硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路【深度解读】

1、硬质合金刀具材料的研究现状 与发展思路【深度解读】硬质合金刀具材料的研究现状与发展思路内容来源网络，由“深圳机械展（11万1100 多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铳磨钻床、线切割、数控 刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无 人工厂、精密测量、数控系统、3D打印、激光 切割、锁金冲压折弯、精密零件加工等展示，就 在深圳机械展.材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的 三要素，其中刀具材料的性能起着关键性作 用。国际生产工程学会（CIRP）在一项研究报告 中指出：“由于刀具材料的改进，允许的切削 速度每隔10年几乎提高一倍”。刀具材料已 从20世纪初的高速钢、硬质

2、合金发展到现在 的高性能陶瓷、超硬材料等，耐热温度已由 500 600 C提高到1200 C以上，允许切 削速度已超过1000m/min,使切削加工生产率在不到100年时间内提高了 100多倍。因 此可以说，刀具材料的发展历程实际上反映了 切削加工技术的发展史。常规刀具材料的基本性能1）高速钢1898 年由美国机械工程师泰勒 （F.W.Taylor） 和冶金工程师怀特（M.White） 发明的高速钢 至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加 入了较多 W、Mo、Cr、V等合金元素的高合 金工具钢，其含碳量为 0.7% 1.05% 。高 速钢具有较高耐热性）其切削温度可达600 C,与碳素工具钢

3、及合金工具钢相比，其 切削速度可成倍提高。高速钢具有良好的韧性 和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具， 如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铳 刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较 差等缺陷，已难以满足现代切削加工对刀具材 料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一 些主要元素（如鸨）的储藏资源在世界范围内日 渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用40 60年，因此高速钢材料面临严峻的发展危 机。2）陶瓷与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、 红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时，陶瓷刀 具的耐用度为硬质合金刀具的10 20倍，其红硬性比硬质合金高 2 6倍，且化学稳 定性、抗氧化能力等均优于

4、硬质合金。陶瓷材 料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、承受冲 击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对 其进行改进的重点。陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶 瓷。通常是在 A12O3基体材料中加入 TiC、 WC、ZiC、TaC、ZrO2等成分，经热压制成 复合陶瓷刀具，其硬度可达 93 95HRC ,为提高韧性，常添加少量 Co、Ni等金属。 氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为 Si3N4+TiC+Co 复合陶瓷，其韧性高于氧化 铝基陶瓷，硬度则与之相当。氮化硅一氧化 铝复合陶瓷。又称为赛阿龙 (Sialon)陶瓷，其 化学成分为77%Si3N4+13%Al2O3,硬度可达1800HV ,抗

5、弯强度可达1.20GPa ,最适 合切削高温合金和铸铁。3)金属陶瓷金属陶瓷与由 WC构成的硬质合金不同，主要 由陶瓷颗粒、TiC和TiN、粘结剂Ni、Co、 Mo等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬 质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强度大于 陶瓷材料，小于硬质合金；化学稳定性和抗氧 化性好，耐剥离磨损，耐氧化和扩散，具有较 低的粘结倾向和较高的刀刃强度。金属陶瓷刀具的切削效率和工作寿命高于硬 质合金、涂层硬质合金刀具，加工出的工件表 面粗糙度小；由于金属陶瓷与钢的粘结性较 低，因此用金属陶瓷刀具取代涂层硬质合金刀 具加工钢制工件时，切屑形成较稳定，在自动 化加工中不易发生长切屑缠绕现象，零件

6、棱边 基本无毛刺。金属陶瓷的缺点是抗热震性较 差，易碎裂，因此使用范围有限。4)超硬材料人造金刚石、立方氮化硼(CBN)等具有高硬度 的材料统称为超硬材料。金刚石是世界上已知 的最硬物质，并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等多种优良性 能，可用于铝、铜等有色金属及其合金的精密 加工，特别适合加工非金属硬脆材料。1955年，美国GE公司采用高温高压法成功合成了 人造金刚石，1966年又研制出人造聚晶金刚 石复合片（PCD）,自此人造金刚石作为一类新 型刀具材料得到迅速发展。但由于金刚石中的 碳在高温下易与铁元素作用而迅速溶解，因此 金刚石刀具不适合加工铁基合金，从而大大限 制

7、了金刚石在金属切削加工中的应用。立方氮化硼（CBN）是硬度仅次于金刚石的超 硬材料。虽然 CBN的硬度低于金刚石，但其 氧化温度高达1360 C,且与铁磁类材料具有 较低的亲和性。因此，虽然目前CBN还是以烧结体形式进行制备，但仍是适合钢类材料切 削、具有高耐磨性的优良刀具材料。由于CBN具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优 异性能，因此特别适合加工高硬度、高韧性的 难加工金属材料。如采用 CBN可转位刀片干 式精车淬硬齿轮，每个齿轮的加工成本可降低 60% ;采用配装球形 CBN刀片的立铳刀精铳 大型硬质磨具，磨削时间可比传统工艺减少 80%。 CBN材料的不足之处是韧性较差的问 题尚待

8、解决。5）硬质合金施质合金由Schroter 于1926年首先发明经过几十年的不断发展，硬质合金刀具的硬度 已达9893HRA ,在1000 C的高温下仍 具有较好的红硬性，其耐用度是高速钢刀具的 几十倍。硬质合金是由 WC、TiC、TaC、NbC、VC等 难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁族金属 用粉末冶金方法制备而成。与高速钢相比，它 具有较高的硬度、耐磨性和红硬性；与超硬材 料相比，它具有较高的韧性。由于硬质合金具 有良好的综合性能，因此在刀具行业得到了广 泛应用，目前国外 90%以上的车刀、55%以 上的铳刀均采用硬质合金材料制造。硬质合金牌号通常可分为三类：YG类(WC-Co类)：该类

9、硬质合金制造的刀具具有 较好的韧性、耐磨性、导热性等，主要用于加 工铸铁、有色金属和非金属。 YT类 (WC-TiC-Co 类)：由于材料中加入了 TiC, 使材料的硬度和耐磨性有所提高，但抗弯刚度 有所降低。该类硬质合金具有高硬度和高耐热 性，抗粘结、抗氧化能力较好，适用于加工钢 材，切削时刀具磨损小，耐用度较高。 YW 类(WC-TiC-TaC-Co 类)：在YT材料中加入 TaC是为了提高刀具的强度、韧性和红硬性。 该类硬质合金材料具有很高的高温硬度、高温 强度和较强的抗氧化能力，特别适于加工各种 高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。虽然近年来各种新型刀具材料层出不穷，但在 今后相当长一段

10、时间内，硬质合金刀具仍将广 泛应用于切削加工，因此需要研究开发新的材料制备技术，进一步改善和提高硬质合金刀具 材料的切削性能。硬质合金刀具材料的研究现状由于硬质合金刀具材料的耐磨性和强韧性不 易兼顾，因此使用者只能根据具体加工对象和 加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的 刀具材料，这给硬质合金刀具的选用和管理带 来诸多不便。为进一步改善硬质合金刀具材料 的综合切削性能，目前的研究热点主要包括以 下几个方面：1）细化晶粒通过细化硬质相晶粒度、增大硬质相晶间表面 积、增强晶粒间结合力，可使硬质合金刀具材 料的强度和耐磨性均得到提高。当WC晶粒尺 寸减小到亚微米以下时，材料的硬度、韧性、 强度、耐

11、磨性等均可提高，达到完全致密化所 需温度也可降低。普通硬质合金晶粒度为3 5 m ,细晶粒硬质合金晶粒度为1 1.5m（微米级），超细晶粒硬质合金晶粒度可达 0.5 m以下（亚微米、纳米级）。超细晶粒硬质 合金与成分相同的普通硬质合金箱比，硬度可 提高2HRA 以上，抗弯强度可提高 600 800MPa 。常用的晶粒细化工艺方法主要有物理气相沉 积法、化学气相沉积法、等离子体沉积法、机 械合金化法等。等径侧向挤压法（ECAE）是一种 很有发展前途的晶粒细化工艺方法。该方法是 将粉体置于模具中，并沿某一与挤压方向不同（也不相反）的方向挤出，且挤压时的横截面积 不变。经过ECAE工艺加工的粉体晶粒

12、可明显 细化。由于上述晶粒细化工艺方法仍不够成熟，因此 在硬质合金烧结过程中纳米晶粒容易疯长成 粗大晶粒，而晶粒普遍长大将导致材料强度下 降，单个的粗大 WC晶粒则常常是引起材料断 裂的重要因素。另一方面，细晶粒硬质合金的 价格较为昂贵，对其推广应用也起到一定制约 作用。2）涂层硬质合金在韧性较好的硬质合金基体上，通过CVD（化学气相沉积）、PVD（物理气相沉积）、HVOF（HighVelocity Oxy-Fuel ThermalSpraying）等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化 合物，可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结 合而提高硬质合金刀具的综合性能。涂层硬质 合金刀具具有良好的耐磨性和耐热

13、性，特别适 合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用 于小批量、多品种的柔性自动化加工时可有效 减少换刀次数，提高加工效率；涂层硬质合金 刀具抗月牙洼磨损能力强，刀具刃形和槽形稳 定，断屑效果及其它切削性能可靠，有利于加 工过程的自动控制；涂层硬质合金刀具的基体 经过钝化、精化处理后尺寸精度较高，可满足 自动化加工对换刀定位精度的要求。上述特点 决定了涂层硬质合金刀具特别适用于FMS、CIMS（计算机集成制造系统）等自动化加工设 备。但是，采用涂层方法仍未能根本解决硬质合金 基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。3）表面、整体热处理和循环热处理对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼 等处理）可有

14、效提高其表面耐磨性。对耐磨性 较好但强韧性较差的硬质合金进行整体热处 理，可改变材料中的粘结成分与结构，降低 WC硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强 度和韧性。利用循环热处理工艺缓解或消除晶 界间的应力，可全面提高硬质合金材料的综合 性能。4）添加稀有金属在硬质合金材料中添加 TaC、NbC等稀有金 属碳化物，可使添加物与原有硬质相 WC、TiC 结合形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬 质相结构，同时可起到抑制硬质相晶粒长大、 增强组织均匀性等作用，对提高硬质合金的综 合性能大有益处。在ISO标准的P、K、M类 硬质合金牌号中，均有这种添加了Ta（Nb）C的硬质合金（尤以M类牌号中较多）。

15、5）添加稀土元素在硬质合金材料中添加少量铉等稀土元素，可 有效提高材料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有 所改善。这是因为稀土元素可强化硬质相和粘 结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结 相的润湿性。添加稀土元素的硬质合金最适合 粗加工牌号，亦可用于半精加工牌号。此外， 该类硬质合金在矿山工具、顶锤、拉丝模等硬 质合金工具中亦有广阔应用前景。我国稀土资 源丰富，在硬质合金中添加稀土元素的研究也 具有较高水平。硬质合金刀具材料的发展思路应用晶须增韧补强、纳米粉复合强化技术全面 提高硬质合金刀具材料的硬度、韧性等综合性 能，是硬质合金刀具材料研究今后发展的重要 方向。1）晶须增韧补强技术a.增韧机理由

16、于硬质合金刀具材料的断裂韧性欠佳，因此 很难应用于一些对刀具韧性要求较高的加工 场合（如微型深孔钻削等）。解决这一问题的一 种有效方法是使用晶须增韧补强技术。加入硬质合金材料中的晶须能吸收裂纹扩展 的能量，吸收能量的大小则由晶须与基体的结 合状态决定。晶须增韧机制主要表现为：晶 须拔出增韧：晶须在外界负载作用下从基质中 拔出时，因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载 能量，从而达到增韧目的，其增韧效果受晶须 与界面滑动阻力的影响。晶须与基体界面之间 必须有足够的结合力，以使外界负载能有效传 递给晶须，但该结合力又不能太大，以便保持足够的拔出长度。裂纹偏转增韧：当裂纹尖 端遇到弹性模量大于基质的第二相

17、时，裂纹将 偏离原来的前进方向，沿两相界面或在基质内 扩展。由于裂纹的非平面断裂比平面断裂具有 更大的断裂表面，因此可吸收更多外界能量， 从而起到增韧作用。在基质内加入高弹性模量 的晶须或颗粒均可引起裂纹偏转增韧机制。 晶须桥接增韧：当基质断裂时，晶须可承受外 界载荷并在断开的裂纹面之间起到桥梁连接 作用。桥接的晶须可对基质产生使裂纹闭合的 力，消耗外界载荷做功，从而提高材料韧性。b.晶须的选用及添加方式目前常用的晶须材料主要有 SiC、TiC、TiB2、 A12O3、MgO、氮化硼、莫来石等。但研究 重点应放在单晶SiC晶须材料上，这是由于 SiC本身具有良好的抗热震性以及纤维状（针状）Si

18、C粉末体较易获得。SiC晶须的添加方式主要有两种：外加晶须 方式：将一定量的SiC粉末加入以氧化物、氮 化物等为基体的粉末材料中，通过制造加工获 得晶须增韧制品。这种方式目前使用较广泛。合成晶须方式：将粉末基体与SiO2、碳黑、烧结助剂等混合后，在一定温度和压力下合成 SiCw晶须，然后通过制造加工获得晶须增韧 制品。这种方法目前尚在进一步研究开发之 中。一般选用SiCw晶须的直径范围为 0.01 3 pm ,长度范围为0.1300 pm ,晶 须的长径比取值为10 , SiCw晶须添加量为5% 40%。我国目前使用的 SiCw晶须特 性见表1。c.晶须的取向与含量晶须增韧硬质合金材料热压成形

19、后，晶须的分 布呈现出明显的方向性，在不同方向上因晶须 取向不同而表现出不同的增韧效果。因此，在 制造硬质合金刀片时应考虑晶须取向对刀具 切削性能的影响。此外，WC-Co-SiCw 材料中的晶须含量不同，其增韧效果也有较大差 异。如晶须含量过多，会因烧结困难而难以获 得致密度高的材料组织，从而影响硬质合金材 料强度；如晶须含量过少，则晶须增韧效果不 明显，材料断裂韧性提高有限，晶须可能非但 起不到增韧作用，反而成为多余夹杂物甚至缺 陷源。因此，存在一个最佳晶须配比，按此配 比添加晶须，不仅可获得致密度高的材料，而 且外载能通过界面传给晶须，有效实现晶须的 增韧作用。为达此目的，应根据刀具损坏方

20、式 的不同，分别优选出具有不同晶须含量和不同 晶须取向的WC-Co-SiCw 刀具进行切削加 工，以充分实现这种刀具材料的增韧补强作 用。2）纳米复合强化技术a.强化机理纳米技术是近年来发展迅速的一门新兴技术。当材料的晶粒尺寸达到纳米级，就会产生许多 特异性能。由于纳米材料具有较大界面，界面 上的原子排列相当混乱，在外力变形条件下极 易迁移，因此使材料表现出良好的韧性与延展 性。纳米刀具材料的显微结构物相具有纳米级 尺度，由于尺寸效应的作用，晶界面积增大， 抗裂纹扩张阻力提高，从而可获得优异的力学 性能（如断裂韧性、抗弯强度、硬度等 ），表现 出良好的切削性能。由于生产工艺不成熟、价格昂贵以及

21、烧结过程 中纳米晶粒容易发生疯长等原因，迄今世界上 还没有一家公司实现 100nm粒度硬质合金材 料的工业化规模生产。因此，纳米硬质合金材 料的工业化应用还有待时日。但是人们发现， 在细晶粒硬质合金基体中加入纳米颗粒，也可 使硬质合金基体材料的硬度、韧性等综合性能 有较大提高。因此，采用纳米复合强化是改善 细晶粒硬质合金材料性能的有效途径。纳米复合强化机理主要是因为弥散在硬质合 金基体材料中的纳米颗粒具有弥散增韧作用。 当在基质材料中加入高弹性模量的第二相粒 子（纳米颗粒）后，这些粒子在基质材料受到拉 伸作用时将阻止横向截面收缩，而要达到与基 体相同的横向收缩，就则增大纵向拉应力，这 样就可使

22、材料消耗更多能量，起到增韧效果。 同时，高弹性模量颗粒对裂纹可起到“钉扎” 作用，使裂纹发生偏转、绕道，从而耗散裂纹 前进的动力，起到增韧作用。此外，弥散在硬 质合金基体材料中的纳米颗粒可抑制硬质合金晶粒在烧结过程中的长大，综合提高硬质合 金材料的机械性能。b.抑制剂的选择制备纳米复合细晶粒硬质合金时，一个重要问 题是在烧结过程中如何抑制晶粒的长大。细晶 粒硬质合金在烧结时极易快速长大，晶粒长大 会导致材料强度下降，单个的粗大WC晶粒常 常是硬质合金发生断裂的重要诱因。通过添加 抑制剂能有效阻止烧结过程中WC晶粒的长大,而消除WC晶粒局部长大的关键在于抑制 剂的均匀分布。晶粒长大现象主要发生在

23、WC的溶解沉淀过程中，即WC溶解在液相中并沉 淀在较大 WC晶体上而导致晶粒长大。 抑制剂 可抑制晶粒长大的一个重要机理在于加入抑 制剂可降低 WC在粘结相中的溶解度，使WC 晶粒的溶解一析出机制受到阻碍，从而破坏晶粒长大的条件；同时，加入的抑制剂可沉积在 WC晶粒的活化长大晶粒上，从而阻止晶粒进 一步长大。通常用于控制WC晶粒长大的抑制剂有 VC、 Cr3C2等，此外，添加的难溶碳化物还有 TiC、 ZrC、NbC、Mo2、HfC、TaC 等。图 1 所示 为制备 WC-X-20%Co（X 为添加的碳化物）硬 质合金时（1400 C下烧结1小时）WC的平均 晶粒度与各种碳化物单独添加量之间的关系。由图可见，各种碳化物抑制剂控制 WC