柯博士刀具漫談系列之二：

- 漫談刀具材料發(fā)展的不平之路

阿諾精密切削技術(shù)有限公司 柯亞仕 博士

 在人類文明發(fā)展的歷史長河中，刀具的進(jìn)步也起到了舉足輕重的作用?？梢赃@么說，刀具材料的推陳出新往往是一個新社會制度的變更基礎(chǔ)！不是嗎？在遠(yuǎn)古時代人類主要以石頭為工具，有舊石器時代、新石器時代之分。但石器畢竟只是對天然石頭的外形加工，思維簡單，所以對應(yīng)的是人類的原始社會。青銅材料的出現(xiàn)讓刀具性能大大提高，同時也開發(fā)出更多種類的刀具，如青銅銼、青銅鋸等等。對應(yīng)青銅器時代的是人類的奴隸社會。鐵材料的開發(fā)成功使人類的發(fā)展進(jìn)入歷史快車道，鐵制刀具大大提高了人類的加工能力，改善了人們的生活方式，同時也促使社會進(jìn)入封建社會。工具鋼的出現(xiàn)揭開了現(xiàn)代金屬加工的序幕，同時也為人類進(jìn)入資本主義社會鋪平了道路！高速鋼的廣泛應(yīng)用掀起了資本主義的高速發(fā)展。而硬質(zhì)合金材料和超硬材料的開發(fā)成功直接驅(qū)使現(xiàn)代金屬加工業(yè)進(jìn)入黃金時代，同時也為人類進(jìn)入現(xiàn)代化社會生活奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。  

人類從很早開始就認(rèn)識到刀具和刀刃材料的重要性。據(jù)考證，在原始社會就有人把堅硬的石刃緊固在木把上制成石刃木把刀具。這種重要性后來被概括為“好鋼用到刀刃上”的千古名言，到了上世紀(jì)中期刀具工程師們繼承了原始人的這一思路，開始大力推廣焊接式或夾持式硬質(zhì)合金刀具。

隨著人類文明的進(jìn)步，人們總是不斷地開發(fā)出新材料以滿足需要。為了能對開發(fā)出來的新材料進(jìn)行切削加工，人類總是在努力開發(fā)出比工件材料更硬的刀具材料。正所謂“魔高一尺，道高一丈”?，F(xiàn)代切削刀具材料經(jīng)歷了從碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金到陶瓷和超硬材料等一百多年的發(fā)展歷史。

理想的刀具材料應(yīng)當(dāng)具有“硬如金剛石，韌如高速鋼”的性能。無奈，符合這種要求的材料至今還沒有找到。很硬的材料往往很脆，韌性差。而韌性好的材料其硬度往往不夠高。另外，由于在金屬切削過程中要產(chǎn)生大量熱量、溫度很高，所以要求刀具材料必須具備良好的耐熱性，或稱紅硬性，即要求在高溫下還能保持高的硬度。

早在值得驕傲的“春秋”、“戰(zhàn)國”和秦朝的時期，我們的祖先已進(jìn)人封建社會，鋼、鐵工具開始出現(xiàn)，碳素工具鋼就開始得到應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)報道，那時的碳素工具鋼與現(xiàn)代的T10、T12等鋼種已十分接近，能承受200-250℃的切削溫度。但遺憾的是，我們的祖先過分“重文輕理”，“重農(nóng)輕工”，先進(jìn)的刀具材料除了鑄就寶劍外并沒能發(fā)揮出其金屬切削領(lǐng)域的優(yōu)秀潛能，所以，也沒能創(chuàng)造出燦爛的工業(yè)文明。一次讓中國順利進(jìn)入資本主義社會的機(jī)遇就這樣錯過了！

錯過機(jī)遇的后果十分嚴(yán)重：由于缺少工業(yè)機(jī)加工的相應(yīng)需求，我們的工具材料發(fā)展在此后多少個世紀(jì)里幾乎進(jìn)入了停滯的境地。在那時期，西方的文明本來發(fā)展就很慢，也沒有大的建樹。直到十九世紀(jì)下葉開始，歐洲開始引領(lǐng)風(fēng)騷：工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展帶動了材料工業(yè)的迅速發(fā)展。各種高性能的合金鋼不斷地被開發(fā)成功，但對這些材料的加工也越來越難。人們對碳素工具鋼刀具的加工效率就越來越不滿意，所以，必須研發(fā)出性能更優(yōu)的刀具材料。

1865年，英國的Rohert Mushet發(fā)明了合金工具鋼，能承受350℃的切削溫度，加工一般鋼材時切削速度可提高到10-12m/min。

                                                                                   1982年德國某著名刀具公司的高速鋼鉆頭

在1898年（也說1906年），美國的W.Taylor和M.White終于成功研制了所謂的高速鋼。由于其中加入了硬質(zhì)的碳化鎢，使之在高溫條件下（能夠承受550-600℃的切削溫度）硬度也不降低，所以可以高速加工（切削鋼材可達(dá)25m/min），故稱為高速鋼。

高速鋼的出現(xiàn)立即引起了切削加工的一次革命。它不但大大提高了金屬切削的效率，并要求完全改變機(jī)床的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)這種新刀具材料的高切削性能要求。一百多年來人們對這種材料的性能一直進(jìn)行著孜孜不倦的改進(jìn)（現(xiàn)代高速鋼切削鋼材的速度可達(dá)40 m/min以上）。直至今日，高速鋼還是金屬切削業(yè)中不可缺少的刀具材料。

但是，用高速鋼刀具來加工鎳基合金、模具鋼等材料時，其加工速度和壽命又讓人感到無法忍受。硬質(zhì)合金的出現(xiàn)再一次改變了這樣無奈的局面。

目前已占據(jù)刀具市場半壁江山的硬質(zhì)合金材料(英文：Carbide，德文：Hartmetall)是1923年德國人K.Schroeter發(fā)明的（順便提一下：Schroeter當(dāng)時得出的關(guān)于硬質(zhì)合金材料的結(jié)論至今還有效?。?。德國Krupp公司于1926年獲得此專利并開始開發(fā)、推廣。由于其出色的硬度，當(dāng)時就把公司冠名為“WIDIA”-Wie Diamant(德語，意為“硬似金剛石”），成分為: 94%WC+6%Co。

作為硬質(zhì)合金刀具發(fā)展中赫赫有名的先鋒，德國Widia公司為硬質(zhì)合金刀具初期的迅速發(fā)展以及刀具的涂層（1962年）作出了很大貢獻(xiàn)。2002年Widia公司被美國刀具巨頭肯納所收購。

最初研制的WC-Co硬質(zhì)合金的耐熱性達(dá)到800 ℃ ，切削速度提高到40 m/min以上。但存在沖擊強(qiáng)度低、性脆易破損等缺點。在隨后的八十年里，人們通過添加不同碳化物、減小晶粒的大小、改善涂層等措施使硬質(zhì)合金刀具的切削速度達(dá)到200m/min以上。

我國的硬質(zhì)合金發(fā)展事業(yè)始于上世紀(jì)50年代，不算太晚，比歐美才晚起步20年。由于軍工生產(chǎn)的需要，美、英、蘇、德各國在第二次世界大戰(zhàn)期間開始部分使用硬質(zhì)合金刀具。二戰(zhàn)結(jié)束后，開始民用。50年代初，我國才從蘇聯(lián)少量引進(jìn)硬質(zhì)合金，替代高速鋼刀具在生產(chǎn)中應(yīng)用（如果我們能早些引進(jìn)硬質(zhì)合金刀具并能在軍工生產(chǎn)中發(fā)揮出作用，這樣，打擊日本鬼子也許要痛快些）。接著，在蘇聯(lián)援助下，我國建設(shè)了株洲硬質(zhì)合金廠。后又自力更生，建成了自貢硬質(zhì)合金廠。經(jīng)過國人半世紀(jì)斷斷續(xù)續(xù)的努力，目前生產(chǎn)硬質(zhì)合金材料的廠家已經(jīng)很多。中國硬質(zhì)合金材料的產(chǎn)量早已居世界之首，成為名副其實的生產(chǎn)大國，但我們離硬質(zhì)合金生產(chǎn)強(qiáng)國還有些距離，還需要努力。

通過多年的發(fā)展，國內(nèi)完全能生產(chǎn)加工常規(guī)被加工材料的硬質(zhì)合金刀具和棒料。但對加工高溫合金、復(fù)合材料等難加工材料的硬質(zhì)合金刀具與國際水平還有不少差距。

硬質(zhì)合金材料的出現(xiàn)與發(fā)展，進(jìn)一步完成了從高速鋼開始的金屬切削革命，并使切削速度和效率有了跳躍性的提高，所以被稱為“刀具技術(shù)的第一次革命”。

但隨著玻璃、玻璃纖維、耐火材料、石墨、強(qiáng)化塑料、高硅鋁合金等材料的逐步應(yīng)用，硬質(zhì)合金刀具的壽命又無法滿足生產(chǎn)的需要。另外，硬質(zhì)合金刀具仍不能滿足現(xiàn)代高硬度工件材料和超精密加工的要求。所以，人們又必須開發(fā)出更硬、更耐磨的刀具材料以滿足這種需求。

                                                                                           2005年阿諾刀具的硬質(zhì)合金強(qiáng)力鉆

20世紀(jì)中期市場上出現(xiàn)了氧化鋁及氧化鋁基復(fù)合陶瓷，稍后又出現(xiàn)了氮化硅及氮化硅基復(fù)合陶瓷。陶瓷刀具在近幾年有很大發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣。利用陶瓷刀具加工鋼、鑄鐵、淬硬鋼、高錳鋼和鎳基高溫合金時，刀具壽命可比硬質(zhì)合金長幾倍。然而，陶瓷與硬質(zhì)合金相比，盡管其切削性能也有很大的提高，但其強(qiáng)度、韌性和可加工性的不足畢竟會影響陶瓷刀具的未來發(fā)展前景。

天然金剛石是迄今為止世界上最硬的材料，也很早就被用于加工高硬度的材料。無奈這種材料不但價格昂貴，而且供應(yīng)也受局限。所以，材料工程師們一直在尋求一種替代品。

的確是不負(fù)眾望，1954年美國通用電氣公司采用高溫高壓的方法成功地合成了人造金剛石。這個消息對刀具工程師們而言無疑是振奮人心的。我國的工程師們自然不會服輸，知道“落后就要挨打”的道理。所以，中國在1961年開始設(shè)計制造超高壓高溫裝置，于1963年合成出第一顆人造金剛石，并于1965年投入工業(yè)生產(chǎn)。

人造金剛石聚晶的發(fā)展始60年代初期，1964年美國GE公司首次申請了以某些金屬添加劑使金剛石之間產(chǎn)生結(jié)合的美國專利。1966年，英聯(lián)邦De Beers公司用金屬作粘結(jié)劑制成了金剛石聚晶。但一般認(rèn)為，GE公司1970年公布，1972-1973年正式商品生產(chǎn)的Compax具有劃時代的意義。自此以后，聚晶金剛石得到了快速的發(fā)展。

人造金剛石刀具主要用于加工有色金屬和非金屬，如鋁、高硅鋁合金、銅、錳、鎂、鉛、鈦等有色金屬和硬紙板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纖維花崗巖、石墨、尼綸、強(qiáng)化塑料等費磨非金屬材料。例如，用金剛石刀片加工玻璃纖維時，其壽命比硬質(zhì)合金刀片要提高150倍！

適用于加工黑色金屬的超硬材料主要是CBN。CBN最適合于加工各種硬度在HRC45以上的淬硬鋼(碳素鋼、軸承鋼、模具鋼、高速鋼等）和高溫合金。

在現(xiàn)代化金屬加工車間，例如汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)車間，你會看到不同材料的刀具都在發(fā)揮其最大的作用：高速鋼的絲錐和拉刀、硬質(zhì)合金的鉆頭和銑刀、PCD和CBN的鉸刀、銑刀及刀片、陶瓷鉆頭和陶瓷刀片等等。

                                                                                                                 阿諾的金剛石刀具

工件材料與刀具材料的交替進(jìn)展、相互促進(jìn)，成為切削技術(shù)不斷向前發(fā)展的歷史規(guī)律。20世紀(jì)前半、后半時期分別是高速鋼、硬質(zhì)合金大發(fā)展的年代。近50年中，硬質(zhì)合金不斷提高自身的切削性能，發(fā)展了許多新品種，從高速鋼的領(lǐng)域中占領(lǐng)了大片陣地，成為當(dāng)前用量超過一半的刀具材料，這是當(dāng)年人們所未能估計到的。目前，二者一起已占有90%以上的刀具市場份額?？梢赃@樣預(yù)計，硬質(zhì)合金的使用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大；高速鋼憑借其綜合性能的優(yōu)勢，仍將占有一定的傳統(tǒng)陣地。由于資源、價格和性能的原因，陶瓷材料亦將得到發(fā)展，代替一部分硬質(zhì)合金刀具。隨著鎂鋁合金等材料的廣泛應(yīng)用，金剛石刀具的份額將會不斷提高。

總結(jié)刀具材料的發(fā)展歷程，我們看到，常規(guī)刀具材料的主體成分是碳化物、氮化物、氧化物和硼化物。一般的方法是在這些化合物里添加特別元素，讓其性能符合我們的需要。例如，在硬質(zhì)合金里添加稀土元素以提高沖其韌性和耐磨性等等。用石墨合成為人造聚晶金剛石則已跳出了這個常規(guī)方法，而C-13，C-60的驚人性能無疑又為刀具材料的研發(fā)工作注入了一針興奮劑。怎樣創(chuàng)新？是否需要跳出常規(guī)思路？人類到底能否找到一種理想的刀具材料？“Nothing is impossible!”的廣告詞正是我們的心聲。

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