木工刀具硬质合金应用现状和发展趋势

admin

木工刀具硬质合金应用现状和发展趋势
李晓旭1， 李黎2

【作者机构】        1国家林业局北京林业机械研究所； 2北京林业大学材料科学与技术学院
【来    源】        《林业机械与木工设备》 2010年第8期

介绍了木材切削加工用硬质合金刀具材料的性能以及研究和应用现状，重点阐述了涂层硬质合金的研究成果和应用领域。结合木材和木质复合材料切削加工特点，探讨硬质合金木工刀具在木材加工工业中应用的可行性。

关键词：木工刀具；硬质合金；发展

[size=1em]切削加工是木材工业生产中最基本、最广泛、最重要的工艺之一，直接影响生产效率、加工成本和能源消耗。随着木材工业技术的进步，各种木质复合材料、贴面板、木、竹集成材，尤其是三聚氰胺浸渍纸贴面板、PVC贴面板、Al2O3强化贴面板等材料越来越多地用于家具、地板、屋面板和工程木制件等。这些材料很难切削加工，简单的切削工序、常规的刀具结构和普通的刀具材料难以胜任或根本无法实现切削加工。另外，随着木材工业技术的发展，人造板生产设备、制材设备、家具制造设备等正朝自动化程度高、功能全、进给快和生产效率高的方向发展。两方面技术的进步促进了切削刀具材料和制造技术的发展。

[size=1em]刀具能否进行正常的切削，切削质量的好坏，经久耐用的程度都与刀具切削部分的材料密切相关。切削过程中的各种物理现象，特别是刀具的磨损与刀具材料的性质关系极大。在机床允许的前提下，刀具的生产率基本上取决于其本身材料所能发挥的切削性能。对木工刀具的要求是在高速、并且承受冲击载荷的切削条件下能长时间保持切削刀具的锐利性能。为此，木工刀具的材料必须具备必要的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，一定的工艺性（如焊接、热处理、切削加工和磨削加工等）。

1 硬质合金刀具材料

[size=1em]硬质合金是由硬度极高、难熔的金属碳化物（WC，TiC）用Co、Ni等做粘结剂烧结而成的粉末冶金制品。其性能主要取决于金属碳化物的种类、性能、数量、粒度和粘结剂的用量。硬质合金的硬度为HRC74～81.5，其硬度随粘结剂含量的增加而降低。硬质合金中高温碳化物的含量超过高速钢，所以热塑性好，能耐高达800～1000℃的切削温度。600℃时超过高速钢的常温硬度，1000℃时超过碳钢的常温硬度。木材、木质复合材料切削加工刀具主要采用以金属钴（Co）做粘结剂、碳化钨（WC）为硬质相的YG类硬质合金。木工刀具用国产硬质合金牌号和性能见表1。

[size=0.8em]表1 硬质合金的牌号和性能

[size=1em]虽然近年来各种新型刀具材料层出不穷，但随着人造板工业和木材加工工业自动化的发展，硬质合金这种高耐磨性的材料已成为主要的木工刀具材料，并且在今后相当长一段时间内仍将在木材切削刀具材料中占据重要地位。由于硬质合金是脆性材料，其抗弯强度约为普通高速钢的1/4～1/2，冲击韧性约为普通高速钢的1/30～1/4，刀刃也不能磨得像高速钢那样锋利，所以需要研究开发新的材料制备技术，进一步改善和提高硬质合金刀具材料的切削性能。

2 硬质合金刀具材料研究和应用现状

[size=1em]由于硬质合金刀具材料的耐磨性和韧性不易兼顾，所以使用者只能根据具体加工对象和加工条件在众多硬质合金牌号中选择适用的刀具材料，这给硬质合金刀具的选用和管理带来诸多不便。为进一步改善硬质合金刀具材料的综合切削性能，目前的研究热点主要集中在以下几个方面。

2.1 细化晶粒

[size=1em]通过细化硬质相晶粒粒度、增大晶粒间表面积、增强晶粒间结合力，可使硬质合金刀具材料的强度和耐磨性均得到提高。当WC晶粒尺寸减小到亚微米尺度以下时，材料的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高，达到完全致密化所需温度也可降低。普通硬质合金晶粒度约为 3～5μm，细晶粒硬质合金晶粒度为 1～1.5μm，超细晶粒硬质合金晶粒度可达0.5μm以下。超细晶粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗弯强度可提高600～800MPa。

[size=1em]超细晶粒硬质合金得到了越来越广泛的应用，Kennametal公司推出的新牌号KC5525、KC5510钴含量可达10%。以超细化WC晶粒为基体的硬质合金，配以TiAlNPVD涂层，可使刀具刃口在不连续切削时具有很高的韧性，同时又具有极强的抗热变形能力。

2.2 表面、整体热处理和循环热处理

[size=1em]对强韧性较好的硬质合金表面进行渗氮、渗硼等处理，可有效提高其表面耐磨性。对耐磨性较好，但韧性较差的硬质合金进行整体热处理，可改变材料中粘结相的成分与结构，降低WC硬质相的邻接度，从而提高硬质合金的强度和韧性。采用循环热处理工艺缓解或消除晶界间的应力，可全面提高硬质合金材料的综合性能。

2.3 添加稀有金属

[size=1em]在硬质合金材料中添加TaC、NbC等稀有金属碳化物，可使添加物与原有硬质相WC结合形成复杂固溶体结构，从而进一步强化硬质相结构，同时还可起到抑制硬质相晶粒长大、增强组织均匀性等作用，对提高硬质合金的综合性能大有益处。在ISO标准的P、K、M类硬质合金牌号中，均有这种添加了Ta（Nb）C的硬质合金。

2.4 添加稀土元素

[size=1em]在硬质合金材料中添加少量钇等稀土元素，可有效提高材料的韧性和抗弯强度，耐磨性亦有所改善。这是因为稀土元素可强化硬质相和粘结相，净化晶界，并改善碳化物固溶体对粘结相的润湿性。添加稀土元素的硬质合金最适合粗加工，特别适用于木材和木质复合材料的切削加工，我国稀土资源丰富，该类硬质合金刀具将有广阔的应用前景。

[size=1em]当前硬质合金刀具材料正向两个方向发展，一方面，通用型牌号的适用面越来越广，通用性越来越强；另一方面，专用型牌号越来越具有针对性，更加适应被加工材料的性质和切削条件，从而达到提高切削效率的目的。如Kennametal公司推出的KU系列（KU10T、KU25T、KU30T）硬质合金就具有非常广泛的通用性。其中，KU10T和KU25T采用了具有高韧性和高耐磨性的硬质合金基体，并配以TiN+TiAlN复合PVD涂层；而KU30T则采用了韧性极好的富钴层梯度硬质合金基体，配以TiN+TiCN+TiN复合CVD涂层。

3 涂层硬质合金

[size=1em]在韧性较好的硬质合金基体上，通过CVD（化学气相沉积）、PVD（物理气相沉积）、PVCD（等离子体增强化学气相沉积）、HVOF（高速热涂敷）等方法可涂敷一层很薄的耐磨金属化合物，如TiN、TiC等材料。TiC硬度较高（HV3200），耐磨性好，故涂层厚度一般为5～7μm。TiN硬度较低（HV1800～2100），与基体的结合力也较低，但导热性好，韧性高，涂层厚度可达8～12μm，可使基体的韧性与涂层的耐磨性相结合，从而提高硬质合金刀具的综合性能。

[size=1em]涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性，特别适合高速切削，由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品种的柔性自动化加工时，可有效减少换刀次数，提高加工效率。涂层硬质合金刀具抗月牙洼磨损能力强，刀具刃形和槽形稳定，断屑效果及其它切削性能好，有利于加工过程的自动控制。涂层硬质合金刀具的基体经过钝化、精化处理后，尺寸精度较高，可满足自动化加工对换刀定位精度的要求。上述特点决定了涂层硬质合金刀具特别适用于FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）等自动化加工设备。但是，采用涂层方法仍未能从根本上解决硬质合金基体材料韧性和抗冲击性较差的问题。

[size=1em]研究发现，在用TiN涂层硬质合金圆锯片锯齿时，锯齿前刀面的耐磨性能有改进。PVD涂层木工锯片切削试验证明TiN涂层的WC硬质合金锯片（涂敷前齿面）锯切硬质纤维板时，锯齿磨损量降低。但是，CVD法涂层温度较高，导致在基体和涂层之间形成脆性的粘结相。在涂层残余应力及切削热、切削力作用下刃口上的涂层很快剥落。与CVD法相比，PVD法涂层温度低，因此，PVD法涂层的刀具可获得较好涂层结构和高的涂层硬度，刀具刃口锋利度也有所改善。此外，PVD法涂层刀具具有较好的抗龟裂能力。

[size=1em]20世纪90年代中期后，研究人员对PVD涂层硬质合金木工刀具从碳化物尺寸、粘结剂含量和涂层材料等方面进行了研究。碳化物颗粒尺寸分别为0.8、1.2、1.5和1.7μm，对应的钴含量分别为3%、4%、6%和10%；涂层材料分别为TiN、TiN-Ti（C，N）-TiN和TiAlN2，对应的涂层厚度分别为3.5μm、5.5μm和3μm，其涂在刀具的前刀面上。结果表明，3种涂层材料均出现涂层剥落，但TiN和Ti（N，C，N）要比TiAlN2轻得多，并且细颗粒和低含钴量的刀具耐磨性提高了10%～30%，但含钴量高的刀具涂层反而降低了耐磨性。研究还指出涂层结合力低是涂层剥落的主要原因。

[size=1em]ISCAR公司生产的整体硬质合金铣刀的“AL-TEC”涂层系列（如：IC900、IC903、IC908、IC910等）同样采用了超细晶粒硬质合金基体，配以TiAlN的PVD涂层，刀具寿命提高150%。Valenite公司在超细晶粒硬质合金基体上，采用MT-CVD涂敷18μm厚的TiCN/Al2O3/TiC涂层，后刀面则涂敷了一层TiC，加工效率比未涂敷硬质合金（K05～K10）刀具提高了50%。德国蓝帜公司利用中温化学涂层技术开发出了“黄色氧化铝复合涂层”，结合该公司新开发的Durotec齿状过渡层技术，使黄色氧化铝涂层和过渡层间在具有极好粘合性的同时，又具有良好的散热性，并推出了Steeltec LC215K和LC225K系列刀片。Steeltec LC215K在切削钢材时切削速度可达300m/min，刀片寿命提高了30%。而Steeltec LC225K则在LC215K的基础上进一步提高了刀片的韧性，使刀片使用寿命在原有的基础上又延长了30%。

[size=1em]纳米结构涂层技术是近年来发展迅速的涂层新技术，其涂层材料的晶粒度一般都在100nm以下，具有良好的切削性能。日本住友电工硬质合金株式会社推出的超级 ZX涂层（ACP200、ACP300、ACK300 和AC530U）硬质合金，采用了相互交叠、总层数达1000层的超薄TiAlN与AlCrN纳米级涂层，每个涂层的厚度约为10nm，大幅度提高了涂层表面的硬度和抗氧化性。与传统的TiAlN涂层相比，超级ZX涂层的硬度提高了40%，氧化温度提升了200℃，从而提高刀具加工效率1.5倍；在相同切削条件下，延长刀具寿命2倍。

[size=1em]在涂层中，通过晶粒细化技术来提高涂层表面光洁度，使涂层表面光滑，以提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力也是涂层技术发展的一个方向。日本三菱综合材料株式会社推出的UC6110超级涂层硬质合金刀具材料，前刀面为抑制结晶生长的纳米级TiCN与抑制结晶生长的纳米级Al2O3构成的CVD涂层，具有极高的韧性和耐磨性，外表面一层为钛金属化合物，使涂层表面平滑，后刀面为超平滑涂层，以确保刀具磨损的稳定性。住友电工硬质合金株式会社新推出的超级FF涂层硬质合金材料（AC410K、AC610M、AC630M、ACP100、ACK200），在专用硬质合金基体上涂敷超细晶粒的TiCN，提高了涂层与基体的结合力，再在其上涂敷超细、超平滑的FF铝基膜，使表面硬度提高30%，粗糙度值降低50%，与普通硬质合金相比，提高加工效率1.5倍，延长刀具寿命2倍以上。

[size=1em]金刚石具有极高的硬度和极好的化学稳定性，其耐磨性是硬质合金的100～250倍，还具有耐强酸和强碱的能力，但韧性很差。若以韧性较好的刀具材料为基体，涂敷一层硬度高、耐磨性和化学惰性好的涂敷层，使刀具既具有一定的强度和韧性，又具有很好的耐磨性和切削性能，满足木工刀具磨损的特性要求，金刚石涂层则不失为一种理想的抗磨损手段。

[size=1em]20世纪50年代，在开发高温高压合成金刚石的同时，人们也对低压气相合成金刚石进行了探索，但沉积速度很慢，由于低压气相合成金刚石是在金刚石的亚稳定区和石墨相的稳定区进行，石墨和非晶态碳很容易析出。因此，抑制石墨和非晶态碳的形成及去除就成为气相沉积金刚石薄膜的关键。20世纪80年代后期，为了降低成本，实现工业化生产，直流等离子体喷射等高速沉积方法已成为金刚石薄膜沉积发展最快的方法。

[size=1em]采用CVD法的金刚石薄膜涂覆硬质合金转位刀片的前刀面（涂层厚20μm）对刨花板进行切削试验表明，涂层剥落是其致命的缺点。只要涂层没有剥落，刀具磨损几乎没有变化，一直维持在40～50μm。使用金刚石涂层硬质合金转位刀片对中密度纤维板进行铣削试验表明，金刚石薄膜均有程度不同的剥离，但未剥离的薄膜起到了“堤岸”保护作用，降低了基体材料的磨损，因而刀具耐磨性提高了近1倍。

[size=1em]随着涂层工艺与设备的改进，金刚石薄膜与基体的结合力进一步提高，薄膜剥离将会得到控制。目前，已用金刚石涂层硬质合金材料制造加工强化地板的刀具，用于切削强化地板表面的Al2O3耐磨层，效果良好。然而，CVD金刚石多晶薄膜的纯度很高，硬度（HV9000～10000）接近天然金刚石，可加工性很差，常规机械加工或电火化腐蚀都难对其实现加工。故金刚石涂层硬质合金材料适合制造不重磨的转位刀片。

[size=1em]2000年以后，金刚石CVD涂层刀具的性能又有了进一步的提高，产品覆盖了可转位刀具和整体硬质合金刀具。厦门金鹭特种材料有限公司的“青霜”系列超细结晶金刚石涂层铣刀的涂层平均粒度小于1μm，涂层表面光滑，刀具寿命可提高20倍以上。美国SGS刀具公司的非晶体金刚石（Amorphous Diamond）涂层铣刀，用以加工最具磨损特性的材料。刀具表面沿着刀具曲面精确形成晶莹光滑、厚度约为1μm的非晶体金刚石薄膜，其最显著的特点是使刀具在具有极高的抗磨损能力（表面硬度达60～90GPa）的同时，又具有光滑的刀具表面，因此降低了刀具表面与工件的摩擦，从而大大降低了切削温度。非晶体金刚石涂层的另一大特点是对刀具基体材质没有特殊要求，可在任何材质的刀具基体表面涂敷，其涂敷温度仅为150℃。非晶体金刚石刀具比AlTiN涂层硬质合金刀具的使用寿命可提高6倍。在装配式木工铣刀结构中，为了提高刀片装夹速度和定位精度，现较多地采用了不重磨刀片或转位刀片。在随进口设备配备的刀具中，50%左右的为不重磨或转位装配式铣刀，如封边机、双端铣床、四面刨和CNC加工中心等木工机械的装配式铣刀。因此，金刚石涂层硬质合金不重磨或转位刀片在木工刀具领域内有着广阔的应用前景。

4 结束语

[size=1em]硬质合金刀具材料已经成为目前木材加工工业主要的切削刀具材料，并且在今后相当长的一段时间内，仍将在木材切削加工中占据重要地位。随着各种硬质合金性能改进技术和涂层技术的不断完善，硬质合金刀具材料的切削性能将不断提高，木材加工工业要针对木材和木质复合材料的切削特点，应用各种改性和涂层技术获得新材料，合理地选用硬质合金材料和硬质合金刀具，最大限度地提高硬质合金刀具的切削加工性能、产品质量和生产效率。

[size=1em]参考文献：

[size=1em]［1］ 赵立新，郑立允，等.TiAlN镀层硬质合金结构及性能研究［J］.金属热处理，2008（7）.

[size=1em]［2］ 张文毓.硬质合金涂层刀具研究进展［J］.稀有金属与硬质合金，2008（1）.

[size=1em]［3］ 李 宁，宋相宇，等.涂层WC-Ni硬质合金刀具的显微结构及性能［J］.工具技术，2008（3）.

[size=1em]［4］ 杨发展，艾兴，赵军，等.细晶粒硬质合金刀具铣削钛合金损坏机理的研究［J］.工具技术，2008（4）.

[size=1em]［5］ 康勃，马瑞新，等，现代刀具涂层制备技术的研究现状［J］.表面技术，2008（2）.

[size=1em]［6］ 于启勋.硬质合金刀具材料技术水平的进展［J］.新技术新工艺，2007（5）.

[size=1em]［7］ 李 黎.表面涂层木工刀具的研究进展［J］.木材工业，2007（4）.

[size=1em]［8］ 张武装，刘 咏，黄伯云.硬质合金切削刀具涂层技术的发展［J］.粉末冶金工业，2006（5）.

[size=1em]［9］ 魏莎莎，钟启茂.TiAIN涂层与TiCN涂层硬质合金刀具性能对比［J］.机械制造，2006（12）.

[size=1em]［10］ 张武装，刘 咏，贺跃辉，等.涂层梯度硬质合金的研究进展［J］.功能材料，2006（10）.

[size=1em]［11］ 黄锡龙.木工刀具材料及其发展趋势［J］.木材加工机械，2006（4）.

[size=1em]［12］ 魏莎莎.单涂层与复合涂层硬质合金刀具性能对比［J］.机械工程与自动化，2005（6）.

[size=1em]［13］ 曹 鼎，熊 计.木质复合材料加工刀具的研究进展［J］.工具技术，2005（9）.

[size=1em]［14］ 佘建芳.金刚石涂层硬质合金刀具的应用［J］.硬质合金，2005（2）.

[size=1em]［15］ 李 黎，习宝田，杨永福.切削纤维板时表面涂层硬质合金刀具的磨损［J］.木材加工机械，2003（6）.

[size=1em]［16］ 张崇高，杨海东，谢 峰.金刚石薄膜涂层刀具切削性能与磨损过程的研究［J］.机械工程师，2003（10）.

[size=1em]［17］ 奚维斌，张弘弢，朱英臣.PVD涂层与未涂层硬质合金刀具切削力的对比试验研究［J］.工具技术，2003（7）.

[size=1em]［18］ 林朝平，叶伟昌.硬质合金刀具材料的新进展［J］.硬质合金，2002（4）.

[size=1em]［19］ 李良福.硬质合金刀具的强化［J］.硬质合金，2002（1）.

[size=1em]［20］ 李黎.木材切削原理与刀具［M］.北京：中国林业出版社，2005.

[size=1.8em]Developing Trend and Application of Woodworking Tungsten Carbide Cutting Tools

LI Xiao-xu1,LI Li2
（1.Beijing Forestry Machinery Institute of State Forestry Administration,Beijing 100029,China;2.College of Material Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China）

Abstract：The characteristics,research and application status of the tungsten carbide material used for cutting wood are introduced,with the focus on the new research achievements and application field of coated tungsten carbide.Based on the cutting characteristics of wood and wood-based composites,the feasibility of its being applied in woodworking industry is discussed.

Key words：woodworking cutting tools；tungsten carbide；development

中图分类号：TS643

文献标识码：A

文章编号：1001-4462（2010）08-0004-04

收稿日期：2010-04-21