有機物切削刀具的發(fā)展2008年4月中國鋼研科技集團公司鋼鐵研究總院

先進鋼鐵材料技術國家工程中心

中國金屬學會特殊鋼分會刀具人與猿的最大區(qū)別是人能夠制造和使用工具刀具是最重要的工具畜牧、農耕及軍事用途與材料發(fā)展密切相關最早使用石刀、石斧然后使用青銅器此后廣泛采用鐵器文明的誕生伴隨刀具的發(fā)展古印度和古巴比倫文化的代表是大馬士革劍文明的誕生伴隨刀具的發(fā)展中國古刀具的代表是越王勾踐的重孫州勾所用的越王州勾劍此外，干將、莫邪、歐冶子屬于該時期刀具制作的最高水平

金屬切削刀具工業(yè)化革命之后，機械加工業(yè)的發(fā)展推動了金屬切削刀具迅速發(fā)展目前國內外刀具用鋼鋼種主要為金屬切削刀具用鋼，代表性鋼類為高速工具鋼和合金工具鋼1999年世界金屬切削刀具的市場規(guī)模為103.5億美元，目前年增長率在3~5％之間，基本保持穩(wěn)定無機非金屬材料切削刀具現(xiàn)代建筑業(yè)及裝修業(yè)的發(fā)展推動了無機非金屬切削刀具的迅速發(fā)展目前國內外刀具用材主要為金剛石刀具和硬質合金刀具有機物切削刀具切削對象為動物、植物、木材、布、紙張、塑料、食品最重要的刀具最古老的刀具最具發(fā)展前途的刀具有機物切削刀具的性能要求被切割物不一定固定完全的切割，不允許撕扯拖帶高硬度很高的刀口鋒利度容易磨削性較高韌性一般不要求紅硬性有機物與無機物切削刀具的性能比較有機物完全的切割，不允許撕扯拖帶高硬度剛性要求一般很高的刀口鋒利度較高韌性一般不要求紅硬性吹毛斷發(fā)無機物允許一定程度的撕扯拖帶高硬度很高剛性一定的刀口鋒利度較高韌性較高紅硬性削鐵如泥刀口鋒利性的基本要求完全的金屬鍵結合對刀口鋒利性具有重要作用排除了硬質合金的使用鋼中合金元素含量不能過高高硬度的實現(xiàn)主要依靠高碳含量有機物切削刀具的強韌化原理主要依靠高碳馬氏體強化（過飽和間隙碳原子的間隙固溶強化、孿晶強化）低溫回火時析出的滲碳體的強化晶粒細化強韌化有機物切削刀具用鋼非合金或低合金高碳工具鋼T8、T10、T129CrSi、9Mn2V、GCr15、9CrV、60Si2Mn、65Mn、CrWMn、CrMn、Cr2有機物切削刀具用鋼的熱處理與性能表1.1常用的高碳非合金或低合金工具鋼的熱處理及熱處理硬度鋼號退火溫度℃退化硬度HB淬火溫度℃淬火介質冷處理℃回火溫度℃回火硬度HRC9CrSi790~810197~241860~880油20~40℃140~160180~20062~6560~62CrMn790~810187~241840~860油、硝鹽、堿浴

-80℃180~20055~61CrWMn770~790207~255820~840830~850780~820油、硝鹽、堿浴-70℃140~160170~200230~28062~6560~6255~60Cr2770~790187~229840~860油、硝鹽、堿浴130~16062~65T8A770~790187~229780~800油20~40℃180~20055~60T10A780~800187~229780~800油20~40℃180·20056~62有機物切削刀具的合金化高碳含量（適當過共析）微合金化元素Nb、V、Ti阻止高溫晶粒長大并通過沉淀強化提高使用態(tài)硬度合金滲碳體具有重要作用，因而應適量加入Cr、V、Mn等促進形成合金滲碳體的元素Gladman得到晶界解釘?shù)呐袚?jù)為：晶粒尺寸不均勻性因子Z值約為1.7，可得A約為0.17。Z值為3或9時，A約為2/3和4/9，對應于Hillert缺陷理論的兩個水平。第二相控制晶粒尺寸具有“方向性”，即晶粒在一開始是否被釘扎將決定所選取的釘扎水平系數(shù)A的差異。第二相阻止晶粒長大的理論第二相阻止晶粒長大第二相阻止晶粒長大第二相沉淀析出強化Orowan機制下的沉淀強化強度增量第二相體積分數(shù)很小時（f1/2遠小于0.854/1.2）：鋼鐵材料中，G為80650MPa，泊松比ν為0.291，b為0.24824nm，可得：沉淀強化強度增量與第二相體積分數(shù)和尺寸的關系Orowan機制下的沉淀強化強度增量高碳鋼中滲碳體體積分數(shù)可高達15％，平均尺寸1000nm，強度增量27.1MPa；通常的最佳控制條件下平均尺寸100nm，強度增量191MPa。而如果能將其平均尺寸控制在20nm，強度增量將高達676MPa。微合金鋼中微合金碳氮化物體積分數(shù)僅為0.1％，最佳控制條件下平均尺寸2nm，強度增量228MPa；若體積分數(shù)增加至0.28%，強度增量約410MPa

。低溫二次硬化低溫回火時基體馬氏體的硬度基本保持不變，若能疊加第二相沉淀析出強化，則可能實現(xiàn)低溫二次硬化合金碳化物必須在500℃左右的溫度才能有效析出（合金元素的擴散控制析出過程），滲碳體或合金滲碳體則可在150~300℃下有效析出（碳原子的擴散控制析出過程）應變促進析出過程滲碳體容易長大而合金滲碳體不容易長大良好控制條件下的合金滲碳體良好控制條件下的合金滲碳體良好控制條件下的合金滲碳體9CrV鋼低溫二次硬化處理效果刀片厚度在1~2mm時，熱處理后硬度達到HRC68~72，同時保持良好韌性刀片厚度在0.1mm時，熱處理后硬度達到HRC70~75，同時保持良好韌性需要進行特殊的熱處理剃須刀全世界需求量80億片/年剃須時的拖帶作用會導致拔胡須造成疼痛熱處理后硬度HRC62以上，最好水平HRC72以上較高韌性以防止脆性斷裂，因而奧氏體晶粒尺寸應在10μm以下（10級晶粒度）剪草刀全世界需求量2億片/年剪草時的拖帶作用會導致拔草造成枯黃熱處理后硬度HRC50~62，根據(jù)需求選用不同硬度較高韌性以防止脆性斷裂，因而奧氏體晶粒尺寸應在20μm以下（8級晶粒度）裁布刀全世界需求量數(shù)千萬片/年裁布時的拖帶作用會導致經緯線變形造成質量下降，高檔時裝特別重要熱處理后硬度HRC62~65，根據(jù)需求選用不同硬度較高韌性以防止脆性斷裂，因而奧氏體晶粒尺寸應在20μm以下（8級晶粒度）裁紙刀全世界需求量數(shù)千萬片/年裁紙時的拖帶作用會導致剪裁質量下降熱處理后硬度HRC62~65，根據(jù)需求選用不同硬度較高韌性以防止脆性斷裂，因而奧氏體晶粒尺寸應在20μm以下（8級晶粒度）煙絲切刀全世界需求量百萬片/年切絲時的拖帶作用會導致煙絲尺寸不均勻，造成填充率下降熱處理后硬度HRC68~70較高韌性以防止脆性斷裂，因而奧氏體晶粒尺寸應在10μm以下（10級晶粒度）