21世纪刀具材料的现状和发展趋势

    20世纪是刀具材料大发展的历史时期——各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削、超精密加工、绿色制造的发展和付诸实现，对刀具提出了全新要求，令刀具的品种、类型、数量和性能均比过去有了长足发展。反过来，刀具技术的革新又有力推动机械制造工业的一次又一次腾飞。

    21世纪，刀具材料将有大发展。刀具材料与工件双方交替发展和相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。在未来，刀具材料必将面临工件材料性能提高、加工批量加大和制造精度提升的更严峻挑战。材料科学的进步，推动了刀具材料的发展；而刀具材料的发展，应考虑原材料资源的制约。新品种的出现，新旧品种各自所占比重的变化以及它们之间相互竞争和相互补充的格局，将成为未来刀具材料发展的新特点。

    材料资源并非“取之不尽”

    纵观各种刀具材料，除人造金刚石的原料为石墨（碳元素）外，其它品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。在现代刀具中，碳化物用得最多。在刀具材料的各个组份中，以Fe3C、WC、TiC、Mo2C、TiN、Al2O3、Si3N4等用量最大，此外还须用到金属Co。在发展各种新型刀具材料时，主要考虑机械、物理性能的进步和适应工件加工的需要以及刀具材料与工件材料的匹配。而在很长一段时间里，人们忽略了资源的储存。

    高速钢和硬质合金都以W和Co为主要原料，其价格昂贵。中国富W少Co，而W资源除国内使用外，还大量出口，当今全球使用的W中约有75~80％来自中国，可是中国的W资源只够用50年。中国使用的Co主要向国外购买，价格昂贵，况且全世界Co资源的储存量也是有限的。这就警示我们在发展新型刀具材料时，还需充分考虑如何节约贵重资源。有些刀具材料组份，如Al2O3、Sl2O3、Si3N4、TiC等，虽然蕴藏丰富，但要付出工艺和制造的成本，故其价格亦不菲。

    现代新型材料及其应用展望

    1.高速钢

    在现代切削加工中，高速钢的性能已不够先进，但因其稳定性好，能接受成形加工，目前在刀具材料总消耗量中高速钢刀具仍占到40％。传统的普通高速钢以钨系的Wl8Cr4V和钨钼系的W6Mo5Cr4V2为代表。所有的高速钢中，铬含量均保持在3.5~4.5％，它是增大高速钢淬透性的主要元素。而如若钒含量分类增加，钢的耐磨性将随之提高，但会使刀具接受刃磨困难，且脆性增加。铝元素在钢中能生成AL2O3、AlN；且起钉扎作用，阻止位错，从而提高了材料的硬度和强度。

    加入钴元素后，可形成超硬高速钢，钴不形成碳化物，但能提高淬火温度，增强二次硬化效果，提高高温硬度。中国缺钴资源，钴价昂贵，因而研制了无钴或少钴的超硬高速钢——它们的性能都能达到M42的水平。可以说，中国在发展无钴、少钴超硬高速钢方面，做出了很大贡献。值得一提的是，用粉末冶金方法制造高速钢，可减少有害杂质，消除碳化物偏析，提高钢的硬度和韧性。粉末高速钢的切能性能优于熔炼高速钢，国内也掌握这方面的技术。

    今后，中国应发展和使用性能优良的钨钼系或钼钨系高速钢，少用钨系高速钢以节约W；发展和使用无钴和少钴超硬（高性能）高速钢，尽量不用高钴高速钢（如M42，HSP-15）。

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