机械制造工艺与刀具(刀具材料的发展简史 ，你知道刀具材料都有几种呢？)

从人类使用工具开始，便开始了人类发展的历史，最初人们懂得将存在于身边的东西折断或弯曲，这已经是“变形加工”的雏形。不久，又有了物质的软硬的“概念”，知道用硬的东西可以切削软的东西。在远古时代所谓的“切削”，开始是“去除加工”。那时，硬的东西首先是石头，把石头弄碎、磨光作为工具。后来随着铁的发现，制作出比石头更锋利的刃具。良好的切削刃具，使人们能更容易制造出生产工具和生活工具。可以说工具的发展是人类文明进步的永恒动力。

碳素工具钢

现代的切削刀具材料经历了从碳素工具钢到高速工具钢、硬质合金、陶瓷刀具和超硬刀具材料的一百多年的发展历史。18世纪后半叶，最初的刀具材料主要是碳素工具钢。因为在当时它是作为可以加工成切削刀具的最硬的材料，然而，由于其耐热温度很低（低于200℃）。碳素工具钢在高速切削时，存在由于切削热而理科完全变钝的缺点，切削范围受到限制。因此期待着出现在高速下也能切削的刀具材料。反映这一期待而出现的材料是高速钢。

高速钢

高速钢也称锋钢，是在1898年由美国的F.W.泰勒（F.W.Tayloe）和M.怀特（M.white）研制的。与其说它的含碳量比碳素工具钢少，不如说加入了钨。由于其中硬质碳化钨的作用，使之在高温条件下硬度也不降低，而且由于可以用远比碳素工具钢切削速度（切钢6~10m/min，切铸铁3~5m/min）高的速度进行切削，故命名为高速钢。最初的高速钢含钨8%、铬3.6%，切削速度达12m/min；1906年确定了高速钢的最佳成分为：C6.7%；W18.9%；Cr5.47%；Mn0.11%；V0.29%；其余为Fe。从1900~1920年，出现了添加钒和钴的高速钢，其耐热性提高到500~600℃。切钢的切削速度达到30~40m/min，提高了近6倍。此后，随其组成元素的系列变化，形成了钨系和钼系高速钢。直到目前它仍被广泛应用。高速钢的出现引起了切削加工的革命，大大提高了金属切削的生产率，并要求完全改变机床的机构，以适应这种新刀具材料的切削性能要求。新机床的出现和进一步发展，反过来又促进了更优良的刀具材料开发，刀具受到激发而得到发展，在新的制造技术条件下，高速钢刀具在高速切削时也存在由于切削热而限制刀具耐用度的问题。当切削速度达到700℃，高速钢刀尖就完全变钝，在切削温度高于此值的切削速度下，就完全不能进行切削。因而，出现了比上述更高切削温度条件下保持足够硬度、可在更高的切削温度下切削的硬质合金刀具材料。

硬质合金

硬质合金是1925年德国人K.史律太尔（K.Schroter）发明；1929年由德国克虏伯公司商品化推向市场。它是以钨为主要成分，将WC粉末以钴作为结合剂烧结而成的。最初研制的WC-Co合金，耐热性达到800℃，切削速度提高40m/min以上。这种硬质合金虽然具有高温下硬度不降低的有点，但存在冲击强度低、性脆易破碎等缺点。这些缺点在后台研制的添加碳化钛等其他碳化物以及带图层的硬质合金中得到了改善。1931年出现了在WC-Co合金中添加TiC合金，即WC-TiC-Co合金，其耐热性达到了900℃以上，切钢时的切削速度达到了220m/min。这就是说从高速钢发展到硬质合金的40年间，由于刀具材料的耐热性能的提高，切削速度提高了近40倍。之后由于制造质量的提高和添加了熔点更高的碳化物（TaC，NbC），如超细晶粒硬质合金，WC-TiC-TaC（NbC）-Co合金等，其耐热性提高到1000~1100℃以上，使切削速度进一步得以提高。涂层硬质合金由于综合了TiC基硬质合金的高耐磨性和金属切除率以及WC基硬质合金高的韧性和使用的可靠性，使它在告诉切削刚件和铸铁时都获得了巨大的成功，特别是硬质合金机夹刀片的广泛使用，更增加了涂层硬质合金刀片的使用价值。因此硬质合金可转位刀具与涂层硬质合金刀具的出现与发展，进一步完成了从高速钢开始的金属切削加工的革命。它的重要意义在于刚才的切量在机械加工车间整个切削量中占据非常大的比重。

陶瓷刀具

然而人民是不会满足于此的，由于Al2O3硬度高且耐热性好，通常不容易与被切削材料粘附，已被广泛应用于砂轮磨削加工中。因此能耐高速度下切削热的材料--熔融氧化铝受到了广泛的关注，由此产生了陶瓷刀具材料。由于陶瓷刀具材料高硬度和高温硬度稳定性（1200℃以上），因而在高速切削和对某些难加工材料的切削方面，是任何硬质合金刀具都无法比拟的；另外，由于世界方位内的W、Co、Ta等资源奇缺，价格昂贵，而陶瓷材料和多重碳化物资源比较丰富，对发展陶瓷刀具非常有利；特别是近年来可供陶瓷刀具使用的高刚性机床数量增加，因而，陶瓷刀具材料进入20世纪90年代以来得以迅速发展。陶瓷刀具材料性能得到很大的改善，其使用量也迅速增加，目前已形成了氧化铝系、氮化钛系、碳化物系、碳化硅纤维增强Al2O3等几种系列产品。

超硬刀具

用硬的材料可以切削软的材料，为了切削硬质材料，就必须使用比它更硬的材料。目前地球上最硬的物质是金刚石。尽管自然界天然金刚石早已被发现，且用他们作为切削工具也有很长的历史，人工合成金刚石也早在20世纪50年代初合成成功，但真正用金刚石广泛地制作工业切削刀具材料，还是近20多年的事。一方面，随着现代空间技术和宇航技术的发展，现代工程材料的使用日益繁多，如有色金属及其合金、SiCp或SiCw增强铝基复合材料、玻璃钢、碳纤维增强材料、多层石英-聚醯乙酰胺或碳纤维-聚醯乙酰胺印刷电路板、中密与高密度复合纤维板，Al2O3强化复合地板、半导体硅、锗、砷化镓等。虽然改进的高速钢、硬质合金及新型陶瓷刀具材料在切削传统加工工件时，却邪速度和切削加工生产率成倍甚至十几倍的增加，但是，当用他们加工上述材料时，刀具的耐用度和切削加工效率仍然很低，且切削加工质量难以保证，有时甚至无法加工，需要用更锋利更耐磨的刀具材料。另一方面，随着现代机械制造与加工工业的迅猛发展，自动机床、计算机数控（CNC）加工中心、无人加工车间的广泛应用，为了进一步提高加工精度、减少换刀时间，提高加工效率，越来越迫切要求有耐用度更高、性能更稳定的刀具材料。在这种情况下，金刚石刀具迅速发展，同时也大大促进了金刚石刀具材料的发展。金刚石刀具材料具有一系列优异的性能，具有加工精度高，切削速度快，使用寿命长的特点。如用Compax（聚晶金刚石复合片）刀具可以保证加工上万件硅铝合金活塞环零件且其刀尖基本保持不变；用Compax大直径铣刀加工飞机铝制翼梁，其切削速度可高达3660m/min；这些都是硬质合金刀具无法媲美的。不仅如此，金刚石刀具材料的采用还可以扩大加工领域，改变传统的加工工艺。以前镜面加工只能用研磨抛光工艺，现在不仅可以用天然单晶金刚石刀具，而且在有的情况下还可以用PDC超硬复合刀具进行超精密切削，实现以车代磨。随着超硬刀具的应用，机加工领域出现了一些新的概念，如使用PDC刀具后，限制车削速度的不再是刀具面是机床，并且当车削速度超过某一速度后，工件和刀具均不发热。这些突破性的概念的含义是很深刻的，它为现代机加工行业展示了无限的发展前景。

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