摘　要：近年來，國外切削刀具材料發展迅速，尤其是隨著涂層技術的不斷發展，金屬切除率一直呈直線上升，制造業的生產效率大大提高。切削刀具材料正逐漸向高效加工、硬加工、干式加工、超精密加工和新型難加工材料加工的方向發展。
關鍵詞：刀具材料　涂層硬質合金　超細硬質合金　金屬陶瓷　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
　　近幾十年來，航空航天、汽車等行業使用材料的性能不斷提高，輕質強韌材料的使用日漸增多，加工難度日益增大。機加工行業為了降低成本和保護環境，逐漸推廣干式切削技術，也使某些材料的加工難度增大。隨著機床制造業的發展，數控機床和加工中心的加工能力獲得極大提高，并不斷向高速、高效率加工發展，從而對刀具材料提出了更高的要求。隨著切削刀具材料制造技術的日益成熟，市場競爭異常激烈，刀具行業的兼并或聯合、機床制造業與切削刀具制造業的跨行業聯合極大地提高了開發新產品和開拓新市場的能力。在這些因素的影響下，促進了切削刀具材料的高速發展，其中硬質合金涂層材料在切削刀具材料的發展中一直處于主導地位；金剛石和立方氮化硼等超硬刀具材料的高速發展為廣泛采用新型硬韌材料和新型加工工藝提供了廣闊的應用前景。

一、硬質合金涂層材料
　　硬質合金涂層材料在切削刀具材料的發展中一直處于領先地位，在今后的發展中仍具有相當大的潛力。硬質合金涂層材料現已發展到幾十種，在涂層的化學穩定性、紅硬性以及與基體的粘附性等方面已取得了新的突破。目前的涂層工藝已能自由控制涂層的形態、晶相結構、殘余應力狀態和設計界面等。
　　1．中低溫CVD涂層
　　中溫化學氣相沉積（MTCVD）涂層與CVD涂層的區別是TiCN層的結構不同。MTCVD法采用乙腈在800～900℃的溫度下沉積TiCN，可得到較厚的細晶纖維狀結構，商品牌號的涂層厚度通常為CVD法涂層厚度的1．5倍，且為半粘結態晶界。這種中低溫沉積的厚膜結構消除了在涂層過程中所產生的裂紋，而且在不降低耐磨性或抗月牙洼磨損性能的前提下提高了涂層的韌性和光潔度，從而改善了刀具在斷續切削條件下的抗崩刃性能，這對加工不銹鋼、球墨鑄鐵等十分有利。該涂層可用于加工各種鐵基材料。目前國外大部分復合涂層牌號都具有這種耐磨的TiCN涂層特征。
　　傳統的氧化鋁涂層是α-Al2O3和κ-Al2O3的混合相結構，表面不光滑，化學穩定性差，新近開發的MTCVD單相α-Al2O3涂層工藝，其α-Al2O3層呈微晶結構，熱穩定性好，表面光滑，抗擴散磨損性好。
　　為了克服傳統的CVD－TiCN涂層工藝中氯化物的污染，H．C．Stock公司采用四異丙基鈦等物質代替四氯化鈦，用等離子輔助化學氣相沉積法涂覆TiN和TiCN時，可得到性能更好的Ti（CNO）涂層。
　　在韌性基體上進行中溫TiCN（厚膜）＋α-Al2O3＋TiN涂層的復合涂層刀具，具有較強的抗側面磨損性能，其切削速度達300m／min以上，已成功地用于銑削鑄鐵和不銹鋼，具有代表性的牌號有山特維克公司的GC3032和GC4030；肯納金屬公司的KC992M；三菱綜合材料公司的UE6005和UE6035等。
　　2．PVD涂層
　　首先將PVD涂層用于硬質合金工具的是日本，開始只能涂氮化鈦，現在已能涂碳氮化鈦、鋁鈦氮化合物以及各種難熔金屬的碳化物和氮化物。原來采用陰極濺射法，沉積速度只有0．1μm／h，現已采用磁控陰極濺射法，沉積速度提高到3～10μm／h。
　　為了達到要求的涂層厚度而又不引起晶粒長大，以減少接觸應力和改善涂層性能，通?？蓪傞_始產生晶粒長大的涂層過程中斷，然后進行新的成分相容的薄層細晶涂層。基于這一理論，日本住友公司的AC105G、AC110G等牌號的ZX超晶格涂層與多層厚膜CVD涂層形成了鮮明的對比，ZX涂層為TiN與AlN的交互涂層，層數可達2000層，每層厚度僅1nm，其硬度接近CBN燒結體的硬度。該涂層具有很高的耐磨性、抗氧化性和抗剝落性，其壽命是TiCN、TiAlN涂層的2～3倍。
　　東芝坦葛洛依公司首次在PVD－TiC工藝中有目的地通入氧氣，以產生納米級氧化物薄膜，使涂層的性能得到改善。新的優質涂層牌號CH系列和CT系列，其頂部都有一層Ti（CNO）涂層；其它牌號如不二越公司的T715X和T725X，其最外層都有耐磨的“X”涂層（AlON層）。
　　美國多弧涂層公司最先研究了PVD－TiAlN涂層，發現其硬度與TiCN和TiN相當，而熱穩定性溫度比TiCN和TiN要高，達到1450℃。改進的TiAlN涂層隨Al含量的提高，其硬度更高，抗高溫斷裂性更強，而氧化溫度不變。如果在其上再涂一層MoS2或TiCN光滑涂層，將形成具有耐高溫磨損和摩擦系數低的復合涂層，適合于高速切削、干式切削和難加工材料的切削加工，其鉸孔和鉆孔加工能力比未涂層刀具提高3倍，磨損后還可重磨和重涂，而且切削速度越高，其切削效率越高，這對TiAlN涂層有利。最新的TiAlN涂層又進一步發展成TiAl（CN）超復合涂層，如三菱綜合材料公司的AP20M和AP10H牌號；瓦爾特公司的WXK15、WXM15和WXM25等牌號。
　　3．CVD＋PVD混合涂層
　　隨著機床主軸轉速的不斷提高，促進了新一代CVD-TiCN＋PVD-TiN混合涂層硬質合金材料的發展。CVD-TiCN涂層具有較高的耐磨性，而PVD-TiN涂層具有壓縮殘余應力，這種刀具車削鈦合金的速度比傳統刀具要高2倍。
　　4．涂層用硬質合金基體的改進
　　涂層必須與合適的基體相結合才能達到預期的性能。具有較高紅硬性的耐磨基體通常為細晶低鈷的碳化鎢基合金，并通常加入少量的TiC、TaC和NbC，使其具有更高的抗變形能力。粗晶、高鈷合金和通過熱處理或添加釕、鋯以改善粘結相性能的合金通常具有較高的韌性。如住友公司的AC2000和AC3000等牌號。表面層富鈷的合金基體則使涂層切削刃強度更高，提高了涂層的抗裂紋擴展能力，特別適合于斷續切削。這種涂層合金可通過梯度燒結脫除表面的立方碳化物相和在近表面區產生富鈷帶的工藝技術獲得，通常可將這兩種工藝技術結合使用。切削刃拐角處燒結時碰撞擴散區的影響以及燒結后因涂層需要進行的刃口鈍化處理，將影響刃口的梯度狀況，現在這一缺陷已通過專利技術及精確的工藝控制得到克服。這類涂層的代表產品有肯納金屬公司的KC9000系列、山特維克公司的GC4000系列和三菱綜合材料公司的UC6000系列。二、超細晶硬質合金材料
　　超細晶硬質合金刀具的研究開發一直是國外各廠家競相發展的重點。目前細晶和超細晶硬質合金正被大量用于制作印刷電路板鉆頭（最小直徑為1．5mm）、立銑刀和圓盤切斷刀等精密刀具，其加工精度大大提高，刀具壽命普遍提高。
　　過去，細顆粒合金粉末的高成本和燒結時晶粒的不均勻長大一直是限制超細晶碳化鎢基硬質合金從實驗室研究轉化為工業規?；a的主要障礙。近來，美國DOW化學公司采用改進的工藝技術，已能低成本、大批量生產三種亞微米級（細顆粒為0.8μm，超細顆粒為0.4μm，極細顆粒為0.2μm）的WC粉末。各種級別的粉末通過加入0．2％～0．6％的VC，進行傳統燒結，可有效地抑制硬質合金燒結時的晶粒長大，制作的合金可用來制作刀具。
　　目前最有發展前途的是美國Nanodyne公司的制粉和合金生產技術。該公司用噴霧轉化和碳熱工藝生產WC粒度＜50nm的納米結構WC－Co硬質合金粉末，即以可熔性鹽的混合溶液經噴霧干燥后得到的混合物，在流化床反應器中進行氣相還原碳化生產納米級鈷包覆的WC／Co硬質合金粉末。這種復合工藝有利于晶粒度的均勻分布并可避免臟化。為便于壓制，納米晶粉末通常制備成50μm的大顆粒，然后用傳統的熱等靜壓（HIP）設備進行快速燒結致密化，用VC和Cr3C4晶粒長大抑制劑可使合金的平均晶粒度小于0．25μm，在特殊的燒結條件下，可降至0．15μm。用這種合金制作的印刷電路板鉆頭的壽命比微晶硬質合金制作的鉆頭高2～3倍。該公司已開始在北卡羅萊納州建立采用該技術的WC／Co粉末生產車間，1998年秋季投產，年生產能力為450公噸。
　　1997年，山特維克公司開發出了晶粒度為0．2μm的WC合金微型鉆頭，據稱該公司是世界上唯一制造、銷售這種新型高性能硬質合金鉆頭的廠家。同年，該公司還制造出了雙燒結的硬質合金鉆頭，外部為超細晶材料，以提高耐磨性；芯部為粗晶材料，具有較高的強度。
　　超細晶硬質合金的涂層正處于研究開發階段，如研制成功，其性能及壽命是無可比擬的，市場前景十分廣闊。三、金屬陶瓷材料
　　與硬質合金不同，金屬陶瓷中的TiC和TiCN是主要的硬質相成分，它具有極高的抗磨損性能，但抗熱沖擊性能較差，通過不斷改進，現已取得顯著改善。通過硬質相與Mo2C、WC、TaC、VC和TiN的合金化以及提高粘結相Co-Ni的含量及對其比例的精確控制，在提高韌性和彈性變形抗力等方面已取得了極大進展。由于具有成分梯度的幾個硬質相使顯微結構變得極其復雜，因此與硬質合金的生產相比，要求更嚴格的原料制備，重點應放在對原料選擇到燒結氣氛等方面的精確控制。
　　金屬陶瓷刀具適合于干式切削。以往對硬質模具通常采用磨削或電火花加工，現在可用金屬陶瓷刀具進行銑削加工，不僅提高了工效，且光潔度也得到提高。
　　近年來，金屬陶瓷材料又有很大進展，主要體現在以下幾個方面。
　　1．涂層金屬陶瓷的商業化應用
　　具有代表性的涂層金屬陶瓷牌號有：山特維克公司的CT1525和伊斯卡公司的IC570、IC530N，其表面均涂覆了Ti（CN）＋TiN的物理涂層；肯納金屬赫爾特公司的HT7涂覆了新一代PVD－TiAlN涂層；普蘭西公司的TCC10涂覆了TiC＋TiCN＋TiN＋Al2O3的化學涂層，等等。這些牌號的共同特點是基體粘結相含量較高，韌性更好，切削更加可靠、鋒利，適合于合金鋼、高合金鋼、不銹鋼和延性鐵的高速精加工和半精加工，其加工效率和加工精度均有顯著提高。
　　2．新型金屬陶瓷的開發
　　TiB2基金屬陶瓷由于硬度高，適于制作刀具，已引起眾多廠家的關注。日本最新研制的TiB2＋Ti（CN）＋Mo2SiB2金屬陶瓷，其抗彎強度高達1300N／mm2，硬度高達2300HV，比超細硬質合金的硬度更高，是新一代金屬陶瓷的代表。
　　3．超細晶金屬陶瓷的開發
　　日本三菱綜合材料公司開發了NX1010牌號的細晶金屬陶瓷，晶粒度約為0．8μm，其抗彎強度和硬度均有所提高，主要用于高速鋼的精加工。四、陶瓷材料
　　研究結果表明，通過強化作用可改善陶瓷材料的韌性和抗沖擊性。強化陶瓷材料主要有兩種，一種是SiC晶須增強Al2O3，通過在氧化鋁陶瓷中添加25～35wt％的SiC晶須，使其抗斷裂強度提高2倍，抗熱沖擊能力增強，可防止加工中產生積屑瘤；另一種是半增韌強化或自增韌強化氮化硅陶瓷，它實質上是一種兩相結構材料，即包含細粒狀粘結的晶體相和長條棱柱狀的晶體相，它可提高材料的韌性，起到類似于晶須的強化作用。隨著納米晶陶瓷材料致密化技術的發展，陶瓷材料的強度和韌性會有新的突破，如納米晶ZrO2陶瓷和納米晶Si3N4陶瓷已具有較理想的韌性。
　　晶須增強的氧化鋁陶瓷刀具除可銑削耐熱合金外，還可粗加工超合金，其生產效率可提高近10倍。新一代高氧化鋁含量的賽龍陶瓷（SiAlON）刀具也可粗加工高強度的鎳基超合金，用其加工Inconel718耐熱合金時，比未改進的賽龍陶瓷刀具壽命提高40％。自增韌氮化硅陶瓷刀具更適合于高速銑削加工HRC＞50的灰口鑄鐵和針狀鑄鐵。混合陶瓷刀具可連續進行硬車削，可部分取代傳統的磨削和電火花加工。
　　為避免陶瓷刀具與工件材料產生化學反應，通過對韌性較好的陶瓷刀具進行涂層，其使用壽命可大大提高，從而拓寬了其應用范圍。對氮化硅陶瓷進行一層或多層（Ti化合物、Al2O3和TiN等）化學涂層，可進一步改善其加工性能，極大地提高抗側面磨損性能，在相同的加工條件下車削球墨鑄鐵時，其壽命比未涂層陶瓷刀具提高10倍。具有代表性的涂層氮化硅陶瓷牌號有山特維克公司的CC1690、住友公司的NS260C和三菱綜合材料公司的XE9等。對Al2O3-SiC陶瓷進行涂層的牌號有三菱綜合材料公司的XD805（物理沉積Ti化合物涂層）、Cerasiv公司的SC7015（化學沉積TiCN涂層）等。五、超硬材料
　　金剛石涂層硬質合金刀具是涂層技術發展的一項重大突破。首次應用這一新工具材料的是瑞典山特維克可樂滿公司，其CD1810牌號采用精心設計的梯度燒結硬質合金作為基體，進行新型的等離子體活化化學氣相沉積（PACVD）金剛石涂層，解決了涂層與基體粘結力較差的問題。采用改進的低壓等離子體工藝及設備，能夠經濟地批量重復生產金剛石涂層硬質合金刀具。金剛石涂層硬質合金刀具具有比PCD刀具更為復雜的幾何形狀，適合于加工鋁等非鐵材料，其壽命是未涂層硬質合金刀具的幾十倍，不低于PCD刀具的壽命，可逐步替代未涂層硬質合金刀具和PCD刀具。
　　目前開發的不定形金剛石膜與由碳氫化合物氣體合成的類碳金剛石膜不同，它是一種不需用氫氣或任何其它反應氣體就能合成的物質。通過改進普通的陰極弧工藝及設備，提高電離能，使SP2結構的石墨陰極蒸發，蒸發的碳原子在低溫（150℃以下）低壓下冷凝時按SP3鍵進行組合，形成不定形金剛石膜。這種膜具有較低的摩擦系數、較高的硬度和熱化學穩定性，與CVD涂層的金剛石膜的性能相當，是用于銑削和鉆削非鐵材料如石墨、鍛壓鋁、模鑄鋁和碳復合材料的最經濟實用的涂層，其價格比化學氣相沉積金剛石涂層低10～20倍，且能對多種牌號和復雜形狀的硬質合金基體進行涂層，并具有較好的膜-基結合性。沉積不定形金剛石涂層的難點是要在三維切削刀具上沉積出厚度大于2μm的不定形金剛石膜，同時要求保持較高的硬度和較強的粘結力比較困難，因此國外研究者正努力尋求在不降低硬度的前提下提高不定形金剛石涂層厚度的方法。
　　立方氮化硼刀具由于硬度高，可用于斷續切削精加工淬硬鋼，可替代硬質材料的磨削和電火花加工。采用PCBN可轉位刀片干式精車硬化齒輪，可將每個齒輪的加工成本降低60％；采用裝配了球形CBN刀片的立銑刀精銑大型硬質模具，可將傳統的磨削加工時間減少80％。通過對CBN晶粒大小和粘結劑性能的改進，整體CBN燒結刀片的性能達到了PCBN刀片的性能。日本住友公司的BNX10牌號是目前市場上銷售的CBN燒結體中耐磨性最好的品種，適合于HRC＞60的淬硬鋼的高速連續切削加工，其壽命是其它CBN燒結體的2倍以上，切削速度可達200m／min。
　　CBN多角復合刀片的出現是超硬材料開發的一大進展。以往的PCBN復合刀片生產工藝是先制備出CBN復合片，再切割成小塊，然后焊接在硬質合金基體上，其缺點是存在焊接應力?，F在能將CBN切削刃直接復合到合金基體的多個部位上，消除了焊接應力，提高了刀片的利用率，降低了加工成本。
　　立方氮化硼涂層正在研究開發之中，一旦達到實用階段，其市場前景不可低估。作者單位：株洲硬質合金廠（412000）參考文獻
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