硬質(zhì)合金是一種硬度非常高的材料，在主要用于金屬切削加工的切削刀具中得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)械加工業(yè)，所提及的合金或鎢鋼通常指的就是此類硬質(zhì)合金材料。采用硬質(zhì)合金刀具可收獲諸多優(yōu)點(diǎn)。相比于高速鋼刀具，在絕大多數(shù)案例中，使用硬質(zhì)合金刀具加工工件不僅可收獲更佳的被加工表面質(zhì)量，還可獲得更高的加工速度;硬質(zhì)合金刀具能承受更高的切削熱，這也是其能實(shí)現(xiàn)更高金屬去除率的主要原因。當(dāng)加工高合金鋼或不銹鋼這類不易加工的被加工材料時(shí)，或在大批量生產(chǎn)以及產(chǎn)能擴(kuò)充的場合，諸如此類高速鋼刀具容易快速磨損的情況下，硬質(zhì)合金刀具的采用通常能使得切削表現(xiàn)更佳。

　　硬質(zhì)合金刀片的緣起

　　硬質(zhì)合金刀具工業(yè)化應(yīng)用于金屬切削始于二十世紀(jì)三十年代。從那以后，硬質(zhì)合金就演變成了迄今為止最為常見的刀具材料。尺寸相對(duì)小的刀具往往由整體硬質(zhì)合金制成;非整體硬質(zhì)合金刀具僅在切削區(qū)域采用硬質(zhì)合金。早期的非整體硬質(zhì)合金刀具往往將硬質(zhì)合金焊接至刀體上。到二十世紀(jì)四十年代，硬質(zhì)合金刀具制造商們就已開始生產(chǎn)夾持可換式機(jī)夾刀片的刀具，并因此受益。相比于早前的焊接式刀具，這一腦洞大開的技術(shù)創(chuàng)新及對(duì)機(jī)械式夾緊結(jié)構(gòu)的采用使得刀具強(qiáng)度更高;現(xiàn)在已被公認(rèn)為里程碑式的發(fā)明，不止于工具制造業(yè)領(lǐng)域，還包括為整個(gè)金屬加工業(yè)帶來先進(jìn)而高效的加工。

　　這一長足的進(jìn)步為加工制造領(lǐng)域開啟了廣闊的提升空間，并立即提高了刀具的承載能力，使得刀具擁有快速去除金屬的能力。除卻為刀片因磨損失效或破損失效時(shí)更換刀片變得更簡便而經(jīng)濟(jì)帶來成本降低做出保障外，還使得能分別制造切削模塊及刀體。刀片的更換往往需要考慮其形狀，快速更換失效的切削刃有幾種方式，除了沿刀片中心軸線轉(zhuǎn)位外，也有反轉(zhuǎn)刀片正反面的情況。如今最被業(yè)界認(rèn)可的廣泛傳播的“可轉(zhuǎn)位刀片”這一稱謂，曾經(jīng)也被稱作：可棄式刀尖、可更換式刀片、可替換式刀片。

　　硬質(zhì)合金刀片的生產(chǎn)

　　可轉(zhuǎn)位刀片的生產(chǎn)技術(shù)基于粉末冶金技術(shù)，生產(chǎn)流程如下：硬質(zhì)合金混合料制備;壓制;燒結(jié);燒結(jié)后處理工序;涂層。盡管數(shù)十年來以上基本工序保持不變，但與此同時(shí)來自科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步卻對(duì)刀片的生產(chǎn)制造產(chǎn)生了顯著的影響。

　　在過去，刀片壓坯往往由人工進(jìn)行壓制。因此，要對(duì)具有不同壓制密度的混合料壓坯統(tǒng)一進(jìn)行燒結(jié)變得非常困難甚至難以操作。隨著越來越多具有前沿的自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)工業(yè)設(shè)備走進(jìn)硬質(zhì)合金制造企業(yè)，硬質(zhì)合金生產(chǎn)過程的技術(shù)控制越來越穩(wěn)定、可控及可靠。其結(jié)果就是所生產(chǎn)刀片的機(jī)械加工性能變得越來越一致、加工結(jié)果具有可預(yù)見性且不因刀片批號(hào)不同導(dǎo)致加工結(jié)果不同;新技術(shù)還使得燒結(jié)刀片的尺寸公差帶更窄，精度更高，硬質(zhì)合金刀片性能得到極大提升。

　　現(xiàn)如今，一臺(tái)典型的刀片壓機(jī)往往是由計(jì)算機(jī)控制的高度集結(jié)了工程學(xué)的設(shè)備。某些壓機(jī)的設(shè)計(jì)還可進(jìn)行多軸向壓制。來自壓制技術(shù)的非凡進(jìn)步使得生產(chǎn)具有復(fù)雜形狀的刀片成為可能，比如刀尖高度差異非常大的刀片(圖1)。先進(jìn)的壓制技術(shù)確保能收獲更優(yōu)化的刀片形狀，不僅能保證刀片表面的光滑與刀片生產(chǎn)過程的穩(wěn)定，還提高了刀片表面的精度等級(jí)(圖2)。此外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)(CAD/CAM)的應(yīng)用也為刀片的生產(chǎn)制造帶來了益處，使得提高刀片設(shè)計(jì)水平及獲得更佳的壓制模具部件形狀及精度成為可能。并且具有以最終燒結(jié)產(chǎn)品為導(dǎo)向來模擬壓制生產(chǎn)過程的能力，在設(shè)計(jì)的初始階段，就能從設(shè)計(jì)的角度對(duì)壓制燒結(jié)結(jié)果予以修正以促使成功研制出新刀片。

　　對(duì)刀片燒結(jié)先進(jìn)技術(shù)的掌控也有助于在生產(chǎn)過程中提高刀片的品質(zhì)。在燒結(jié)過程進(jìn)行工藝控制以獲取非均勻結(jié)構(gòu)的梯度硬質(zhì)合金基體，確保合金表面帶有薄層的富鈷層。帶有梯度層的硬質(zhì)合金基體能阻斷表面裂紋的發(fā)展，保障了硬質(zhì)合金基體具有更佳的抗脆裂性及抗破損性。當(dāng)今，梯度硬質(zhì)合金基體往往應(yīng)用于進(jìn)行車削加工的刀具中。

　　涂層技術(shù)的發(fā)展

　　直到二十世紀(jì)八十年代尚未出現(xiàn)涂層的硬質(zhì)合金牌號(hào)。那時(shí)，為使得硬質(zhì)合金能通用于不同工程材料的加工，刀具制造商們通過添加不同的添加劑(如硬質(zhì)相或金屬添加劑)來制取不同硬質(zhì)合金牌號(hào)。涂層技術(shù)的采用極大地促進(jìn)了全球機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展;現(xiàn)今絕大多數(shù)硬質(zhì)合金牌號(hào)都是涂層的。這一新技術(shù)還帶來額外好處，使得某些牌號(hào)可專用于某類特定的被加工材料的加工。不需要往硬質(zhì)合金基體添加品類繁多的添加劑;這減少了硬質(zhì)合金基體牌號(hào)，生產(chǎn)過程控制更穩(wěn)定。

　　涂層硬質(zhì)合金的引入及該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展顯著提高了刀具的切削速度。從加工實(shí)例來看，三十年前，采用伊斯卡非涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)IC20車削灰鑄鐵的切削速度大約為100 m/min;現(xiàn)在，采用伊斯卡涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)IC5005的切削速度達(dá)600 m/min。在另一案例中，相同時(shí)期，采用伊斯卡非涂層牌號(hào)IC50M銑削馬氏體不銹鋼的切削速度為80 m/min;現(xiàn)在采用涂層牌號(hào)IC5500的切削速度達(dá)300 m/min。這些令人印象深刻的數(shù)據(jù)充分解讀了涂層硬質(zhì)合金為刀具切削速度的提升帶來的跨越式發(fā)展。

　　涂層技術(shù)主要沿兩個(gè)基本方向持續(xù)發(fā)展：化學(xué)氣相沉積涂層(CVD)及物理氣相沉積涂層(PVD)。CVD涂層的重大發(fā)展來自于對(duì)氧化鋁陶瓷涂層的引入。氧化鋁陶瓷涂層在高溫下具有出色的隔熱性能、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性，這使得刀具能以更高的切削速度加工。

　　PVD涂層于二十世紀(jì)八十年代末期被引入到硬質(zhì)合金生產(chǎn)中。PVD涂層因在納米級(jí)涂層領(lǐng)域克服了生產(chǎn)制造中的諸多難題實(shí)現(xiàn)了突破性的發(fā)展。PVD涂層因此能提供全新等級(jí)的耐磨性更高的納米涂層。相比于常規(guī)PVD涂層方式，(圖3)所示的涂層由最大值為50 nm(納米)的涂層復(fù)合而成，已被證明大大提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

　　現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使得操作人員能對(duì)刀片涂覆CVD及PVD兩種涂層，復(fù)合涂層方式對(duì)涂層性能的控制更佳。例如，伊斯卡硬質(zhì)合金牌號(hào)DT7150就是在韌性的基體上進(jìn)行中溫化學(xué)涂層(MT CVD)及TiAlN (PVD)涂層。而最初研發(fā)此涂層的目的是提高具有特殊用途的硬鑄鐵的生產(chǎn)率。

　　刀片技術(shù)的另一主要先進(jìn)生產(chǎn)制造方式就是涂層后處理技術(shù)。例如，伊斯卡推出的束魔技術(shù)(SUMOTEC)就采用了對(duì)已完成表面涂層的刀片進(jìn)行后序處理的方法。前沿的束魔涂層后處理技術(shù)提高了硬質(zhì)合金牌號(hào)的強(qiáng)度及耐磨性，使得生產(chǎn)率更高。對(duì)于CVD涂層而言，因硬質(zhì)合金基體與涂層熱膨脹系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。而PVD涂層則有表面液滴殘留的問題。以上因素給涂層帶來了負(fù)面影響并因此縮短了刀片壽命。采用束魔涂層后處理技術(shù)則顯著降低甚至免除了這些不利因素的影響，除了收獲更高的刀具壽命，還能大幅提高生產(chǎn)率(圖4及圖5)。

　　伊斯卡近期推出的硬質(zhì)合金牌號(hào)IC6025推薦用于諸如奧氏體不銹鋼及雙相不銹鋼這類ISO M材料組的車削加工。該牌號(hào)采用了多涂層及涂層后處理技術(shù)，能顯著提高航空工業(yè)領(lǐng)域材料的車削加工效率(圖6)。

　　伊斯卡推出的硬質(zhì)合金牌號(hào)IC806是最前沿硬質(zhì)合金牌號(hào)的代表，適用于高溫合金的車削及切槽加工。IC806是采用了束魔涂層后處理技術(shù)的PVD涂層牌號(hào)，為高溫合金，尤其是鉻鎳鐵合金(Inconel 718)的加工提供了優(yōu)異的備選方案。

　　鉻鎳鐵合金(Inconel 718)歸屬于鎳基超級(jí)合金，廣泛應(yīng)用于對(duì)零部件材料有耐高溫、耐腐蝕性能要求的場合。該材料在航空航天工業(yè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用，如制作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件，也被制作為各種石油工業(yè)領(lǐng)域部件。

　　鉻鎳鐵合金(Inconel 718)的金相組織顯示其具有高抗拉強(qiáng)度及抗屈服強(qiáng)度的奧氏體結(jié)構(gòu)。加工Inconel 718所遭遇的主要問題是刀片切削刃的溫度非常高。這是由于材料中所含的50-55%高鎳和17-21%高鉻，在加工中作為磨料磨損刀片，導(dǎo)致刀片因高磨損率、崩刃、溝槽磨損及破損而失效。即便是在低切削速度下，這些因素也會(huì)使得刀具壽命降低，切削刃產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。

　　Inconel 718加工的另一復(fù)雜影響因素是其性能具有發(fā)生改變的趨勢(shì)，這源于加工過程中因冶金敏感性導(dǎo)致殘余應(yīng)力以及自硬性效應(yīng)。伊斯卡以高效加工這一特定材料為目標(biāo)，成功研制出IC806牌號(hào)。該牌號(hào)在超細(xì)晶?；w上進(jìn)行TiAlN(PVD)涂層并進(jìn)行束魔涂層后處理(SUMO TEC)，具有更加出色的耐磨性，顯著提高了刀具壽命，并且更可靠。

　　結(jié)語

　　硬質(zhì)合金刀片生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步來自于多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。更前沿的壓制技術(shù)、燒結(jié)技術(shù)、涂層技術(shù)及涂層后處理技術(shù)，更多樣的表面處理方式，能對(duì)刀片切削刃進(jìn)行更優(yōu)化的處理共同使得生產(chǎn)制造的可轉(zhuǎn)位刀片能為現(xiàn)代化金屬加工業(yè)提供更適合的滿足其高效加工需求的解決方案。