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摘要：由于高速切削能够加工出较高表面质量的零件，并且可以减少加工时间，提高效率，还能降低加工成本。因此高速切削技术已经广泛应用于机械加工领域。高速切削技术是随着其他诸如刀具材料技术的发展而发展的。本文介绍了高速切削中使用的高速钢、硬质合金、涂层刀具、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具的性能与适用范围。
关键词： 刀具材料 高速切削
0 引言
高速切削时的重要问题是刀具磨损。与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程所产生的热量更多地向刀具传递，刀具磨损机理与普通切削有很大区别。因此需要研究不同高速切削刀具材料的特性，以便更好地选用刀具。
1.高速切削对刀具材料的要求
高速切削过程中刀具承受的压力大、温度高以及相对剧烈的摩擦。为保证高速切削中刀具的使用寿命，其材料除应具备一般刀具的基本性能外，还应具有更高的要求。
1.1.刀具材料的基本性能有：
1.1.1.高硬度和高耐磨性，一般要求在HRC60以上；
1.1.2.足够的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃；
1.1.3.充足的耐热性，使刀具能承受较高切削温度；
1.1.4.良好的工艺性能和经济性。
1.2.刀具材料的特殊要求：
1.2.1.可靠性：高速切削一般在数控机床或者加工中心上进行，刀具应具有很高的可靠性，要求刀具的寿命高、质量一致性好，切削刃的重复精度高。如果刀具可靠性差，将会增加换刀时间，降低生产率，这将使高速切削加工失去意义。如果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。
1.2.2.高耐热性和抗热冲击性能：高速切削加工时切削温度很高，要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击能力强。
1.2.3.良好的高温力学性能：要求刀具材料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。
1.2.4.刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要。
1.2.5.良好的工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。
2.高速切削刀具材料
2.1.高速钢与硬质合金刀具
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、小直径铣刀等。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。
硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89 HRA～93HRA，760℃时其硬度为77 HRA ～85HRA，在800℃～1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8 ～1/30。因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。
国际通用的刀具用硬质合金分为六类，分别为P类、K类、M类、H类、S类和N类。其中，最常用的是前三类硬质合金，即：（1）钨钽钴类硬质合金（P类），常用牌号有YT5、YT15、YT30。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗黏结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差，适于高速切削钢料。合金Co含量增加，抗弯强度和冲击韧性越好，适于粗加工，Co含量减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。但合金中Ti和工件中Ti元素间的亲合力会产生严重的黏刀现象，不适于加工不锈钢和钛合金。（2）钨钴类硬质合金（K类），常用牌号有YG3X、YG6、YG8。此类合金韧性、磨削性好，并且导热性也较好，适于加工铸铁等脆性材料、有色金属材料及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高的钢料等。（3）钨钛钽钴类硬质合金（M类），常用的牌号有YWl和YW2。常用来加工铸铁材料、有色金属和钢料，也可以加工高温合金、不锈钢等难加工材料。
2.2.涂层刀具
涂层刀具是在刀具基体上涂敷硬质耐磨金属化合物薄膜，以达到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金等。
涂层刀具可以分成硬涂层刀具和软涂层刀具。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛（TiN）、碳化钛（TiC）、氧化铝（Al2O3）、碳氮化钛（TiCN）、氮化铝钛（TiAlN）.碳氮化铝钛（TiAlCN）等。硬涂层刀具的主要特点是硬度高、耐磨性能好。软涂层刀具是以二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）作为涂层材料的高速钢刀具，软涂层刀具可以减少磨擦，降低切削力和切削温度。涂层可以是单涂层，也可以是双涂层或多涂层，甚至是几种涂层材料复合而成的复合涂层。复合涂层可以是TiC-Al2O3-TiN，TiCN和TiAlN多元复合涂层，最新又发展了TiN/NbN，TiN/CN等多元复合薄膜。TiN涂层的硬度高、耐磨性好，TiC涂层与金属的亲合力小，抗氧化性强，TiAlN具有良好的高速切削性能，而Al2O3涂层有良好的热稳定性。TiAlN层在高速切削中性能优异，其抗高温氧化温度可达800℃。
2.3.陶瓷刀具
陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基（Al2O3）和氮化硅基（Si3N4）两大系列，添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，经过冷压制成形后烧结而成的一种非金属材料。陶瓷材料与硬质合金相比，其具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。1200℃时其硬度可达HRC58，可以加工硬度为HRC65的高硬度难加工材料。同时其化学性能稳定，耐氧化，摩擦因数低，刀具耐用度比硬质合金提高10～20倍，其红硬性比硬质合金高（2～6）倍，切削效率提高（3～10）倍，广泛用于高速精切削加工中。 此外金属陶瓷刀具具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷可制成钻头、铣刀与滚刀。如日本研制的金属陶瓷滚刀，Vc=600m/min，约是硬质合金滚刀的10～20倍，加工表面粗糙度值Rmax为2μm。
2.4.立方氮化硼（CBN）刀具
立方氮化硼（CBN）刀具是一种仅次于金刚石的硬度极高的刀具材料（可达8000HV ～9000HV），通常加工材料硬度大于48HRC时工作效果最好，而加工软材料时CBN磨损很快。温度高到2000℃时有极佳的红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。虽然和硬质合金相比，CBN更脆且导热性和化学稳定性低于陶瓷，但它具有比陶瓷刀具更高的冲击强度和抗破裂性，而且对于刚性较低的机床也能切削硬金属。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具可实现“以切代磨”，“以铣代磨”，大幅提高加工效率。
据悉，来自美国芝加哥大学等多所高校的科学家组建的一支研究小组，将一种类似俄罗斯套娃的氮化硼微粒在1800℃高温下压缩至15GPa，令晶体材料发生重组，变得更加坚硬。这种立方氮化硼超越了钻石的硬度，其维氏硬度达到108 GPa，而合成钻石的维氏硬度为100 GPa。未来这种超硬材料与当前商用较低硬度的立方氮化硼价格相当，或许未来可用于切削加工。
2.5.金刚石刀具
可用于刀具材料的金刚石有四类：天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和化学气相沉积金刚石涂层刀具。
天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外（如加工微机械零件、光学镜面和首饰雕刻等加工），很少作为切削工具应用在工业中。
人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如高耐磨Al2O3涂层的木地板。
聚晶金刚石（PCD）是以钴作为粘结剂，在高温高压（1000℃～2000℃，5～10万个大气压）下烧结而成的。聚晶金刚石刀具具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属及非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。
化学气相沉积（CVD）金刚石涂层刀具适合于高速加工铝及其它有色金属如紫铜、黄铜和青铜，还可以用来加工石墨制品、复合材料，如玻璃纤维增强塑料和酚醛树脂等。CVD金刚石薄膜涂层刀具应用于复杂形状的刀具，如带断屑槽的刀片、整体立铣刀、刨刀和钻头等。金刚石厚膜涂层刀具常用来高速切削过共晶铝合金。
人工合成单晶金刚石，PCD与CVD各自的性能特点：人工合成单晶金刚石刃口质量，抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差。
此外，碳和铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能和铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。
3.总结
高速切削刀具材料的发展制约着现代制造业中高速切削加工技术的发展。高速钢、硬质合金、金刚石、陶瓷和立方氮化硼刀具材料因其各自的特点与性能，广泛的应用于高速切削领域中。随着社会的发展和科学的进步，必然会出现更加难以加工的材料。因而，对高速切削材料会提出更高的要求。所以研究具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性的高速切削刀具势在必行。
参考文献：
[1] 艾兴，刘战强，赵军，邓建新，宋世学 高速切削刀具材料的进展和未来. 制造技术与机床. 2001（8）
[2] 祝溪明 高速切削刀具材料的发展应用研究. 机械设计与制造. 2012（11）
[3] 刘战强，万熠，周军 高速切削刀具材料及其应用. 机械工程材料 2006，30（5）
[4] 刘战强， 艾兴 高速切削刀具的发展现状. 工具技术. 2001，35（3）
[5] 王昱才 试述高速切削刀具材料的研究与选择. 民营科技. 2011（6）
[6] 孙哲 高速切削刀具探析. 职业. 2009（26）
[7] 张宁菊 高速切削刀具研究. 机械设计与制造2005（12）
作者简介：张海云（1990—），男，汉族，上海第二工业大学机电工程学院在读本科生
关键词： 刀具材料 高速切削
0 引言
高速切削时的重要问题是刀具磨损。与普通切削相比，高速切削时刀具与工件的接触时间减少，接触频率增加，切削过程所产生的热量更多地向刀具传递，刀具磨损机理与普通切削有很大区别。因此需要研究不同高速切削刀具材料的特性，以便更好地选用刀具。
1.高速切削对刀具材料的要求
高速切削过程中刀具承受的压力大、温度高以及相对剧烈的摩擦。为保证高速切削中刀具的使用寿命，其材料除应具备一般刀具的基本性能外，还应具有更高的要求。
1.1.刀具材料的基本性能有：
1.1.1.高硬度和高耐磨性，一般要求在HRC60以上；
1.1.2.足够的强度和韧性，以便承受切削力、冲击和振动，防止刀具脆性断裂和崩刃；
1.1.3.充足的耐热性，使刀具能承受较高切削温度；
1.1.4.良好的工艺性能和经济性。
1.2.刀具材料的特殊要求：
1.2.1.可靠性：高速切削一般在数控机床或者加工中心上进行，刀具应具有很高的可靠性，要求刀具的寿命高、质量一致性好，切削刃的重复精度高。如果刀具可靠性差，将会增加换刀时间，降低生产率，这将使高速切削加工失去意义。如果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。
1.2.2.高耐热性和抗热冲击性能：高速切削加工时切削温度很高，要求刀具材料的熔点高、氧化温度高、耐热性好、抗热冲击能力强。
1.2.3.良好的高温力学性能：要求刀具材料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。
1.2.4.刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要。
1.2.5.良好的工艺性能和经济性：刀具材料应具备好的锻造性能、热处理性能、焊接性能、磨削加工性能等，而且要追求高的性能价格比。
2.高速切削刀具材料
2.1.高速钢与硬质合金刀具
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、小直径铣刀等。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。
硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物和金属粘结剂在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89 HRA～93HRA，760℃时其硬度为77 HRA ～85HRA，在800℃～1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但是，硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1/8 ～1/30。因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。
国际通用的刀具用硬质合金分为六类，分别为P类、K类、M类、H类、S类和N类。其中，最常用的是前三类硬质合金，即：（1）钨钽钴类硬质合金（P类），常用牌号有YT5、YT15、YT30。此类合金有较高的硬度和耐磨性，抗黏结扩散能力和抗氧化能力好；但抗弯强度、磨削性能和导热系数下降，低温脆性大，韧性差，适于高速切削钢料。合金Co含量增加，抗弯强度和冲击韧性越好，适于粗加工，Co含量减少，硬度、耐磨性及耐热性增加，适于精加工。但合金中Ti和工件中Ti元素间的亲合力会产生严重的黏刀现象，不适于加工不锈钢和钛合金。（2）钨钴类硬质合金（K类），常用牌号有YG3X、YG6、YG8。此类合金韧性、磨削性好，并且导热性也较好，适于加工铸铁等脆性材料、有色金属材料及其合金以及导热系数低的不锈钢和对刃口韧性要求高的钢料等。（3）钨钛钽钴类硬质合金（M类），常用的牌号有YWl和YW2。常用来加工铸铁材料、有色金属和钢料，也可以加工高温合金、不锈钢等难加工材料。
2.2.涂层刀具
涂层刀具是在刀具基体上涂敷硬质耐磨金属化合物薄膜，以达到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金等。
涂层刀具可以分成硬涂层刀具和软涂层刀具。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛（TiN）、碳化钛（TiC）、氧化铝（Al2O3）、碳氮化钛（TiCN）、氮化铝钛（TiAlN）.碳氮化铝钛（TiAlCN）等。硬涂层刀具的主要特点是硬度高、耐磨性能好。软涂层刀具是以二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）作为涂层材料的高速钢刀具，软涂层刀具可以减少磨擦，降低切削力和切削温度。涂层可以是单涂层，也可以是双涂层或多涂层，甚至是几种涂层材料复合而成的复合涂层。复合涂层可以是TiC-Al2O3-TiN，TiCN和TiAlN多元复合涂层，最新又发展了TiN/NbN，TiN/CN等多元复合薄膜。TiN涂层的硬度高、耐磨性好，TiC涂层与金属的亲合力小，抗氧化性强，TiAlN具有良好的高速切削性能，而Al2O3涂层有良好的热稳定性。TiAlN层在高速切削中性能优异，其抗高温氧化温度可达800℃。
2.3.陶瓷刀具
陶瓷刀具为高速切削最重要的刀具材料之一。国际上现已发展的陶瓷刀具主要是氧化铝基（Al2O3）和氮化硅基（Si3N4）两大系列，添加各种各样的氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等，经过冷压制成形后烧结而成的一种非金属材料。陶瓷材料与硬质合金相比，其具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。1200℃时其硬度可达HRC58，可以加工硬度为HRC65的高硬度难加工材料。同时其化学性能稳定，耐氧化，摩擦因数低，刀具耐用度比硬质合金提高10～20倍，其红硬性比硬质合金高（2～6）倍，切削效率提高（3～10）倍，广泛用于高速精切削加工中。 此外金属陶瓷刀具具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性、抗氧化能力强和化学稳定性好。金属陶瓷可制成钻头、铣刀与滚刀。如日本研制的金属陶瓷滚刀，Vc=600m/min，约是硬质合金滚刀的10～20倍，加工表面粗糙度值Rmax为2μm。
2.4.立方氮化硼（CBN）刀具
立方氮化硼（CBN）刀具是一种仅次于金刚石的硬度极高的刀具材料（可达8000HV ～9000HV），通常加工材料硬度大于48HRC时工作效果最好，而加工软材料时CBN磨损很快。温度高到2000℃时有极佳的红硬性，是高速精加工或半精加工淬火钢、冷硬铸铁、高温合金等的理想刀具材料。虽然和硬质合金相比，CBN更脆且导热性和化学稳定性低于陶瓷，但它具有比陶瓷刀具更高的冲击强度和抗破裂性，而且对于刚性较低的机床也能切削硬金属。由于CBN刀具加工高硬度零件时可获得良好的加工表面粗糙度，因此采用CBN刀具可实现“以切代磨”，“以铣代磨”，大幅提高加工效率。
据悉，来自美国芝加哥大学等多所高校的科学家组建的一支研究小组，将一种类似俄罗斯套娃的氮化硼微粒在1800℃高温下压缩至15GPa，令晶体材料发生重组，变得更加坚硬。这种立方氮化硼超越了钻石的硬度，其维氏硬度达到108 GPa，而合成钻石的维氏硬度为100 GPa。未来这种超硬材料与当前商用较低硬度的立方氮化硼价格相当，或许未来可用于切削加工。
2.5.金刚石刀具
可用于刀具材料的金刚石有四类：天然金刚石、人工合成单晶金刚石、聚晶金刚石和化学气相沉积金刚石涂层刀具。
天然金刚石具有自然界物质中最高的硬度和导热系数。但由于价格昂贵，加工、焊接都非常困难，除少数特殊用途外（如加工微机械零件、光学镜面和首饰雕刻等加工），很少作为切削工具应用在工业中。
人工合成单晶金刚石刀具有很好的尺寸、形状和化学稳定性，主要用来加工木材，如高耐磨Al2O3涂层的木地板。
聚晶金刚石（PCD）是以钴作为粘结剂，在高温高压（1000℃～2000℃，5～10万个大气压）下烧结而成的。聚晶金刚石刀具具有优异的耐磨性，可用来切削有色金属及非金属材料的高速、高精度、高稳定性加工。
化学气相沉积（CVD）金刚石涂层刀具适合于高速加工铝及其它有色金属如紫铜、黄铜和青铜，还可以用来加工石墨制品、复合材料，如玻璃纤维增强塑料和酚醛树脂等。CVD金刚石薄膜涂层刀具应用于复杂形状的刀具，如带断屑槽的刀片、整体立铣刀、刨刀和钻头等。金刚石厚膜涂层刀具常用来高速切削过共晶铝合金。
人工合成单晶金刚石，PCD与CVD各自的性能特点：人工合成单晶金刚石刃口质量，抗磨损性和抗腐蚀性最好，焊接性、机械磨削性和断裂韧性最差。PCD焊接性、机械磨削性和断裂韧性最高，抗磨损性和刃口质量居中，抗腐蚀性最差。CVD抗腐蚀性最好，机械磨削性、刃口质量和断裂韧性和抗磨损性居中，可焊接性差。
此外，碳和铁的亲和作用，特别是在高温下，金刚石能和铁发生化学反应，因此它不宜于切削铁及其合金工件。
3.总结
高速切削刀具材料的发展制约着现代制造业中高速切削加工技术的发展。高速钢、硬质合金、金刚石、陶瓷和立方氮化硼刀具材料因其各自的特点与性能，广泛的应用于高速切削领域中。随着社会的发展和科学的进步，必然会出现更加难以加工的材料。因而，对高速切削材料会提出更高的要求。所以研究具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高抗热震性的高速切削刀具势在必行。
参考文献：
[1] 艾兴，刘战强，赵军，邓建新，宋世学 高速切削刀具材料的进展和未来. 制造技术与机床. 2001（8）
[2] 祝溪明 高速切削刀具材料的发展应用研究. 机械设计与制造. 2012（11）
[3] 刘战强，万熠，周军 高速切削刀具材料及其应用. 机械工程材料 2006，30（5）
[4] 刘战强， 艾兴 高速切削刀具的发展现状. 工具技术. 2001，35（3）
[5] 王昱才 试述高速切削刀具材料的研究与选择. 民营科技. 2011（6）
[6] 孙哲 高速切削刀具探析. 职业. 2009（26）
[7] 张宁菊 高速切削刀具研究. 机械设计与制造2005（12）
作者简介：张海云（1990—），男，汉族，上海第二工业大学机电工程学院在读本科生