刀具材料的历史进展与未来展望

1 刀具材料的重要作用及其发展过程

刀具材料的发展与人类社会生活、生产的发展，有着极为密切的关系。对于古人类，“刀”和“火”的认识和应用，是两项*伟大的发明，是人类登上历史舞台的重要标志刀具材料的改进推动着人类社会文化和物质文明的发展。例如在人类历史中，曾有过旧石器时代、新石器时代，青铜器时代和铁器时代等。与石器时代对应的是人类的原始社会;与青铜器时代对应的是人类的奴隶社会;与铁器时代对应的是人类的封建社会及其以后的时代。

在传统的机械加工中，刀具材料、刀具结构和刀具几何形状是决定刀具切削性能的三大要求，其中刀具材料起着关键作用。在计算机集成先进制造系统出现后，在刀具使用中还应考虑“刀具系统”问题。近年来，各种难加工材料的出现和应用，先进制造系统、高速切削和超高速切削、精密加工和超精密加工、“绿色制造”和“洁净制造”的发展与付诸实用，都对刀具特别是对刀具材料提出了更高、更新的要求。

古人类仍能在大自然中寻用天然材料制作工具，如玉、石、天然金刚石甚至陨铁都曾得到过应用。在奴隶制社会，曾用青铜制作工具；在“春秋”、“战国”之交，特别是到了秦朝的时代，进人封建社会的时候，钢、铁工具开始出现，碳素工具钢开始得到应用，那时的碳素工具钢与现代的T10、T12等钢种已十分接近。与石料、铜料相比，碳素工具钢具有更高的硬度，切削刃能够磨得很锋利，故切削效率和加工质量相对较高。但碳素工具钢只能承受200-250℃的切削温度，用以切削一般钢材只能应用5-8 m/min的切削速度，不能满足更高切削效率的要求。1865年，英国的罗伯特·墨希特(Rohert Mushet)发明了合金工具钢，其牌号有CrWMn，9CrSi等，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。为了适应加工效率进一步提高的要求，美国机械工程师泰勒(F.W.Taylor)和冶金工程师怀特(M.White)于1898年发明了高速钢，当时的成分为C0.67%, W18.91%，Cr5.47%，V0.29%，Mn0.11%，Fe为余量。它能够承受550-600℃的切削温度，切削一般钢材可采用25-30m/min的切削速度、从而使其加工效率比碳素工具钢洽金工具钢分别提高了4倍和2.5倍以上，从19世纪末到20世纪初，曾使美国、英国等主要资本主义国家的切削水平出现了一个飞跃，从而获得了巨大的经济效益，机械制造工业也赖以迅速发展。

随着人类生话、生产水平的提高，高速钢刀具已不能满足高效率加工、高质量加工以及难加工材料切削的要求。20世纪20年代到30年代，人们发明了钨钴类和钨钛钴类硬质合金，其常温硬度达89-93HRA,能承受800-900℃以上的高温，切削速度可以是高速钢刀具的4-5倍以上，因而被迅速推广应用。在第二次世界大战期间，由于兵工生产的需要，美、英、苏、德各国开始部分使用硬质合金刀具;二战结束后，逐步扩大使用。50年代初，我国从苏联少量引进硬质合金，替代高速钢刀具在生产中应用。后来，在苏联援助下，我国建设了株洲硬质合金厂；又自力更生，用本国的技术和力量，建成了自贡硬质合金厂。经过40年的努力，中国硬质合金刀具材料的产量已居世界各国的前列，成为生产硬质合金的大国，20世纪后半期，工件材料的品种不断增多，其机械性能不断提高，工件的批量和加工精度也不断加大和提高，因而对刀具的使用性能不断提出更新、更高要求。硬质合金刀具材料为了适应新的要求，自身有了更新的发展，出现了许多新品种，其性能比之过去有了很大的提高。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具较脆，韧性不足，可加工性也不好，故开始时只用于一般车刀，后发展到用于面铣刀及其他刀具；但迄今为止，仍不能用于所有种类的刀具。高速钢刀具也有了发展，出现了许多新品种。然而，半个世纪来，一半以上的高速钢刀具被硬质合金刀具所替代；高速钢刀具材料凭借其良好的韧性和可加毛性，仍固守着切削刀其中不足一半的阵地。当代，硬质合金和高速钢是两种*主要的、用得*多的刀具材料。它们的总和当占全部刀具的95%以上。

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，于是更新的刀具材料相继出现。20世纪中期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。20世纪中后期，又制造出人造立方氮化硼和人造金刚石两种超硬刀具材料，它们的硬度大幅度地高于硬质合金与陶瓷由于韧性和可加工性的不足，以及价格等原因，陶瓷、氮化硼及金刚石刀具材料的应用尚受到更大的局限。

综上所述，刀具(工具)材料的发展，对人类社会的发展发挥了极其重要的作用。20世纪中，刀具(工具)材料的发展比过去几十世纪要快得多C刀具材料的品种、类型、数量、性能都有了很大的发展和提高。“百花齐放，推陈出新”；20世纪特别是后平个世纪，刀具材料大发展，大提高，令人眼花缭乱，目不暇接，从而推动人类的物质文明迅猛前进。

2 刀具材料的化学成分

在古代，人类所用的刀具材料多为天然物质，如石材、天然金刚石等。近代、现代所用的刀具材料绝大多数出于人造，以便保证大量供应，并使质地均匀、可靠。

纵观现代的各种刀具材料，除金刚石的原料为石墨(碳元素)外，其他品种都离不开碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。如表1至表4所示，这些化合物都具有高硬度、高熔点、高弹性模量等特性，这正是刀具材料所需要的性质。

从表可以看出，表中多为碳元素、氮元素、氧元素或硼元素与金属元素的化合物;但也有例外，如SiC,B₄C和Si₃N等，硅(Si)和硼(B)并不是金属，但结合后，硬度也很高，可以作为刀具材料而被利用。而氮(N)与硼(B)的结合，更能形成超硬刀具材料CBN。

表各种化合物的性质
		性质
		密度 10³kg/m³	熔点 ℃	硬度 HV	弹性模量 GPa
碳化物	TiC	4.85-4.93	3180-3250	2900-3200	316-488
	ZrC	6.44-6.9	3175-3540	2600	323-489
	HfC	12.20-12.70	3885-3890	2533-3202	433
	VC	5.36-5.77	2810-2865	2800	260-274
	TaC	14.48-14.65	3740-3880	1800	371-389
	NbC	7.82	3500-3800	2400	344
	WC	15.6-15.7	2627-2900	2400	536-721
	Mo₂C	8.90	2690	1500	544
	B₄C	2.50-2.54	2350-2470	2400-3700	295-458
	SiC	3.21-3.22	2200-2700分解	3000-3500	345-422
	Cr₃C₂	6.68	1895	1800	380
	Cr₇C₃	6.92	1782	1882	-
	Cr₂₃C₆	6.97-6.99	1518	1663	-
	Fe₃C	-	1650	860	-
氮化物	TiN	5.44	2900-3220	1800-2100	616
	ZrN	7.35	2930-2980	1400-1600	-
	HfN	13.94	3300-3307	1500-1700	-
	VN	6.08	2050-2360	1500	-
	TaN	14.1	2980-3360	1060	587
	NbN	8.26-8.40	2050	1400	493
	Nb₂N	8.33	2420	1720	-
	BN(立方)	3.48-3.49	2720-3000分解	7000-8000	720
	Si₃N₄	318-3.19	1900分解	2670-3260	470
	AlN	3.25-3.30	2200-2300分解	1225-1230	281-352
	CrN	6.1	1500	1000-1188	-
	Cr₂N	6.51	-	1522-1629	-
	Mo₂N	8.04	-	630	-
	WN	-	800	-	-
氧化物	TiO₂	4.24	1855-1885	1000	240-290
	ZrO₂	6.27	2900	1300～1500	250
	HfO₂	9.68	2780-2790	940-1100	-
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