-14001100-1400，切削速度，切削速度500-1000500-1000m/minm/min。2020世纪世纪5050年代美国年代美国GEGE公司首先合成公司首先合成人造金刚石人造金刚石和和CBNCBN，CBNCBN硬度接近金刚石，耐热温度达到硬度接近金刚石，耐热温度达到1400-15001400-1500。 自自
4、2020世纪世纪7070年代初美国年代初美国GEGE公司研制成功公司研制成功聚晶金刚石聚晶金刚石( (PCD)PCD)刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。实例：实例：加工直径为加工直径为100100mmmm，长度长度500500mmmm的碳钢棒的碳钢棒。 1890 1890年，用碳素工具钢刀具，需要年，用碳素工具钢刀具，需要100100minmin。 19101910年，用高速钢刀具，需要年，用高速钢刀具，需要2626minmin。 现在现在，用硬质合金刀具，需要，用硬质合金刀具，需要1.51.5minmin。 现在现在，用陶瓷或，用陶瓷
5、或PCBNPCBN刀具，小于刀具，小于1.01.0minmin。硬度是材料抵抗外物刺入的一种能力。硬度是材料抵抗外物刺入的一种能力。 用硬度试验器来试验极为准确，是现代试验硬度常用的方法。用硬度试验器来试验极为准确，是现代试验硬度常用的方法。 最最常用的试验法有洛氏硬度试验。常用的试验法有洛氏硬度试验。洛氏硬度试验机利用钻石冲入金洛氏硬度试验机利用钻石冲入金属的深度来测定金属的硬度，冲入深度愈大，硬度愈小。属的深度来测定金属的硬度，冲入深度愈大，硬度愈小。 洛氏硬度，这是由洛克威尔在洛氏硬度，这是由洛克威尔在19211921年提出来的，是使用洛氏硬度年提出来的，是使用洛氏硬度计所测定的金属材料
6、的硬度值。该值没有单位，只用代号计所测定的金属材料的硬度值。该值没有单位，只用代号“HR”HR”表示。表示。 洛氏硬度中洛氏硬度中HRAHRA、HRBHRB、HRCHRC中的中的A A、B B、C C为三种不同的标准。为三种不同的标准。称为标尺称为标尺A A、标尺、标尺B B、标尺、标尺C C。 HRA HRA 是采用是采用60Kg60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。例如：硬质合金。高的材料。例如：硬质合金。 HRB HRB 是采用是采用100Kg100Kg载荷和直径载荷和直径1.58mm1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，淬硬的钢球求得
7、的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。铸铁等。 HRC HRC 是采用是采用150Kg150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等很高的材料。例如：淬火钢等 三、刀具材料必备的性能三、刀具材料必备的性能1 1高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性p 刀具材料的硬度一般大于刀具材料的硬度一般大于6060HRCHRC（一般应大于工件材料的硬度）。一般应大于工件材料的硬度）。p 刀具材料的耐磨性指抵抗磨损的能力，刀具的硬度越高、耐磨性刀具材料的耐磨性指抵抗磨损的能力，刀具的硬度越高、耐磨性一
8、般越高。除硬度外，耐磨性还与材料的化学成分、强度、韧性一般越高。除硬度外，耐磨性还与材料的化学成分、强度、韧性及显微组织等有关。及显微组织等有关。2 2足够的强度和韧性足够的强度和韧性p 切削过程中，刀具的切削部分承受很大的切削负荷，尤其在断续切削过程中，刀具的切削部分承受很大的切削负荷，尤其在断续切削过程中更要承受循环的热及机械冲击，刀具的常见损坏形式切削过程中更要承受循环的热及机械冲击，刀具的常见损坏形式为破损如崩刃、断裂等。刀具材料必须具备足够的强度和韧性。为破损如崩刃、断裂等。刀具材料必须具备足够的强度和韧性。三、刀具材料必备的性能三、刀具材料必备的性能3 3高的热稳定性高的热稳定性p
9、 也称高的耐热性，是衡量刀具材料切削性能的重要标志，它指也称高的耐热性，是衡量刀具材料切削性能的重要标志，它指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。除刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。除了高的热稳定性，刀具材料还应具备良好的高温抗氧化能力、了高的热稳定性，刀具材料还应具备良好的高温抗氧化能力、抗扩散性能。抗扩散性能。4 4良好的热物理特性及抗热冲击性能良好的热物理特性及抗热冲击性能p 良好的导热性，大的热容量有利于切削热的传出、降低切削温良好的导热性，大的热容量有利于切削热的传出、降低切削温度；度；p 断续切削时，刀具受到循环的热冲击，容易产生热裂纹而断裂，断续
10、切削时，刀具受到循环的热冲击，容易产生热裂纹而断裂，所以刀具材料应具备优良的抗热冲击性能；所以刀具材料应具备优良的抗热冲击性能；p 热膨胀系数越小，则热变形越小，有利于降低热应力。热膨胀系数越小，则热变形越小，有利于降低热应力。三、刀具材料必备的性能三、刀具材料必备的性能5 5良好的工艺性良好的工艺性p 指良好的锻造性能、机加工性能和热处理性能，便于刀具的制指良好的锻造性能、机加工性能和热处理性能，便于刀具的制造。造。6 6经济性经济性p 刀具材料的发展一定要将生产的实际需要与本国的自然资源的刀具材料的发展一定要将生产的实际需要与本国的自然资源的相结合，因地制宜。相结合，因地制宜。天然单晶金刚
11、石刀具天然单晶金刚石刀具人造单晶金刚石刀具人造单晶金刚石刀具金刚石金刚石刀具刀具单晶金刚石刀具单晶金刚石刀具多晶金刚石多晶金刚石刀具刀具PCD刀具刀具CVD金刚金刚石刀具石刀具CVD金刚石金刚石薄膜涂层刀具薄膜涂层刀具金刚石金刚石厚度膜焊接刀具厚度膜焊接刀具1.1. 极高的硬度和耐磨性极高的硬度和耐磨性：金刚石的显微硬度达：金刚石的显微硬度达HV10000HV10000，是自是自然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨然界最硬的物质。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的性为硬质合金的80-12080-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的金
12、的60-8060-80倍。倍。2.2. 各向异性能各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须正确选择晶体方向。石刀具时，必须正确选择晶体方向。3.3. 具有很低的摩擦系数具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半，通常在系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具
13、的一半，通常在0.1-0.30.1-0.3之间。摩擦系数低可减小切削温度和切削力之间。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。(1) (1) 金刚石刀具的性能特点金刚石刀具的性能特点4.4. 刀刃非常锋利刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。切削和超精密加工。 5.5. 具有很高的导热性能：具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-91.5-9倍，为铜的倍，为铜的2-62-6倍。由于导热系数高
14、，切削热容易散倍。由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。出，切削温度低。 6.6. 热胀系数低：热胀系数低：金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为金刚石的热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的高速钢的1/101/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。(1)(1) 金刚石刀具的性能特点金刚石刀具的性能特点（2）人造金刚石的制备工艺）人造金刚石的制备工艺(a) 人造单晶金刚石的制备人造单晶金刚石的制备(b) 聚晶金刚石的制备聚晶金刚石的制备石墨石墨+触
15、媒剂触媒剂金刚石单晶粉金刚石单晶粉高温高压高温高压金刚石单晶粉金刚石单晶粉+结合结合剂剂PCD聚晶聚晶高温高压高温高压（3）聚晶金刚石）聚晶金刚石(PCD)刀具刀具 PCDPCD是通过金属结合剂是通过金属结合剂( (如如CoCo、NiNi等等) )将金刚石微粉聚合而成的将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是PCDPCD研制成功以研制成功以后。后。 PCDPCD的硬度低于单晶金刚石，但的硬度低于单晶金刚石，但PCDPCD属各向同性材料；属各向同性材料；PCDPCD具有具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。导电性，便于切割成
16、型，成本远低于天然金刚石。 PCDPCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCDPCD应用远比天然金刚石刀具广泛。应用远比天然金刚石刀具广泛。 大多数大多数PCDPCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约在硬质合金的基体上烧结一层约0.70.7mmmm厚的厚的PCDPCD，这种刀片的这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCDPCD，可焊性好，重可焊性好，重磨容易，成本低磨容易，成本低 。聚晶金刚石复合刀片（硬质合
17、金基体）（7）金刚石刀具的应用）金刚石刀具的应用金刚石刀具主要用于金刚石刀具主要用于加工有色金属及其合金加工有色金属及其合金。其中。其中8080以上的以上的PCDPCD刀具刀具用于加工用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件，如：铝合金活塞的裙部，如：铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱等。、销孔、汽缸体、变速箱等。由于这些零件材料含硅量较高由于这些零件材料含硅量较高(12%(12%以上以上) )，且为大批量生产，对刀具的，且为大批量生产，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCDPCD刀具的寿命远高于硬质刀具的
18、寿命远高于硬质合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。在加工硅含量较高的铝合金时，除在加工硅含量较高的铝合金时，除PCDPCD刀具外，其它所有的刀具都在很刀具外，其它所有的刀具都在很短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削 。PCDPCD刀具还非常适合对刀具还非常适合对难加工非金属材料难加工非金属材料( (如：木材、人造板材、强化复如：木材、人造板材、强化复合地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等合地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等) )进行加工进行加工 。采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜
19、面加工，目前，采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，金刚石金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。金刚石的热稳定性比较差，金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到切削温度达到800800时，就会失去其硬度，时，就会失去其硬度，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石与铁有很强的化学，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。（7）金刚石刀具的应用）金刚石刀具的应用车削镗削面铣饺削钻削
20、PCD刀具应用领域分布刀具应用领域分布实木地板强化复合板刨花板纤维板胶合板其它板材PCD木工刀具主要加工对象分布木工刀具主要加工对象分布整体焊接式整体焊接式PCBN刀具刀具机夹焊接式机夹焊接式PCBN刀具刀具PCBN可转位可转位刀具刀具PCBN焊接焊接刀具刀具PCBN刀具刀具整体整体可转位可转位刀片刀片一个面一个面可转位可转位刀片刀片单刃单刃可转位可转位刀片刀片(1) PCBN的性能特点的性能特点 1.1. 高的硬度和耐磨性：高的硬度和耐磨性：PCBNPCBN晶体结构与金刚石相似，晶格常晶体结构与金刚石相似，晶格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度。数相近，因此具有与金刚石相近的硬度。PCBN
21、PCBN微粉的显微微粉的显微硬度为硬度为HV8000HV800090009000，其其PCBNPCBN烧结体的硬度达到烧结体的硬度达到HV3000HV300050005000。在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的5050倍倍，为涂层硬质合金刀具的，为涂层硬质合金刀具的3030倍。倍。PCBNPCBN特别适合于加工从前特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，实现只能磨削的高硬度材料，实现“以车代磨以车代磨” ” 。2.2. 具有很高的热稳定性具有很高的热稳定性：PCBNPCBN的耐热性可达的耐热性可达1400140015001500，比金刚石的耐热性比
22、金刚石的耐热性(700-800)(700-800)几乎高一倍，因此几乎高一倍，因此PCBNPCBN刀具刀具可用比硬质合金刀具高可用比硬质合金刀具高3 35 5倍的速度高速切削淬硬钢。倍的速度高速切削淬硬钢。(1) PCBN的性能特点的性能特点 3.3. 优良的化学稳定性：优良的化学稳定性：PCBNPCBN的化学惰性大，与铁系材料到的化学惰性大，与铁系材料到1200-13001200-1300时也不起化学作用，与碳只是在时也不起化学作用，与碳只是在20002000时才起时才起反应。反应。PCBNPCBN具有很高的抗氧化能力，在具有很高的抗氧化能力，在10001000时也不会产生时也不会产生氧化现
23、象。因此，氧化现象。因此，PCBNPCBN刀具广泛应用于高速或超高速的切削刀具广泛应用于高速或超高速的切削 。4.4. 具有较好的导热性具有较好的导热性：PCBNPCBN的导热性虽然赶不上金刚石，但是的导热性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中在各类刀具材料中PCBNPCBN的导热性仅次于金刚石，大大高于高的导热性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。速钢和硬质合金。PCBNPCBN的导热系数是紫铜的的导热系数是紫铜的3.23.2倍，是硬质倍，是硬质合金的合金的2020倍。倍。5.5. 具有较低的摩擦系数：具有较低的摩擦系数：PCBNPCBN与不同材料间的摩擦系数约为与不同材料间的摩擦系数
24、约为0.10.10.30.3，比硬质合金的摩擦系数，比硬质合金的摩擦系数(0.4-0.6)(0.4-0.6)小得多。低的小得多。低的摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表摩擦系数可导致切削时切削力减小，切削温度降低，加工表面质量提高面质量提高 。(2) PCBN刀具的应用刀具的应用 PCBNPCBN刀具非常适合于干式切削、硬态和高速切削加工工艺，刀具非常适合于干式切削、硬态和高速切削加工工艺，特别适合数控设备及自动化生产线的使用。特别适合数控设备及自动化生产线的使用。 PCBNPCBN刀具适合加工的工件材料有：刀具适合加工的工件材料有： (1) (1) 硬度在硬度在HRC45HR
25、C45以上的淬硬钢和耐磨铸铁以上的淬硬钢和耐磨铸铁( (如：淬硬钢如：淬硬钢HRC45-65HRC45-65、轴承钢轴承钢HRC60-62HRC60-62、高速钢高速钢HRCHRC6262、工具钢工具钢HRC57-60HRC57-60、冷硬铸铁等冷硬铸铁等) )； (2)(2) HRC35HRC35以上的耐热合金以上的耐热合金( (高温合金、热喷涂材料、硬质合高温合金、热喷涂材料、硬质合金等金等) )； (3)(3) HRC30HRC30以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。以下而其它刀片很难加工的珠光体灰口铸铁。 被加工材料的硬度越高越能体现被加工材料的硬度越高越能体现PCBNPCBN刀具
26、的优越性。刀具的优越性。 (2) PCBN刀具的应用刀具的应用 PCBNPCBN刀具进行硬态切削时，可以车、镗、铣等替代磨削加工刀具进行硬态切削时，可以车、镗、铣等替代磨削加工工艺，是实现工艺，是实现“以车代磨以车代磨”的最佳刀具。的最佳刀具。据报道日本据报道日本PCBNPCBN刀刀具的应用有具的应用有55%55%是替代原来的磨削。是替代原来的磨削。 PCBNPCBN还是实现高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工还是实现高速或干式切削的最佳刀具之一。尤其在加工灰铸铁高速干切削领域。灰铸铁高速干切削领域。 目前，目前，PCBNPCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等，在汽车制造业刀具已用于车刀、镗
27、刀、铣刀等，在汽车制造业、自动化生产线等方面、自动化生产线等方面PCBNPCBN刀具的使用量已达到了相当的比刀具的使用量已达到了相当的比例据。如：加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔例据。如：加工汽车发动机箱体、刹车盘、传动轴、气缸孔、发动机进出气阀座等；、发动机进出气阀座等；(3) PCBN刀具的应用刀具的应用PCBN刀具应用领域分布刀具应用领域分布轧棍汽车工业重型机械泵业轴承齿轮航空航天其他车削镗削端铣单涂层单涂层 多涂层多涂层(带中间过渡层带中间过渡层)厚度厚度: (0.550 m) 厚度厚度: (0.510 m)多涂层多涂层(纳米结构纳米结构) 梯度涂层梯度涂层厚度厚度: (10
28、0nm)超硬涂层超硬涂层 硬和软复合涂层硬和软复合涂层(CVDDP/BN) (MoS2, WC/C, 石墨等石墨等)涂层硬质合金微观结构涂层硬质合金微观结构1500倍倍a) 单涂层单涂层 b) 多涂层多涂层（1）涂层刀具的性能特点）涂层刀具的性能特点 1.1. 涂层可分为两大类涂层可分为两大类：一类是：一类是“硬硬”涂层，如：涂层，如：TiCTiC、TiNTiN、A1A12 2O O3 3涂层。硬涂层的主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一涂层。硬涂层的主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是类是“软软”涂层，如涂层，如MoSMoS2 2、WSWS2 2等。这种涂层也称为自润滑涂等。这种涂层也称为自
29、润滑涂层，其表面摩擦系数低，可以减小摩擦。层，其表面摩擦系数低，可以减小摩擦。2.2. 涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。高耐磨性和低摩擦系数。3.3. 与未涂层刀具相比，涂层刀具的切削速度可提高与未涂层刀具相比，涂层刀具的切削速度可提高2 2倍以上，倍以上，刀具寿命可提高刀具寿命可提高2-52-5倍。倍。（1）涂层刀具的性能特点）涂层刀具的性能特点 3.3. 涂层硬质合金一般采用涂层硬质合金一般采用
30、化学气相沉积法化学气相沉积法( (CVD)CVD)，沉积温度在沉积温度在10001000左右左右。对于精密、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的对于精密、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具一般采用高速钢刀具一般采用物理气相沉积法物理气相沉积法( (PVD)PVD) ，沉积温度在沉积温度在500500左右。左右。4.4. 刀具寿命与涂层厚度有关刀具寿命与涂层厚度有关。涂层太厚时易引起剥离；涂层太。涂层太厚时易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差，涂层不能有效的保护基体。薄时，则耐磨性能差，涂层不能有效的保护基体。5.5. 涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间涂层刀片重磨性差、涂层设
31、备复杂、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本相对较高。主要用于刚性高的数控机床长、刀具成本相对较高。主要用于刚性高的数控机床 。（2）涂层刀具的应用）涂层刀具的应用 1.1. 自自2020世纪世纪7070年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层年代以来，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，工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占涂层刀片占4141。2.2. 西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由19781978年的年的2626，增加到，增加到19851985年的
32、年的50-6050-60。新型数控机床所。新型数控机床所用切削刀具中有用切削刀具中有8080左右使用涂层刀具。美国数控机床上使左右使用涂层刀具。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为用涂层硬质合金刀片比例为8080。瑞典和德国车削用涂层刀。瑞典和德国车削用涂层刀片已占片已占7070以上。以上。3.3. 前苏联前苏联1981-19851981-1985年期间，刀具产量增加年期间，刀具产量增加1616，硬质合金刀，硬质合金刀具增加了具增加了2929，而涂层刀具则增加了，而涂层刀具则增加了5 5倍。倍。（2）涂层刀具的应用）涂层刀具的应用4.4. 涂层刀具通用性广涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大
33、，一种涂层刀具可以，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本 。5.5. 不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。低速切削时，低速切削时，TiCTiC涂层占有优势；高速切削时，涂层占有优势；高速切削时，TiNTiN较合适；较合适；HfNHfN和和Al2O3Al2O3涂层涂层的热化学稳定性比的热化学稳定性比TiNTiN更高，适合于在更高的切削速度下工更高，适合于在更高的切削速度下工作。作。
34、6.6. 涂层刀具将是今后数控加工领域中的最重要刀具品种，预计涂层刀具将是今后数控加工领域中的最重要刀具品种，预计涂层刀具所占的比例可能达到涂层刀具所占的比例可能达到80%80%以上。以上。粘结相粘结相Mo, Ni, Co氧化物氧化物Al2O3, ZrO2碳化物碳化物TiC, SiC氮化物氮化物Si3N4, BN, TiN硼化物硼化物TiB2，ZrB2（1）陶瓷刀具的性能特点）陶瓷刀具的性能特点 1.1. 硬度高、耐磨性硬度高、耐磨性：陶瓷刀具的硬度虽然不及：陶瓷刀具的硬度虽然不及PCDPCD和和PCBNPCBN高高，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到，但大大高于硬质合金和高速钢刀具，达到H
35、RA93-95HRA93-95。陶陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高3-103-10倍。陶倍。陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现“以以车代磨车代磨”，陶瓷刀具适合于高速切削和硬切削，陶瓷刀具适合于高速切削和硬切削 。2.2. 耐温性、耐热性耐温性、耐热性：陶瓷刀具在：陶瓷刀具在12001200以上的高温下仍能进以上的高温下仍能进行切削，具有很好的高温力学性能，在行切削，具有很好的高温力学性能，在12001200时的硬度仍时的硬度仍达到达到HRA80HRA80。随温度的升高，陶瓷刀具的高温
36、力学性能降随温度的升高，陶瓷刀具的高温力学性能降低很慢。低很慢。3.3. AlAl2 2O O3 3陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热陶瓷刀具的抗氧化性能特别好，切削刃即使处于赤热状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现状态，也能连续使用。因此，陶瓷刀具可以实现干切削干切削，从而可省去切削液从而可省去切削液 。3.3. 化学稳定性化学稳定性：陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、：陶瓷刀具不易与金属产生粘结，且耐腐蚀、化学稳定性好，可减小刀具的粘结磨损化学稳定性好，可减小刀具的粘结磨损 4.4. 摩擦系数摩擦系数：陶瓷刀具与金属的亲合力小，摩擦系数低，可：陶瓷刀具与金属的亲合力小
37、，摩擦系数低，可降低切削力和切削温度，加工表面质量好降低切削力和切削温度，加工表面质量好 5.5. 原料丰富原料丰富：硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂：硬质合金中所含的钨和钴等资源缺乏，价格昂贵，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅、碳贵，而陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅、碳化物等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽，用之不竭的化物等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽，用之不竭的，对发展陶瓷刀具材料十分有利。因此，开发和使用陶瓷，对发展陶瓷刀具材料十分有利。因此，开发和使用陶瓷刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义刀具，对节省战略性贵重金属具有十分重要的意义 （1）陶瓷
38、刀具的性能特点）陶瓷刀具的性能特点 （2）陶瓷刀具的主要成分）陶瓷刀具的主要成分 氧化物：氧化物：A12O3、ZrO2、SiO2、MgO、Y2O3、TiO2等等碳化物：碳化物：TiC、SiC、WC、HfC、NbC、TaC、B4C等等氮化物：氮化物：TiN、Si3N4、BN、A1N、TaN、ZrN、HfN等等硼化物：硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、HfB、WB2等等（3）陶瓷刀具的制备工艺）陶瓷刀具的制备工艺 原料原料处理处理混料混料球磨球磨干燥干燥过筛过筛处理处理烧结烧结成型成型处理处理加工加工检验检验处理处理热压烧结炉热压烧结炉缺点：缺点：强度和韧性低，抗机械和热冲击能力差。强度和韧性
39、低，抗机械和热冲击能力差。解决办法：解决办法：1. 原材料高纯化原材料高纯化2. 粉末微细化粉末微细化(目前可达到目前可达到纳米级纳米级)3. 采用增韧补强采用增韧补强(如：如：颗粒增韧、晶须增韧、相变增韧、协同颗粒增韧、晶须增韧、相变增韧、协同增韧增韧等等)4. 新型烧结工艺新型烧结工艺(如热等静压等如热等静压等)5. 复合化复合化6. 梯度化梯度化强韧强韧TiC基基刀具刀具TiC基基刀具刀具TiN基基刀具刀具TiCN基刀具基刀具钨钴钨钴钛类钛类钨钴钨钴类类添加稀有添加稀有碳化物类碳化物类硬质合金刀具硬质合金刀具碳碳(氮氮)化钛基化钛基硬质合金刀具硬质合金刀具碳化钨基碳化钨基硬质合金刀具硬质
40、合金刀具硬质合金的制造硬质合金的制造混料、球磨（使均匀）混料、球磨（使均匀） 压制成型压制成型硬质合金的制造硬质合金的制造不同模具压制的制品不同模具压制的制品 烧结炉烧结炉硬质合金的特点硬质合金的特点p 硬质合金是由高硬、难熔的金属碳化物如：硬质合金是由高硬、难熔的金属碳化物如：WCWC、TiCTiC、TaCTaC、NbCNbC等和金属粘结剂如：等和金属粘结剂如：CoCo、NiNi等经粉末冶金法制成的。特点：等经粉末冶金法制成的。特点：p 硬度高（硬度高（89938993HRAHRA）、）、耐磨性好（耐用度可提高几倍到几十耐磨性好（耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时切削速度可提高倍，在耐
41、用度相同时切削速度可提高410410倍）；耐热性高倍）；耐热性高（在（在80010008001000时仍可切削）；抗弯强度低（时仍可切削）；抗弯强度低（0.90.91.51.5GPaGPa）；）；断裂韧性低。因此承受切削振动和冲击负荷能力差。断裂韧性低。因此承受切削振动和冲击负荷能力差。p 当硬质合金碳化物含量高，其硬度、耐热性和耐磨性增加，强当硬质合金碳化物含量高，其硬度、耐热性和耐磨性增加，强度、韧性降低；粘结剂增加，其性能相反变化。度、韧性降低；粘结剂增加，其性能相反变化。p 碳化物（也叫硬质相）颗粒越小、分布越均匀，耐磨性越好、碳化物（也叫硬质相）颗粒越小、分布越均匀，耐磨性越好、硬度
42、增加，但强度减小。硬度增加，但强度减小。硬质合金微观结构硬质合金微观结构a) 细晶粒细晶粒 b) 粗晶粒粗晶粒YG10硬质合金（硬质合金（1500倍）倍）钨钼钢钨钼钢钨钢钨钢高钒高钒HSS刀具刀具高碳高碳HSS刀具刀具铝铝HSS刀具刀具钴钴HSS刀具刀具高速钢刀具高速钢刀具高性能高高性能高速钢刀具速钢刀具通用型高通用型高速钢刀具速钢刀具高速钢刀具的性能特点高速钢刀具的性能特点 p 高速钢高速钢(HSS)是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。的高合金工具钢。p 高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能高速钢刀具在强度、韧
43、性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。p 由于由于HSS刀具中钨钴等主要元素的资源紧缺，刀具中钨钴等主要元素的资源紧缺，HSS在所有刀具在所有刀具中的比重逐渐下降，中的比重逐渐下降，1994年已下降到年已下降到45.1，预计，今后高速，预计，今后高速钢的使用比例还将逐渐减少。钢的使用比例还将逐渐减少。p HSS刀具的其发展方向包括：发展各种少钨的通用型高速钢，刀具的其发展方向包括：发展
44、各种少钨的通用型高速钢，扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，推广使用粉末冶金扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，推广使用粉末冶金高速钢高速钢(PM HSS)和涂层高速钢。和涂层高速钢。（2）PM HSS p 普通高速钢和高性能高速钢都是用普通高速钢和高性能高速钢都是用熔炼方法熔炼方法制造的。熔炼高制造的。熔炼高速钢容易出现的严重问题是速钢容易出现的严重问题是碳化物偏析碳化物偏析，碳化物在高速钢中，碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及分布不均匀，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利影响。切削性能产生不利影响。p PM HSSPM HSS是是
45、2020世纪世纪7070年代发展起来的，它是将高频感应炉熔炼年代发展起来的，它是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压氩气或纯氮气使之出的钢液，用高压氩气或纯氮气使之雾化雾化，再急冷而得到细，再急冷而得到细小均匀的结晶组织小均匀的结晶组织( (高速钢粉末高速钢粉末) )，再将所得的粉末在，再将所得的粉末在高温、高温、高压下压制成刀坯高压下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状。形状。（2 2）PM HSSPM HSS PM HSS具有以下优点：具有以下优点：p PM HSS没有碳化物偏析的缺陷，其碳化物晶粒细小均匀，没有碳化物偏析的缺陷，其碳化物晶粒细
46、小均匀，达达2-3 m (一般熔炼钢为一般熔炼钢为8-20 m)。其强度和韧性分别是熔炼其强度和韧性分别是熔炼钢的钢的2倍和倍和2.5-3倍。倍。p 在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高在化学成分相同的情况下，与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢的常温硬度能提高速钢的常温硬度能提高1-1.5HRC，热处理后硬度可达热处理后硬度可达67-70 HRC，600时的高温硬度比熔炼钢高时的高温硬度比熔炼钢高2-3HRC。p PM HSS的可磨削性能较好，的可磨削性能较好，PM HSS便于制造刃型复杂的刀便于制造刃型复杂的刀具。具。p PM HSS适合于制造钻头、拉刀、螺纹刀具、滚刀、插齿刀
47、适合于制造钻头、拉刀、螺纹刀具、滚刀、插齿刀等复杂刀具。在复杂数控刀具领域等复杂刀具。在复杂数控刀具领域PM HSS刀具将会进一步刀具将会进一步发展而占重要地位。发展而占重要地位。 p 目前国内外用于切削加工刀具材料主要有：金刚石刀具、立方目前国内外用于切削加工刀具材料主要有：金刚石刀具、立方氮化硼刀具氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等陶瓷刀具、硬质合金、涂层刀具、高速钢刀具等。它们各有优势，又彼此竞争，适应不同的工件材料和不同的它们各有优势，又彼此竞争，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围切削速度范围。p 从资源、价格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的优势，尤从资源、价
48、格和性能等方面看，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优势，其是其资源优势，因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不因为陶瓷刀具的主要成分在自然界是用之不竭竭，因此，陶瓷刀具将会得到更大的发展。，因此，陶瓷刀具将会得到更大的发展。p 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具在数控加涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力工领域有巨大潜力，预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步，预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大。扩大。 p PCDPCD刀具将继续在刀
49、具将继续在有色金属及其合金、非金属材料有色金属及其合金、非金属材料加工中占加工中占有重要地位；有重要地位；p PCBNPCBN刀具将在刀具将在黑色金属及其合金黑色金属及其合金加工中占有重要地位，其应加工中占有重要地位，其应用将会越来越广泛；用将会越来越广泛；p 超细晶粒的硬质合金和粉末高速钢在超细晶粒的硬质合金和粉末高速钢在小尺寸整体复杂刀具小尺寸整体复杂刀具加加工领域还将占主要地位；工领域还将占主要地位；p 超强、超硬纳米刀具超强、超硬纳米刀具是最诱人的切削刀具，加速研究发展，是最诱人的切削刀具，加速研究发展，有可能在未来有可能在未来5 51010年成为现实。年成为现实。p 随着科学技术的发
50、展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，随着科学技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，轻质强韧材料的使用日渐增多，各种新型航空航天材料、核轻质强韧材料的使用日渐增多，各种新型航空航天材料、核能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土能材料、复合材料、生物材料、功能材料、纳米材料、稀土材料、先进金属或非金属材料等的应用日益广泛，工件材料材料、先进金属或非金属材料等的应用日益广泛，工件材料的品种成倍增长。的品种成倍增长。p 如一种或几种材料对应设计一把专用刀具，不但会造成刀具如一种或几种材料对应设计一把专用刀具，不但会造成刀具的设计、制造、管理和选用等许多麻烦问题，而且各种制造的设计、
