高速切削刀具材料及其應用

郭春華

（哈爾濱第一工具制造有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

高速切削技術是一種新型的加工制造技術，其通過快速的加工過程縮短機具或零件加工的時間，從而降低加工成本，同時高速切削技術具有精度高的特點，因此很適合對精度要求高的零部件加工，企業通過引進高速切削技術大大提高了生產效率，從而提高企業的市場競爭力。對于高速切削技術來說，刀具是其核心組成部分，是在高速切削過程中與被加工材料直接接觸的部分，因此其性能好壞直接影響切削的效果。適用于高速切削的刀具材料有很多，如金剛石、氮化硼、硬質合金、陶瓷材料等，但每種材料都有各自適合的應用領域，并且隨著新材料的不斷出現，能夠用于高速切削刀具的材料也越來越多，這為提高切削速度和精度提供了材料基礎。

1 硬質合金

硬質合金是由難熔金屬的硬質化合物和粘接金屬通過粉末冶金工藝制程的合金材料，具有硬度高、耐熱等特點，在實際中可用于切削鑄鐵、玻璃、普通石材、不銹鋼、有色金屬等材料，但這種材料隨著人們對切削工藝要求的不斷提高已經不適合單獨作為刀具材料。

2 硬質合金改性材料

2.1 硬質合金摻雜材料

隨著切削技術的發展，單一的硬質合金刀具無論是在硬度、耐磨性還是熱硬性上都顯得力不從心，因此人們通過向硬質合金中添加鎳、鈷、碳化鎢等材料對其進行摻雜改性，研究發現改性后的硬質合金硬度、抗氧化性、耐磨性、熱硬性等方面的性能都得到了不同程度的改善，而對于常用的碳化鈦基硬質合金來說，向其中添加氮化物后材料的性能更是得到了大幅度的提升，但這種材料不適合加工超高溫金屬以及高溫合金、有色金屬等。

2.2 涂層硬質合金材料

鑒于普通硬質合金性能不足以滿足現代高速切削的要求，而在硬質合金刀具表面涂覆一層或若干層其他硬度高、耐磨性好、潤滑性好、難熔的物質可使其性能得到很好的改善，從目前的研究來看，可用于硬質合金刀具涂層的材料有碳化鈦、氧化鋁、金剛石、納米材料等。

其中碳化鈦單涂層可在一定程度上增加刀具硬度，增加刀具切削速度，且導熱系數高，二氧化鋁涂層的耐氧化性更強，更耐磨，單導熱系數較小，因此在實際應用中常常將這兩種材料或者再與第三種材料組成多涂層，取各自材料的優點，從而大大提高刀具的切削性能。

金剛石涂層是利用化學氣相沉積法在硬質合金刀具表面形成一薄層的金剛石薄膜，從而使普通硬質合金刀具具備金剛石材料的性質，無論是硬度還是穩定性上都大幅度提升，而且成本上來說要遠遠低于金剛石材料的刀具，因此應用前景較為廣闊，可用于有色金屬及纖維材料的切割等。

納米材料涂層是采用多種不同的納米級高性能材料制成涂層涂覆于硬質合金刀具的表面，通過不同納米材料的組合來達到不同的性能指標，較為靈活，是近年才流行起來的涂層技術，可用于高速切割領域，但整體上來處于實驗室研究階段，距離實際應用尚有一定距離。

3 陶瓷材料

陶瓷材料被認為是一種較為先進的高速切削刀具材料，其具有硬度高、耐磨性好、與金屬親和力小、化學穩定性好、使用壽命長等優點，并且在高溫下高速切削時切屑依然能夠與刀具實現較好的分離，再加上陶瓷良好的熱穩定性，導致不易發生切削事故，且在切削過程中被加工零件的加工面粗糙度較小，可實現以車代磨，只通過車床一道工序就完成了車、磨兩道工序的工作，因此對簡化工藝路線、縮短加工時間具有十分重大的意義。在實際工作中，陶瓷刀具材料常用的有氧化鋁基陶瓷、氮化硅陶瓷等。

3.1 氧化鋁基陶瓷材料

氧化鋁基陶瓷包括氧化鋁陶瓷、氧化鋁-碳化物陶瓷、氧化鋁-金屬陶瓷、氧化鋁-金屬-碳化物陶瓷等。氧化鋁陶瓷是以氧化鋁陶瓷為主，為增強其抗彎強度向其中添加氧化鎳等物質的陶瓷，高溫性能較好，一般用于冷硬鑄鐵、淬火鋼等硬脆材料的高速切削，加工精度較高。而為了提高其抗彎性能、硬度以及韌性等一般采用向氧化鋁陶瓷內單獨添加金屬、碳化物、氮化物或幾種物質的混合物而形成陶瓷材料，其中氧化鋁-金屬-碳化物陶瓷的熱穩定性最好，硬度最高，可廣泛用于合金鋼、淬硬鋼、鑄鋼、鎳鉻合金等金屬材料以及纖維玻璃等非金屬材料的加工。

3.2 氮化硅陶瓷材料

與氧化鋁基陶瓷相比，氮化硅基陶瓷具有較高的強度、斷裂韌度和抗熱震性能，較低的熱脹系數、楊氏模量和化學穩定性。與鑄鐵不易發生粘結，因此，氮化硅基陶瓷刀具主要用來高速加工鑄鐵。

4 金剛石材料

金剛石具有硬度極高、熱穩定性好、化學穩定性好等優點，常被任務是用于鉆探用鉆頭的最佳材料，由于其優異的性能，使之在高速切削刀具材料中也具有十分廣闊的應用前景。現實生活中可用作刀具的金剛石有天然金剛石、人工合成單晶金剛石、聚晶金剛石和化學氣相沉積金剛石涂層刀具等，其中金剛石涂層刀具已經在前文中談到。

天然金剛石刀具無論是耐磨性還是硬度都具備成為最佳刀具的潛質，且加工精度超高，可用于精密儀器、零部件的加工，如光學鏡面、芯片等，但天然金剛石也是當前最為昂貴的一種刀具材料。

單晶金剛石是由人工在一定溫度、壓力等條件下合成的金剛石，因此比天然金剛石的加工低廉很多，其化學穩定性好，尺寸和形狀容易控制，在機械加工、電子電路板、光學玻璃以及耐磨地板等的加工等領域均得到廣泛的應用。

聚晶金剛石是在幾千度高溫、幾百兆帕的條件下通過金屬鈷作為粘結劑壓制而成的材料，其耐磨性能極佳，因此被用作有色金屬、硬質合金或硬質非金屬材料的加工等。

結語

高速切削技術是加工企業在激烈的市場競爭中得以生存的法寶，通過高速切削技術可以顯著提高加工速度和精度，而隨著高速切削技術的不斷發展，用于切削的刀具材料也會不斷更新變化，因此要結合當下的工藝特點和加工要求選擇適合的刀具，并且要緊跟科技發展的步伐，不斷將新材料、新技術用于高速切削刀具的制備中，不斷使刀具具有更高的強度、化學穩定性、硬度等性能，促進機械加工行業的快速發展。

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