1 高速切削对刀具材料的要求

刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具的材料、几何参数及其结构，其中刀具材料对刀具耐用度、加工效率和加工质量等的影响最大。由于高速切削所采用的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高。因此，高速切削对刀具材料提出了更高的要求。高速切削刀具的失效主要是由于刀具材料的热性能(包括熔点、耐热性、抗氧化性、高温力学性能、抗热冲击性能等)不足所引起的。高速干切削和硬切削加工黑色金属的最高速度主要受限于刀具材料的耐热性。如：加工钢和铸铁等黑色金属时，最高速度只能达到加工铝合金的1/3、1/5，原因是切削热使刀尖发生热破损：而高速铣削中则会产生厚度变化的断续切屑，它们都会导致刀具内热应力高频率地周期变化，加速刀具的磨损。因此，高速切削除了要求刀具材料具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还突出要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。

高的可靠性高速切削一般在数控机床或加工中心上进行，要求刀具材料必须十分可靠，否则，将会增加换刀时间，降低生产率，使高速切削失去了意义：另外刀具可靠性差还将产生废品，损坏机床与设备，甚至造成人员伤亡。因此，刀具的可靠性问题是高速切削成功应用的关键技术之一。

高的耐热性、抗热冲击性能和高温力学性能高速切削时切削温度很高，因此，要求刀具材料熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击性能强，且具有很高的高温力学性能，如：高温强度、高温硬度、高温韧性等。

高速切削刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要随着技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多的被采用。他们中多数属于难加工材料，据统计目前难加工材料已占工件的40%以上。因此，高速切削刀具应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。

2 高速切削刀具材料的类型和性能

要实现高速切削，刀具材料是关键。近30年来世界各工业发达国家都在大力发展与高速切削条件相匹配的先进切削刀具材料。目前国内外用于高速切削的刀具材料主要有：TiC(N)基硬质合金(也称为金属陶瓷)、硬质合金涂层刀具、陶瓷刀具、聚晶金刚石(PCD)和立方氮化硼(CBN)等。它们各有优点，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。

TiC(N)基硬质合金 TiC(N)基硬质合金是以TiC为主要成分的合金，其性能介于陶瓷和硬质合金之间。由于TiC(N)基硬质合金有接近陶瓷的硬度和耐热性，加工时与钢的摩擦系数小，耐磨性好，且抗弯强度和断裂韧性比陶瓷高。因此，TiC(N)基硬质合金可作为高速切削加工刀具材料，用于精车时，切削速度可比普通硬质合金提高20%～50%。日本在发展TiC(N)基硬质合金方面居世界领先地位，其用量占硬质合金和陶瓷刀具总量的28%。TiC(N)基硬质合金按其成分和性能不同可分为：①成分为TiC-Ni-Mo的TiC基合金：②添加其它碳化物(如：WC，TaC)和金属(如Co)的强韧TiC基合金：③添加TiN的TiCN基合金：④以TiN为主要成分的TiN基合金等。

TiC/Ni/Mo是TiC(N)基硬质合金中典型成分，我国通常使用的YN05。在TiC/Ni/Mo合金中以WC 和TaC 等碳化物取代部分TiC可以提高硬质合金的韧性、弹性模量和高温强度，此外还可改善硬质合金的导热性能和抗热冲击性，使刀具更适合于断续切削。我国生产的强韧TiC基合金有YN10、YN15、YN501等。由于TiN的热稳定性比TiC高，导热系数大，与金属的亲和力小，润湿性能好，因此，在TiC/Ni/Mo合金中添加氮化物可显著提高硬质合金的性能，并扩大其应用范围。

硬质合金涂层刀具 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有较高的韧性，又具有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层的刀具要高2～5倍。近10年来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。在日本的硬质合金和陶瓷刀片总产量中，涂层刀片占41% 。涂层刀具可分为两大类：一类是“硬”涂层刀具，如TiC、TiN、Al2O3涂层刀具等，其主要优点是硬度高、耐磨性能好。另一类是“软”涂层刀具，如MoS2、WS2等，这种涂层刀具也称为自润滑刀具，可以减小摩擦，降低切削力和切削温度。常见的单涂层及多涂层组合有：TiC、TiN、TiCN、TiAiN、TiC/TiN、TiC/TiCN/TiN、 TiC/Al2O3/TiN等。多涂层及其相关技术的出现 ，使涂层既可提高与基体的结合强度又能具有多种材料的综合性能。图1为常见的涂层结构，目前应用较多的有：单涂层、多涂层、金刚石薄膜涂层、纳米涂层等。

图1 典型的涂层结构

TiC是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。TiN的硬度稍低，但它与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化能力比TiC好。TiCN具有TiC和TiN的综合性能，其硬度高于TiC和TiN，因此是一种较为理想的刀具涂层材料。TiAiN是含有铝的PVD涂层，在切削过程中铝氧化而形成氧化铝，从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，在高速切削时，TiAiN涂层刀具的切削效果优于TiN和TiCN涂层刀具，主要原因是TiAiN涂层刀具的硬度、抗氧化和抗粘结能力高。尤其是由于TiAiN涂层刀具具有很高的高温硬度。目前，TiAiN/Al2O3多层PVD涂层也已研究成功， 其涂层硬度达HV4000，涂层数为400层(总厚度5?m)，切削性能优于TiC/Al2O3/TiN涂层刀具。

金刚石薄膜涂层刀具是近年研究成功的新型刀具涂层材料，它采用化学气相沉积(CVD)法在硬质合金基体沉积一层极薄(50?m以下)的金刚石膜制成的。这种工艺可在形状复杂的刀具基体制作大面积高质量的金刚石薄膜。CVD金刚石薄膜涂层刀具不仅冲击无涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为聚晶金刚石刀具强有力的竞争对手。这种涂层刀具特别适合于加工有色金属及纤维材料。

最近又开发了纳米涂层(Nanocoating)技术。这种方法可采用多种涂层材料的不同组合以满足不同的功能和性能要求，特别适合于高速干切削。硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为4大类：(1)硬/硬组合，如B4C/SiC、TiC/TiB2、TiC/TiN 等：(2)硬/软组合，如B4C/W、SiC/W、SiC/Ti 等：(3 )软/软组合，如Ni/Cu等：(4)具有润滑性能的软/软组合，如：MoS2/Mo、WS2/W、TaS2/Ta 等。这些复 合涂层每层由两种材料组合而成，厚度仅为几纳米，根据切削需要，可相互叠加涂覆上百层，总厚度可达2～5?m。

陶瓷刀具 陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温性能，与金属的亲合力小，并且化学稳定性好。因此，陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的高硬材料，实现以车代磨，从而可以免除退火、简化工艺，大幅度地节省工时和电力：陶瓷刀具的最佳切削速度可比硬质合金刀具高3～10倍，而且寿命长，可大大提高切削效率：陶瓷刀具材料使用的主要原料氧化铝、氧化硅等是地壳中最丰富的元素，是取之不尽的，对节省贵重金属也具有十分重要的意义。陶瓷刀具主要应用于难加工材料的高速加工。近20年来，国际上陶瓷刀具的研制十分活跃，其发展趋势是10年代后期以纯Al2O3 陶瓷为主：60～70年代以Al2O3/TiC陶瓷为主：70年代后期至80年代初期发展了氮化硅基陶瓷刀具及相变增韧陶瓷刀具材料：80年代后期到90年代，晶须增韧陶瓷刀具材料成为刀具研究开发的核心。目前国际上陶瓷刀具已发展成有四十多个品种、二百多个牌号。

图2 陶瓷刀具材料的种类及可能的组合

现代陶瓷刀具材料大多数为复合陶瓷，其种类及可能的组合如图2所示。目前国内外广泛使用的，以及正在开发的陶瓷刀具材料基本上都是根据图2的组合，采取不同的增韧补强机理来进行显微结构设计的，其中以氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具材料应用最为广泛。20世纪70年代投入使用的Al2O3/TiC热压陶瓷材料，强度、硬度和韧性均较高，仍是国内外使用最多的陶瓷刀具材料之一。此后在Al2O3中添加TiB2、Ti (C，N)、SiCW、ZrO2等陶瓷刀具也相继研制成功，其力学性能进一步提高，广泛应用于碳钢、合金钢或铸铁的精加工或半精加工。表1列出了一些国内外部分氧化铝基陶瓷刀具的牌号与性能。70年代中期研制成功80年代初推广使用的Si3N4陶瓷刀具材料，是陶瓷刀具品种的一大突破，其断裂韧性显著提高，达到6～7MPa·m-2Si3N4基陶瓷刀具的热稳定性和抗热裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，热膨胀系数低，化学稳定性好，抗热冲击性能好。Si3N4陶瓷刀具更适合于高速加工铸铁及铸铁合金、冷硬铸铁等高硬度材料。80年代初研制成功Si3N4/TiC陶瓷刀具具有良好的耐磨性、红硬性和抗热冲击性，但由于碳化钛和氮化硅的热膨胀系数相差较大，高速切削时因刀尖温度急剧升高，会产生较大的热应力，降低了刀具的使用寿命。为此，许多国家又开发了Sialon 陶瓷刀具，Sialon陶瓷刀具是用氮化铝、氧化铝和氮化硅的混合物在高温下进行热压烧结而得到的材料。Sialon陶瓷刀具材料具有很高的强度和韧性。已成功应用于铸铁、镍基合金、硅铝合金等难加工材料的加工，是高速粗加工铸铁和镍基合金的理想刀具材料之一。好用吗化妆水丰胸精油评价最好最新数码产品卸妆哪种食物可以减肥眼影什么爽肤产品最好

表1 国内外典型的氧化铝基陶瓷刀具材料的性能

金刚石刀具 金刚石是碳的同素异构体，它是自然界已经发现最硬的材料，其显微硬度达到10000HV。金刚石刀具有两种，即：天然金刚石刀具和人造金刚石刀具。天然金刚石的性质较脆，容易沿晶体的解理面破裂，导致大块崩刃，并且天然金刚石价格昂贵，因此很多场合下已经被人造金刚石所代替。人造聚晶金刚石(Polycrystalline diamond，简称PCD)是20世纪60年代发展起来的，它是以石墨为原料，加入催化剂，经高温高压烧结而成。PCD刀片可分为整体人造聚晶金刚石刀片和聚晶金刚石复合刀片。目前，大多数使用的PCD都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，便于焊接。随着制造业的快速发展，PCD刀具的生产和应用逐年增加，至1997年，PCD刀具年销售额已达2.3亿美元。

金刚石刀具具有如下的特点：①极高的硬度和耐磨性：金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10～100倍，甚至高达几百倍：②很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数约为硬质合金刀具的一半：③刀刃非常锋利：金刚石刀具的切削刃可以磨得非常锋利，因此，金刚石刀具能进行超薄切削和超精密加工：④很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5～9倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低：⑤较低的热膨胀系数：金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。

金刚石刀具已广泛应用于汽车、航空航天、国防工业中关键零部件的高速精密加工。多用于加工有色金属及其合金和一些非金属材料，是目前超精密切削加工中最主要刀具。金刚石刀具在汽车和摩托车行业中主要用于加工发动机铝合金活塞的裙部、销孔、汽缸体、变速箱、化油器等。由于这些部件材料含硅量较高(10%以上)，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而金刚石刀具的耐用度是硬质合金的10～50倍，可保证零件的尺寸稳定性，并可大大提高切削速度、加工效率和加工质量。

立方氮化硼刀具 1917年美国通用电器首先合成了立方氮化硼(CBN)。由于CBN具有超硬特性、高热稳定性和高化学稳定性而引起广泛关注。从60年代到70年代，前苏联、英国、西德、日本和中国相继掌握了CBN合成技术。立方氮化硼是BN(氮化硼)的同素异构体之一，其结构与金刚石相似，不仅晶格常数相近，而且晶体中的结合键也基本相同。由于立方氮化硼与金刚石在晶体结构与结合上的相似和差异，便决定与金刚石相近的硬度，又具有高于金刚石的热稳定性和对铁族元素的高化学稳定性。CBN具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，并且在高温下(1200℃～1300℃)不与铁族金属发生化学反应。

PCBN(Polycrystalline cubic boron nitride聚晶CBN)是在高温高压下将微细的CBN材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，由于其具有独特的结构和特性，近年广泛应用于黑色金属的切削加工。由于受CBN制造技术的限制，目前制造直接用于切削刀具大颗粒的CBN仍很困难，为此PCBN得到了很快发展。PCBN的性能受其中的CBN含量、CBN粒径和结合剂的影响。CBN含量越高，PCBN的硬度和耐磨性就越高。目前，PCBN刀具有3种结构形式，即：整体PCBN刀具、PCBN复合刀片及电镀立方氮化硼刀具。PCBN复合刀片是在强度和韧性较好的硬质合金基体上烧结或压制一层0.5～1mm厚的PCBN而成的，它解决了CBN刀片抗弯强度低和焊接困难等问题。

目前已有多个品种不同CBN含量的PCBN刀具已用于车刀、镗刀、铣刀等，主要用于高速加工淬硬钢和高硬铸铁以及某些难加工材料。PCBN刀具既能胜任淬硬钢(45～65HRC)、轴承钢(60～62HRC)、高速钢(HRC>62)、工具钢(57～60HRC)、冷硬铸铁的粗车和精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削加工。PCBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。

3 高速切削刀具材料的合理选择

高速切削用刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、TiC(N)合金、涂层刀具及PCBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工：PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。

表2 各种刀具所适合加工的工件材料

TiC(N)基硬质合金既具有陶瓷的高硬度，又具有硬质合金的高强度，用于可转位刀片还能焊接。因此TiC(N)基硬质合金不仅可用于精加工，而且也扩大到半精加工、粗加工和断续切削。

陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金等。Al2O3基陶瓷刀具适用范围最广，因其耐磨性和耐热性均高于Si3N4基陶瓷刀具。如Al2O3/TiC复合陶瓷刀具可在300～1000m/min 时高速切削钢、铸铁及其合金。Si3N4基陶瓷刀具的断裂韧性和抗热裂性高于Al2O3基陶瓷刀具，因此Si3N4更适于断续加工铸铁及铸铁合金。添加SiC晶须的陶瓷刀具最适于加工镍基高温合金、纯镍和高镍合金等，但不适于加工钢和铸铁，因其中的硅在高温下扩散严重，当切削温度达到1000℃时，SiC晶须与钢会产生化学反应，从而降低了刀具的耐磨性。

金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度。因此，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石和铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏。在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。

立方氮化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。PCBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。

4 高速切削刀具材料的发展展望

高速切削正是由于刀具材料的不断发展进步而逐渐发展成熟起来的。近30年来世界各工业发达国家都在大力发展能适应高速切削条件的先进切削刀具。目前国内外用于高速切削的TiC(N)基硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、金刚石和CBN刀具各有优点，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围。预计今后涂层刀具的应用范围将会进一步扩大：在资源、价格和性能等方面，陶瓷刀具具有很大的优势，尤其是其资源优势，因其主要成分在自然界是取之不尽的，因此，陶瓷刀具将会得到更大的发展：超硬刀具的应用将会越来越广泛。随着技术的发展，对工程材料提出了愈来愈高的要求，各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料愈来愈多地被采用。因此，高速切削刀具材料的发展应能适应难加工材料和新型材料加工的需要。同时，由于可持续发展的要求，要求切削时不污染环境，因此，能适应高速干切削的刀具材料将会得到进一步发展。总之，具有“三高”(即：高可靠性、高强度、高抗热震性)性能刀具材料的研究开发将是今后高速切削刀具材料研究开发的重点。纳米复合与涂层、梯度功能和多种增韧补强机制协同作用的刀具材料的设计与开发将是高速切削刀具研究发展的方向。