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魔高一尺,道高一丈

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瀏覽:- 發布日期:2016-11-22 14:03:58【

柯博士刀具漫談系列之二:

- 漫談刀具材料發展的不平之路

阿諾精密切削技術有限公司 柯亞仕 博士

 在人類文明發展的歷史長河中,刀具的進步也起到了舉足輕重的作用。可以這么說,刀具材料的推陳出新往往是一個新社會制度的變更基礎!不是嗎?在遠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,所以對應的是人類的原始社會。青銅材料的出現讓刀具性能大大提高,同時也開發出更多種類的刀具,如青銅銼、青銅鋸等等。對應青銅器時代的是人類的奴隸社會。鐵材料的開發成功使人類的發展進入歷史快車道,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,同時也促使社會進入封建社會。工具鋼的出現揭開了現代金屬加工的序幕,同時也為人類進入資本主義社會鋪平了道路!高速鋼的廣泛應用掀起了資本主義的高速發展。而硬質合金材料和超硬材料的開發成功直接驅使現代金屬加工業進入黃金時代,同時也為人類進入現代化社會生活奠定了物質基礎。  

人類從很早開始就認識到刀具和刀刃材料的重要性。據考證,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合金刀具。

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

理想的刀具材料應當具有“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”、“戰國”和秦朝的時期,我們的祖先已進人封建社會,鋼、鐵工具開始出現,碳素工具鋼就開始得到應用。據文獻報道,那時的碳素工具鋼與現代的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”,“重農輕工”,先進的刀具材料除了鑄就寶劍外并沒能發揮出其金屬切削領域的優秀潛能,所以,也沒能創造出燦爛的工業文明。一次讓中國順利進入資本主義社會的機遇就這樣錯過了!

錯過機遇的后果十分嚴重:由于缺少工業機加工的相應需求,我們的工具材料發展在此后多少個世紀里幾乎進入了停滯的境地。在那時期,西方的文明本來發展就很慢,也沒有大的建樹。直到十九世紀下葉開始,歐洲開始引領風騷:工業革命的蓬勃發展帶動了材料工業的迅速發展。各種高性能的合金鋼不斷地被開發成功,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,必須研發出性能更優的刀具材料。

1865年,英國的Rohert Mushet發明了合金工具鋼,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。

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                                                                                   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25m/min),故稱為高速鋼。

高速鋼的出現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,并要求完全改變機床的結構,以適應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行著孜孜不倦的改進(現代高速鋼切削鋼材的速度可達40 m/min以上)。直至今日,高速鋼還是金屬切削業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。硬質合金的出現再一次改變了這樣無奈的局面。

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

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

最初研制的WC-Co硬質合金的耐熱性達到800 ℃ ,切削速度提高到40 m/min以上。但存在沖擊強度低、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合金刀具的切削速度達到200m/min以上。

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

通過多年的發展,國內完全能生產加工常規被加工材料的硬質合金刀具和棒料。但對加工高溫合金、復合材料等難加工材料的硬質合金刀具與國際水平還有不少差距。

硬質合金材料的出現與發展,進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“刀具技術的第一次革命”。

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

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                                                                                           2005年阿諾刀具的硬質合金強力鉆

20世紀中期市場上出現了氧化鋁及氧化鋁基復合陶瓷,稍后又出現了氮化硅及氮化硅基復合陶瓷。陶瓷刀具在近幾年有很大發展,應用也越來越廣。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,刀具壽命可比硬質合金長幾倍。然而,陶瓷與硬質合金相比,盡管其切削性能也有很大的提高,但其強度、韌性和可加工性的不足畢竟會影響陶瓷刀具的未來發展前景。

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年投入工業生產。

人造金剛石聚晶的發展始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生結合的美國專利。1966年,英聯邦De Beers公司用金屬作粘結劑制成了金剛石聚晶。但一般認為,GE公司1970年公布,1972-1973年正式商品生產的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。

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

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                                                                                                                 阿諾的金剛石刀具

工件材料與刀具材料的交替進展、相互促進,成為切削技術不斷向前發展的歷史規律。20世紀前半、后半時期分別是高速鋼、硬質合金大發展的年代。近50年中,硬質合金不斷提高自身的切削性能,發展了許多新品種,從高速鋼的領域中占領了大片陣地,成為當前用量超過一半的刀具材料,這是當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。可以這樣預計,硬質合金的使用范圍將進一步擴大;高速鋼憑借其綜合性能的優勢,仍將占有一定的傳統陣地。由于資源、價格和性能的原因,陶瓷材料亦將得到發展,代替一部分硬質合金刀具。隨著鎂鋁合金等材料的廣泛應用,金剛石刀具的份額將會不斷提高。

總結刀具材料的發展歷程,我們看到,常規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方法,而C-13,C-60的驚人性能無疑又為刀具材料的研發工作注入了一針興奮劑。怎樣創新?是否需要跳出常規思路?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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