硬质合金刀具材料的研究现状与前景

1引言

传统wc基硬质合金刀具是目前市场上应用量最多的刀具。我国钨资源较为丰富,钴资源却极其稀少，如图1所示，钴资源对进口依赖性很高，使硬质合金的发展受限。同时，Co 元素对人体健康有害,因此减少Co的使用，开发无粘结相硬质合金刀具具有实际意义。随着难加工材料的应用越来越多，一些新型材料对刀具性能要求的提高，传统硬质合金刀具已不能满足部分材料加工要求。

无粘结相wc基硬质合金是指不含或含少量金属粘结剂( <0. 5% ,质量分数)的硬质合金材料,也可称为WC基的金属陶瓷材料，是近年来兴起和发展的材料,具有优异的耐腐蚀性、抗氧化性、耐磨性及红硬性[3,4]。目前在机械加工刀具、矿山开采器械、模具和耐磨件等领域已有运用。但由于缺少粘结相，无粘结相刀具材料难以致密化，韧性过低的不足限制了其发展,特别是在刀具方面的应用。本文对国内外关于无粘结相硬质合金刀具的研究成果进行综述,阐述当前无粘结相硬质合金刀具运用和发展的困难和问题,并对未来无粘结相硬质合金刀具的发展做出合理的推测。

2、常用难加工材料加工刀具

随着科技的发展，钛合金、高温合金、超强度钢以及复合材料等难加工材料在航天航空、采矿、兵器等工业的应用越来越广，但这些难加工材料存在切削力大、切削温度高、刀具磨损严重等问题，一直都是切削加工的难题。

(1)传统硬质合金刀具

传统硬质合金刀具主要包括YT(钨钴钛合金)类、yWV(钨钻钛租合金)类、yG钨钴合金)类，硬度在S5RA以上，抗弯强度、冲击韧性较好，可承受850100高温，具有优越的综合性能,在切削加工中得到广泛应用，是目前应用最广泛的刀具”。但粘结相(铁族金属)化学性质活泼,易腐蚀和氧化，且不耐高温。因此,在一- 些加工温度高、化学性质活泼的难加工材料加工中，如钛合金加工,刀具易发生溶解扩散磨损、粘接磨损和氧化磨损等，大大缩短了刀具使用寿命，同时影响材料表面加工质量[6]

 (2)涂层硬质合金刀具

涂层硬质合金刀具是通过化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)等方法，在硬质合金刀具基体上覆盖一层高硬度材料。涂层硬质合金刀具比传统硬质合金刀具拥有更高的表面硬度。因此加工高硬度难加工材料时，具有更好的切削性能，在一定程度上改普了传统硬质合全力其任能，延权了刀具使用寿命，但涂层常损后，修线困难，服年较高，不适宜在大规模常用件的加工中使用。

(3)陶瓷刀具

陶瓷刀具兴起于20世纪80年代，比传统硬质合金刀具拥有更高的硬度、红硬性及耐磨性，且化学性质稳定,不与工件材料反应,但其韧性不足。在加工塑性较高的材料(如含碳量较低的钢材和塑料)时，具有良好的切削性能和使用寿命,因此在加工塑性材料中得到广泛应用。然而,陶瓷刀具在加工硬脆的难加工材料时,刀具承受冲击大，易发生崩刃破坏，大大缩短刀具使用寿命。

 (4)金刚石刀具及立方氮化硼刀具

金刚石刀具( PCB)材料在目前已知刀具材料中硬度最高，同时具有高的导热性和弹性模量，低的膨胀系数和摩擦系数。因碳元素易与铁元素发生反应，因此，金刚石刀具无法加工铁及其合金材料，但对铝合金材料具有良好的切削性能，切削速度可达2500 - 5000m/ min。立方氮化硼( CBN)刀具兴起于20世纪50年代，硬度稍次于金刚石刀具。立方氮化硼刀具具有高的红硬性、导热性且化学性质稳定，切削性能明显优于传统硬质合金材料，适宜于精密的小批量难加工材料的加工。但立方氮化硼刀具价格昂贵,亦不适合大规模加工使用。

(5)无粘结相硬质合金刀具

无粘结相硬质合金刀具比传统硬质合金刀具拥有更高的硬度和红硬性，更优异的耐腐蚀性抗氧化性耐磨性，比陶瓷刀具具有更好的韧性，力学性能介于传统硬质合金刀具和陶瓷刀具之间(各种刀具材料性能对比见图2)，在加工一些发热量大、硬度高的难加工金属材料(如钛合金)时，具有更好的切削性能和更长的刀具使用寿命。