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魔高一尺，道高一丈：漫谈刀具材料发展的不平之路

来源:数控机床网 时间:2008-5-17 11:17:21

在人类文明发展的历史长河中，刀具的进步也起到了举足轻重的作用。可以这么说，刀具材料的推陈出新往往是一个新社会制度的变更基础！不是吗？在远古时代人类主要以石头为工具，有旧石器时代、新石器时代之分。但石器毕竟只是对天然石头的外形加工，思维简单，所以对应的是人类的原始社会。青铜材料的出现让刀具性能大大提高，同时也开发出更多种类的刀具，如青铜锉、青铜锯等等。对应青铜器时代的是人类的奴隶社会。铁材料的开发成功使人类的发展进入历史快车道，铁制刀具大大提高了人类的加工能力，改善了人们的生活方式，同时也促使社会进入封建社会。工具钢的出现揭开了现代金属加工的序幕，同时也为人类进入资本主义社会铺平了道路！高速钢的广泛应用掀起了资本主义的高速发展。而硬质合金材料和超硬材料的开发成功直接驱使现代金属加工业进入黄金时代，同时也为人类进入现代化社会生活奠定了物质基础。
人类从很早开始就认识到刀具和刀刃材料的重要性。据考证，在原始社会就有人把坚硬的石刃紧固在木把上制成石刃木把刀具。这种重要性后来被概括为“好钢用到刀刃上”的千古名言，到了上世纪中期刀具工程师们继承了原始人的这一思路，开始大力推广焊接式或夹持式硬质合金刀具。
随着人类文明的进步，人们总是不断地开发出新材料以满足需要。为了能对开发出来的新材料进行切削加工，人类总是在努力开发出比工件材料更硬的刀具材料。正所谓“魔高一尺，道高一丈”。现代切削刀具材料经历了从碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金到陶瓷和超硬材料等一百多年的发展历史。
理想的刀具材料应当具有“硬如金刚石，韧如高速钢”的性能。无奈，符合这种要求的材料至今还没有找到。很硬的材料往往很脆，韧性差。而韧性好的材料其硬度往往不够高。另外，由于在金属切削过程中要产生大量热量、温度很高，所以要求刀具材料必须具备良好的耐热性，或称红硬性，即要求在高温下还能保持高的硬度。
早在值得骄傲的“春秋”、“战国”和秦朝的时期，我们的祖先已进人封建社会，钢、铁工具开始出现，碳素工具钢就开始得到应用。据文献报道，那时的碳素工具钢与现代的T10、T12等钢种已十分接近，能承受200-250℃的切削温度。但遗憾的是，我们的祖先过分“重文轻理”，“重农轻工”，先进的刀具材料除了铸就宝剑外并没能发挥出其金属切削领域的优秀潜能，所以，也没能创造出灿烂的工业文明。一次让中国顺利进入资本主义社会的机遇就这样错过了！
错过机遇的后果十分严重：由于缺少工业机加工的相应需求，我们的工具材料发展在此后多少个世纪里几乎进入了停滞的境地。在那时期，西方的文明本来发展就很慢，也没有大的建树。直到十九世纪下叶开始，欧洲开始引领风骚：工业革命的蓬勃发展带动了材料工业的迅速发展。各种高性能的合金钢不断地被开发成功，但对这些材料的加工也越来越难。人们对碳素工具钢刀具的加工效率就越来越不满意，所以，必须研发出性能更优的刀具材料。
1865年，英国的Rohert Mushet发明了合金工具钢，能承受350℃的切削温度，加工一般钢材时切削速度可提高到10-12m/min。

1982年德国某著名刀具公司的高速钢钻头
在1898年(也说1906年)，美国的W.Taylor和M.White终于成功研制了所谓的高速钢。由于其中加入了硬质的碳化钨，使之在高温条件下(能够承受550-600℃的切削温度)硬度也不降低，所以可以高速加工(切削钢材可达25m/min)，故称为高速钢。
高速钢的出现立即引起了切削加工的一次革命。它不但大大提高了金属切削的效率，并要求完全改变机床的结构，以适应这种新刀具材料的高切削性能要求。一百多年来人们对这种材料的性能一直进行着孜孜不倦的改进(现代高速钢切削钢材的速度可达40 m/min以上)。直至今日，高速钢还是金属切削业中不可缺少的刀具材料。
但是，用高速钢刀具来加工镍基合金、模具钢等材料时，其加工速度和寿命又让人感到无法忍受。硬质合金的出现再一次改变了这样无奈的局面。
目前已占据刀具市场半壁江山的硬质合金材料(英文：Carbide，德文：Hartmetall)是1923年德国人K.Schroeter发明的(顺便提一下：Schroeter当时得出的关于硬质合金材料的结论至今还有效！)。德国Krupp公司于1926年获得此专利并开始开发、推广。由于其出色的硬度，当时就把公司冠名为“WIDIA”-Wie Diamant(德语，意为“硬似金刚石”)，成分为: 94%WC+6%Co。
作为硬质合金刀具发展中赫赫有名的先锋，德国Widia公司为硬质合金刀具初期的迅速发展以及刀具的涂层(1962年)作出了很大贡献。2002年Widia公司被美国刀具巨头肯纳所收购。
最初研制的WC-Co硬质合金的耐热性达到800 ℃ ，切削速度提高到40 m/min以上。但存在冲击强度低、性脆易破损等缺点。在随后的八十年里，人们通过添加不同碳化物、减小晶粒的大小、改善涂层等措施使硬质合金刀具的切削速度达到200m/min以上。
我国的硬质合金发展事业始于上世纪50年代，不算太晚，比欧美才晚起步20年。由于军工生产的需要，美、英、苏、德各国在第二次世界大战期间开始部分使用硬质合金刀具。二战结束后，开始民用。50年代初，我国才从苏联少量引进硬质合金，替代高速钢刀具在生产中应用(如果我们能早些引进硬质合金刀具并能在军工生产中发挥出作用，这样，打击日本鬼子也许要痛快些)。接着，在苏联援助下，我国建设了株洲硬质合金厂。后又自力更生，建成了自贡硬质合金厂。经过国人半世纪断断续续的努力，目前生产硬质合金材料的厂家已经很多。中国硬质合金材料的产量已居世界之首，成为名副其实的生产大国，但遗憾的是，我们不是硬质合金生产强国！
在高端硬质合金领域，如二孔、三孔的螺旋内冷棒料、超细晶粒和纳米晶粒棒料及特殊用途的硬质合金材料方面，我们几乎全部依赖进口！
硬质合金材料的出现与发展，进一步完成了从高速钢开始的金属切削革命，并使切削速度和效率有了跳跃性的提高，所以被称为“刀具技术的第一次革命”。
但随着玻璃、玻璃纤维、耐火材料、石墨、强化塑料、高硅铝合金等材料的逐步应用，硬质合金刀具的寿命又无法满足生产的需要。另外，硬质合金刀具仍不能满足现代高硬度工件材料和超精密加工的要求。所以，人们又必须开发出更硬、更耐磨的刀具材料以满足这种需求。

2005年阿诺刀具的硬质合金强力钻
20世纪中期市场上出现了氧化铝及氧化铝基复合陶瓷，稍后又出现了氮化硅及氮化硅基复合陶瓷。陶瓷刀具在近几年有很大发展，应用也越来越广。利用陶瓷刀具加工钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢和镍基高温合金时，刀具寿命可比硬质合金长几倍。然而，陶瓷与硬质合金相比，尽管其切削性能也有很大的提高，但其强度、韧性和可加工性的不足毕竟会影响陶瓷刀具的未来发展前景。
天然金刚石是迄今为止世界上最硬的材料，也很早就被用于加工高硬度的材料。无奈这种材料不但价格昂贵，而且供应也受局限。所以，材料工程师们一直在寻求一种替代品。
的确是不负众望，1954年美国通用电气公司采用高温高压的方法成功地合成了人造金刚石。这个消息对刀具工程师们而言无疑是振奋人心的。我国的工程师们自然不会服输，知道“落后就要挨打”的道理。所以，中国在1961年开始设计制造超高压高温装置，于1963年合成出第一颗人造金刚石，并于1965年投入工业生产。
人造金刚石聚晶的发展始60年代初期，1964年美国GE公司首次申请了以某些金属添加剂使金刚石之间产生结合的美国专利。1966年，英联邦De Beers公司用金属作粘结剂制成了金刚石聚晶。但一般认为，GE公司1970年公布，1972-1973年正式商品生产的Compax具有划时代的意义。自此以后，聚晶金刚石得到了快速的发展。
人造金刚石刀具主要用于加工有色金属和非金属，如铝、高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等有色金属和硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维花岗岩、石墨、尼纶、强化塑料等费磨非金属材料。例如，用金刚石刀片加工玻璃纤维时，其寿命比硬质合金刀片要提高150倍！
适用于加工黑色金属的超硬材料主要是CBN。CBN最适合于加工各种硬度在HRC45以上的淬硬钢(碳素钢、轴承钢、模具钢、高速钢等)和高温合金。
在现代化金属加工车间，例如汽车发动机生产车间，你会看到不同材料的刀具都在发挥其最大的作用：高速钢的丝锥和拉刀、硬质合金的钻头和铣刀、PCD和CBN的铰刀、铣刀及刀片、陶瓷钻头和陶瓷刀片等等。

2006年著名刀具公司的金刚石刀具
工件材料与刀具材料的交替进展、相互促进，成为切削技术不断向前发展的历史规律。20世纪前半、后半时期分别是高速钢、硬质合金大发展的年代。近50年中，硬质合金不断提高自身的切削性能，发展了许多新品种，从高速钢的领域中占领了大片阵地，成为当前用量超过一半的刀具材料，这是当年人们所未能估计到的。目前，二者一起已占有90%以上的刀具市场份额。可以这样预计，硬质合金的使用范围将进一步扩大；高速钢凭借其综合性能的优势，仍将占有一定的传统阵地。由于资源、价格和性能的原因，陶瓷材料亦将得到发展，代替一部分硬质合金刀具。随着镁铝合金等材料的广泛应用，金刚石刀具的份额将会不断提高。
总结刀具材料的发展历程，我们看到，常规刀具材料的主体成分是碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。一般的方法是在这些化合物里添加特别元素，让其性能符合我们的需要。例如，在硬质合金里添加稀土元素以提高冲其韧性和耐磨性等等。用石墨合成为人造聚晶金刚石则已跳出了这个常规方法，而C-13，C-60的惊人性能无疑又为刀具材料的研发工作注入了一针兴奋剂。怎样创新？是否需要跳出常规思路？人类到底能否找到一种理想的刀具材料？“Nothing is impossible!”的广告词正是我们的心声。

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