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       从人类使用工具开始，便开始了人类发展的历史。最初人们懂得将存在于身边的东西折断或弯曲，这已经是“变形加工”的雏形。不久，又有了物质的软硬的“概念”，知道用硬的东西可以切削软的东西。在远古时代所谓的“切削”，开始是“去除加工”。那时，硬的东西首先是石头，把石头弄碎、磨光作为工具。后来随着铁的发现，制作出比石头更锋利的刃具。良好的切削刃具，使人们能更容易地制造出生产工具和生活用具。可以说工具的发展是人类文明进步的永恒动力。

       现代的切削刀具材料经历了从碳素工具钢到高速工具钢、硬质合金、陶瓷刀具和超硬刀具材料的一百多年的发展历史。18 世纪后半叶，最初的刀具材料主要是碳素工具钢。因为在当时它是作为可以加工成切削刀具的最硬的材料。然而，由于其耐热温度很低(低于200℃)，碳素工具钢在高速切削时，存在由于切削热而立刻完全变钝的缺点，切削范围受到限制。因此期待着出现在高速下也能切削的刀具材料。反映这一期待而出现的材料是高速钢。

       高速钢也称锋钢，是在1898年由美国的科学家研制的。与其说它的含碳量比碳素工具钢少，不如说加入了钨。由于其中硬质碳化钨的作用，使之在高温条件下硬度也不降低，而且由于可以用远比碳素工具钢切削速度高的速度进行切削，故命名为高速钢。从1900~-1920年，出现了添加钒和钴的高速钢，其耐热性提高到500~ 600℃。切钢的切削速度达到30~ 40m/ min，提高了近6倍。此后，随其组成元素的系列化，形成了钨系和钼系高速钢。直到目前它仍被广泛使用。高速钢的出现引起了切削加工的革命，大大提高了金属切削的生产率，并要求完全改变机床的结构，以适应这种新刀具材料的切削性能要求。新机床的出现和进一步发展，反过来又促进了更优良的刀具材料的开发，刀具受到激发而得到发展。在新的制造技术条件下，高速钢刀具在高速切削时也存在由于切削热而限制刀具耐用度的问题。当切削速度达到700℃，高速钢刀尖就完全变钝，在切削温度高于此值的切削速度下，就完全不能进行切削。因而，出现了比上述更高切削温度条件下保持足够硬度、可在更高的切削温度下切削的硬质合金刀具材料。

▲硬质合金数控刀具

       硬质合金是1925年德国人发明的；它是以钨为主要成分，将WC粉末以钴作为结合剂烧结而成的。最初研制的WC-Co合金，耐热性达到800℃，切削速度提高到40m/min以上。这种硬质合金虽然具有高温下硬度不降低的优点，但存在冲击强度低、性脆易破损等缺点。这些缺点在后来研制的添加碳化钛等其他碳化物以及带涂层的硬质合金中得到了改善。1931 年出现了在WC-Co合金中添加TiC的合金，即WC-TiC-Co合金，其耐热性达到了900℃以上，切钢时的切削速度达到了220m/ min。这就是说从高速钢发展到硬质合金的40年间，由于刀具材料的耐热性能的提高，切削速度提高了近40倍。之后由于制造质量的提高和添加了熔点更高的碳化物等，其耐热性和切削速度进一步提高。涂层硬质合金由于综合了TIC基硬质合金的高耐磨性和金属切除率以及wc基硬质合金高的韧性和使用的可靠性，使它在高速切削钢件和铸铁时都获得了巨大的成功，特别是硬质合金机夹刀片的广泛使用，更增加了涂层硬质合金刀片的使用价值。因此硬质合金可转位刀具与涂层硬质合金刀具的出现被称之为硬质合金刀具的两次“革命”性变革。硬质合金的出现与发展，进一步完成了从高速钢开始的金属切削加工的革命。然而人们是不会满足于此的。由于Al2O3硬度高且耐热性好，通常不容易与被切削材料粘附，已被广泛应用于砂轮磨削加工中。由此产生了陶瓷刀具材料。由于陶瓷刀具材料高硬度和高温硬度稳定性(1200℃以上)，因而在高速切削和对某些难加工材料的切削方面，是任何硬质合金刀具都无法比拟的。因而，陶瓷刀具材料进入20世纪90年代以来得以迅速发展。陶瓷刀具材料性能得到很大的改进，其使用量也迅速增加。

       用硬的材料可以切削软的材料，为了切削硬质材料，就必须使用比它更硬的材料。目前地球上最硬的物质是金刚石。尽管自然界天然金刚石早已被发现，且用它作为切削工具也有很长的历史，人工合成金刚石也早在20世纪50年代初合成成功，但真正用金刚石广泛地制作工业切削刀具材料，还是近几十年的事。

  ▲各种金刚石刀具

       一方面，随着现代空间技术和宇航技术的发展，现代工程材料的使用日益繁多，虽然改进的高速钢、硬质合金、及新型陶瓷刀具材料在切削传统加工工件时，切削速度和切削加工生产率成倍甚至几十倍的增加，但是，当用它们加工上述材料时，刀具的耐用度和切削加工效率仍然很低，且切削加工质量难以保证，有时甚至无法加工，需要用更锋利更耐磨的刀具材料 。另一方面， 随着现代机械制造与加工工业的迅猛发展，自动机床、计算机数控(CNC)加工中心、无人加工车间的广泛应用，为了进一步提高加工精度，减少换刀时间，提高加工效率，越来越迫切要求有耐用度更高、性能更稳定的刀具材料。在这种情况下，金刚石刀具迅速发展，同时也大大促进了金刚石刀具材料的发展。金刚石刀具材料具有一系列优异的性能，具有加工精度高，切削速度快，使用寿命长的特点。如用Compax (聚晶金刚石复合片)刀具可以保证加工上万件硅铝合金活塞环零件且其刀尖基本保持不变；用Compax大直径铣刀加工飞机铝制翼梁，其切削速度可高达3660m/min；这些都是硬质合金刀具无法媲美的。不仅如此，金刚石刀具材料的采用还可以扩大加工领域，改变传统的加工工艺。以前镜面加工只能用研磨抛光工艺，现在不仅可以用天然单晶金刚石刀具，而且在有的情况下还可以用PDC超硬复合刀具进行超精密切削，实现以车代磨。随着超硬刀具的应用，机加工领域出现了一些新的概念，如使用PDC刀具后，限制车削速度的不再是刀具而是机床，并且当车削速度超过某一速度后，工件和刀具均不发热。这些突破性的概念的含义是很深刻的，它为现代机加工行业展示了无限的发展前景。

参考文献：《PDC超硬复合刀具材料及其应用》邓福铭，陈启武著

       2022年11月15-17日，由DT新材料&中国超硬材料网联合举办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2022），将于深圳国际会展中心（宝安新馆）14号馆盛大启幕！

       11月16日上午，在极端制造与超精密加工技术论坛上有一场由上海交通大学陈明教授带来《金刚石刀具在树脂基碳纤维复合材料与碳化硅陶瓷基复合材料应用》的报告，讲述了金刚石刀具的最新前沿应用，敬请期待！

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