隨著全球機(jī)加工水平的不斷進(jìn)步,刀具生產(chǎn)制造技術(shù)的也在逐步發(fā)展,從刀具材料方面來講,近代金屬切削刀具材料從碳素工具鋼、高速鋼發(fā)展到今日的硬質(zhì)合金、立方氮化硼等超硬刀具材料,使切削速度從每分鐘幾米飚升到千米乃至萬米。
隨著數(shù)控機(jī)床和難加工材料的不斷發(fā)展,刀具實有難以招架之勢。要實現(xiàn)高速切削、干切削、硬切削必須有好的刀具材料。在影響金屬切削發(fā)展的諸多因素中,刀具材料起著決定性作用。
高速鋼
高速鋼自1900年面世至2000年,盡管各種超硬材料不斷涌現(xiàn),但始終未能動搖其切削刀具的霸主地位,2000年以后硬質(zhì)合金已成為高速鋼的“天敵”,正在持續(xù)不斷地侵蝕著高速鋼刀具的市場份額,但對于某些如螺紋刀具、拉削刀具等對韌性要求較高的刀具,高速鋼仍可與硬質(zhì)合金“分庭抗禮”,甚至占明顯優(yōu)勢。
據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計分析,2004年我國生產(chǎn)高速鋼7.8萬噸,幾乎占全球產(chǎn)量的50%,生產(chǎn)了約25億件刀具,其中近20億件低檔出口。2005年全國高速鋼產(chǎn)量8.3萬噸,其中低合金高速鋼(鎢當(dāng)量6%~12%)占40%左右,刀具的生產(chǎn)、銷售情況和2004年差不多。從整體形勢分析,目前最突出的矛盾是低檔產(chǎn)品惡性膨脹,而高檔產(chǎn)品嚴(yán)重短缺,或者說高端失守、低端混戰(zhàn),倘任其自由發(fā)展,高速鋼刀具在切削領(lǐng)域的地位只會越來越低,甚至退出,將市場拱手讓給外國佬。
人們習(xí)慣上將高速鋼分為四大類:
1)通用高速鋼(HSS)
以W18Cr4V為代表的HSS曾輝煌過一個世紀(jì),為我國刀具行業(yè)做出過杰出的歷史性貢獻(xiàn),但由于還存在不少弊端,現(xiàn)已逐步淡出市場;M2鋼的市場份額已由上世紀(jì)90年代的60%~70%下降到目前的20%~30%;9341是我國自行研制的HSS,市場份額占20%左右,W7、M7等其他HSS產(chǎn)量比較低。HSS已占高速鋼總量60%以上。由于HSS的強(qiáng)韌性和較高的耐磨性、紅硬性等優(yōu)異性能,在絲錐、拉刀等刀具領(lǐng)域,還會牢牢守住一塊地盤,不過陣地在逐年減少。
2)高性能高速鋼(HSS-E)
HSS-E是指在HSS成分基礎(chǔ)上加入Co、Al等合金元素,并適當(dāng)增加含碳量,以提高耐熱性、耐磨性的鋼種。這類鋼的紅硬性比較高,經(jīng)625℃×4h后硬度仍保持60HRC以上,刀具的耐用度為HSS刀具的1.5~3倍。
以M35、M42為代表的HSS-E產(chǎn)量逐年在增加,501是我國自產(chǎn)的高性能高速鋼,在成形銑刀、立銑刀等方面應(yīng)用十分普遍,在復(fù)雜刀具方面應(yīng)用也比較成功。由于數(shù)控機(jī)床、加工中心、高難加工材料發(fā)展迅速,HSS-E刀具材料亦逐步增加。
3)粉末高速鋼(HSS-PM)
和冶煉高速鋼相比,HSS-PM力學(xué)性能有顯著的提高。在硬度相同的條件下,后者的強(qiáng)度比前者高20%~30%,韌性提高1.5~2倍,在國外應(yīng)用十分普遍。我國在上世紀(jì)70年代曾研制出多種牌號的HSS-PM,并投入市場,但不知何故夭折,現(xiàn)在各工具廠所用材料均系進(jìn)口。值得欣喜的是,河冶科技股份有限公司(原河北冶金研究院)已能生產(chǎn)HSS-PM,并小批量供貨,效果不錯。由于資源日益枯竭和HSS-PM自身優(yōu)良的綜合性能及市場的需求,HSS-PM必將會有一個長足的進(jìn)步。
4)低合金高速鋼(DH)
由于合金資源越來越少、成套麻花鉆出口及低速切削工具的需要,鋼廠和工具廠共同開發(fā)出301、F205、D101等多種牌號的DH.2003年我國生產(chǎn)高速鋼6萬噸,其中DH兩萬噸,占高速鋼的1/3;2004年DH占高速鋼的40%,2005年、2006年仍呈增長勢頭。但其中水分不少,有些根本不屬高速鋼,硬度也達(dá)不到63HRC,也被標(biāo)以HSS.
硬質(zhì)合金
機(jī)械制造業(yè)需要“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的經(jīng)營理念,在當(dāng)代刀具制造和使用領(lǐng)域,“效率第一”的理念已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的“性能價格比”老概念,這一變化為高技術(shù)含量的高效刀具的發(fā)展掃清了障礙。
硬質(zhì)合金不僅具有較高的耐磨性,而且韌性也較高(和超硬材料相比),所以得到廣泛的應(yīng)用,展望未來,它仍然是應(yīng)用最廣泛的刀具材料。從歷屆機(jī)床工具博覽會上可以看出,硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具幾乎覆蓋了所有的刀具品種。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和刀具技術(shù)的進(jìn)步,硬質(zhì)合金的性能得到很大改善:一是開發(fā)了提高韌性的1~2μm細(xì)顆粒硬質(zhì)合金;二是開發(fā)了涂層硬質(zhì)合金。與高速鋼刀具相比,硬質(zhì)合金涂層刀具的市場份額增長幅度更大,因為在高溫和高速切削參數(shù)下,高強(qiáng)度更為重要。
現(xiàn)代切削刀具,硬質(zhì)合金大展其威,展望未來,刀具材料無疑是硬質(zhì)合金的天下。
超硬刀具材料
超硬材料是指以金剛石為代表的具有很高硬度物質(zhì)的總稱。超硬材料的范疇雖沒有一個嚴(yán)格的規(guī)定,但人們習(xí)慣上把金剛石和硬度接近于金剛石硬度的材料稱為超硬材料。
1)金剛石
金剛石是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的最硬的一種材料。金剛石刀具具有高硬度、高耐磨性和高導(dǎo)熱性等性能,在有色金屬和非金屬加工中得到廣泛的應(yīng)用,尤其在鋁和硅鋁合金高速切削加工中,如轎車發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、變速箱和各種活塞等的加工中,金剛石刀具是難以替代的主要切削刀具。近年來,由于數(shù)控機(jī)床的普及和數(shù)控加工技術(shù)的高速發(fā)展,可實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、長壽命加工的金剛石刀具的應(yīng)用日漸普及。金剛石刀具現(xiàn)在和將來都是數(shù)控加工中不可缺少的重要刀具。
2)立方氮化硼(CBN)
立方氮化硼是氮化硼的同素異構(gòu)體,其結(jié)構(gòu)與金剛石相似,硬度高達(dá)8000~9000HV,耐熱度達(dá)1400℃,耐磨性好。近年來開發(fā)的多晶立方氮化硼(PCBN)是在高溫高壓下將微細(xì)的CBN顆粒通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料,既能勝任淬硬鋼(45~65HRC)、軸承鋼(60~64HRC)、高速鋼(63~66HRC)、冷硬鑄鐵的粗車和精車,又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削加工。
陶瓷刀具
陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ牡毒咧?,目前已引起世界工具界的重視。在工業(yè)發(fā)達(dá)的德國,約70%加工鑄件的工序是由陶瓷刀具來完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%~10%.由于數(shù)控機(jī)床、高效無污染切削、被加工材料硬等因素,迫使刀具材料必須更新?lián)Q代,陶瓷刀具正是順乎潮流,不斷改革創(chuàng)新,在Al2O3陶瓷基體中添加20%~30%的SiC晶液制成晶須增韌陶瓷材料,SiC晶須的作用猶如鋼筋混凝土中的鋼筋,它能成為阻擋或改變裂紋擴(kuò)展方向的障礙物,使刀具的韌性大幅度提高,是一種很有發(fā)展前途的刀具材料。為了提高純氧化鋁陶瓷的韌性,加入含量小于10%的金屬,構(gòu)成所謂金屬陶瓷,這類刀具材料具有強(qiáng)大的生命力,正以強(qiáng)勁勢頭向前發(fā)展,也許將來會自成一系,成為刀具材料家族新成員。
陶瓷刀具的主要原料是Al2O3、SiO2、碳化物等,它們是地殼中最富足的資源,發(fā)展此類刀具不存在原料來源問題。因此,開發(fā)應(yīng)用陶瓷刀具有重要的戰(zhàn)略意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。
由于切削加工機(jī)床和切削技術(shù)的突飛猛進(jìn),迫使刀具被動式同步。刀具材料的發(fā)展趨勢,是向著高效率、高速度、高壽命方向發(fā)展。在各種刀具材料的發(fā)展中,硬質(zhì)合金(包括涂層硬質(zhì)合金)一枝獨(dú)秀;HSS將進(jìn)一步萎縮;HSS-E增幅緩慢;HSS-PM將有長足的進(jìn)步;DH還會繼續(xù)膨脹擾亂市場,不過好景不長;超硬刀具材料有廣闊的發(fā)展空間,將繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用比例。形成了以硬質(zhì)合金為主線,各種材料既有獨(dú)特的優(yōu)點和應(yīng)用范圍,又互相發(fā)展、互相競爭,又相互有所取代補(bǔ)充的整體格局。