（一） 項目簡介
干式高速切削不使用切削液，簡化了工藝系統(tǒng)，解決了濕式切削的環(huán)境污染問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前可用于切削制造的刀具或存在紅硬性差、或存在耐磨性不足等缺點，難以滿足干式高速切削對刀具紅硬性、耐磨性等的綜合性能要求。本項目擬以Nb、W、Fe等為基礎(chǔ)組元，通過理論計算設(shè)計一種新型的刀具材料，研究其成形工藝、微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，優(yōu)化出其最佳制造工藝參數(shù)，以滿足干式高速切削對刀具的綜合性能要求。
（二） 研究目的
圖1 機(jī)加工成本比較圖
傳統(tǒng)的金屬切削加工大多采用濕式切削法。在濕式切削法中，切削液主要有三大功能：潤滑作用、冷卻作用、清洗和排屑作用。這些功能對工件已加工表面質(zhì)量和刀具耐用度有一定影響，而且大量使用切削液會導(dǎo)致制造成本的增加（美國企業(yè)對加工成本的統(tǒng)計見圖1），同時切削液對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染（切削液的化學(xué)成分見表1），甚至一定程度危害操作工人的身體健康?；诖饲闆r，干式高速切削技術(shù)因其更環(huán)保且效率高，從而逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)勢所在，在未來制造領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用潛力[1]。干式高速切削技術(shù)[2，3]就是在切削過程中，刀具與工件及刀具與切屑的接觸區(qū)不使用任何切削液體介質(zhì)的加工工藝方法，其分為兩種類型：一種是不使用任何冷卻潤滑介質(zhì)的純干式切削；另一種是單純以氣體射流（空氣、氧氣、氮氣和氬氣等）為冷卻潤滑介質(zhì)的干式切削。干式切削技術(shù)通常應(yīng)用于高速切削場合，其最大的特點是不使用切削液簡化了工藝系統(tǒng)，降低了加工成本，從源頭上控制污染從而解決濕式切削帶來的環(huán)境與安全健康問題。干式切削技術(shù)要在不使用切削液的同時，保證加工的高效率、產(chǎn)品的高質(zhì)量、刀具的高使用壽命和切削過程的高可靠性，這就需要性能優(yōu)良的干式切削刀具以及輔助設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)切削中切削液的作用。
表1 切削液化學(xué)成分
干式切削由于沒有切削液的冷卻、潤滑和輔助排屑等作用，切削溫度急劇增高，干式切削過程中刀具和工件之間摩擦增大以及刀具磨損加劇，這就對切削刀具提出了更高的要求，表2對高速切削與普通切削刀具角度進(jìn)行了對比，用于干式切削的刀具需具備：良好的耐熱沖擊性和抗粘結(jié)性；較高的紅硬性和熱韌性；良好的耐磨性；切屑和刀具之間的摩擦系數(shù)要盡可能??；刀具形狀要保證排屑流暢且易于散熱；刀具應(yīng)具有更高的強(qiáng)度和耐沖擊韌性等優(yōu)異的綜合性能。目前，用于切削制造工藝的刀具主要有立方氮化硼（CBN）刀具、陶瓷及金屬陶瓷材料刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、金剛石（PCD）刀具及超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具等，但因其或存在紅硬性差、或存在耐磨性不足等缺點，難以滿足干式切削對刀具紅硬性、耐磨性等的綜合性能需求。因此，設(shè)計和開發(fā)新型綜合性能優(yōu)異的刀具材料，滿足干式高速切削對刀具的綜合性能要求，是促進(jìn)干式高速切削技術(shù)發(fā)展的一項關(guān)鍵技術(shù)。
表2 高速切削與普通切削刀具角度對比
高熵合金具有耐熱性好、紅硬性高、硬度大、沖擊韌性高、耐腐蝕性和耐磨性優(yōu)異等優(yōu)點，是一種新型的高強(qiáng)硬質(zhì)耐磨材料，尤其是其優(yōu)異的紅硬性、耐磨性和高硬度，在干式高速切削刀具方面具有巨大的潛在應(yīng)用前景。為此，本項目基于綜合性能優(yōu)異的高熵合金，旨在設(shè)計和開發(fā)一種適用于干式高速切削的新型高熵合金刀具材料，重點研究高熵合金刀具材料的設(shè)計和成型工藝，課題研究將為高熵合金刀具材料研制及其在干式切削領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
（三） 研究內(nèi)容
1、高熵合金刀具材料的設(shè)計
面向干式高速切削應(yīng)用環(huán)境，采用第一性原理計算和Calphad方法設(shè)計出具有優(yōu)異紅硬性、硬度和耐磨性的高熵合金刀具材料組分。
2、高熵合金刀具材料的制備工藝
基于設(shè)計的高熵合金刀具材料組分，采用電弧熔煉法和粉末燒結(jié)法制備高熵合金刀具材料，研究制備工藝參數(shù)對刀具材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出高熵合金刀具材料的最佳制備工藝參數(shù)。
（四） 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
干式切削的科學(xué)意義在1995年被正式確立，1997年的國際生產(chǎn)工程研究會（CIRP）年會上，德國F. Klocke教授作了“干式切削”的主題報告；國際刀具制造廠MAPAL公司的總裁B. P. Erdel博士1999年1月也作了有關(guān)美國干式切削發(fā)展的主題報告，歐洲和日本等國家也展開研究。干式高速切削技術(shù)[2，3]就是在切削過程中，在刀具與工件及刀具與切屑的接觸區(qū)不使用任何切削液體介質(zhì)的加工工藝方法?？煞譃閮煞N類型：一種是不使用任何冷卻潤滑介質(zhì)的純干式切削；另一種是以氣體射流（空氣、氧氣、氮氣和氬氣等）為冷卻潤滑介質(zhì)的干式切削。
在工藝相同的情況下，高速干式切削加工優(yōu)勢有：
（1）提高切削速度，單位時間內(nèi)的材料切除率增加，切削加工時間減少，可大幅度提高加工效率，降低加工成本；
（2）提高切削速度，切削力減?。?/span>30%以上），利于薄壁件的加工；
（3）切屑的高速排出，帶走90%以上的切削熱，工件受熱大幅減少，零件內(nèi)應(yīng)力和熱變形減小，加工精度提高；
（4）切削力隨切削速度的提高而降低，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的粗糙度敏感的低階固有頻率，大大降低表面粗糙度。
圖2 采用不同切削方式時切削溫度變化情況
由于干式切削在加工過程中不使用切削液，切削過程缺少切削液的潤滑、冷卻、排屑等作用，所以干式切削也可能會造成在加工瞬間產(chǎn)生大量熱量（如圖2），有可能使刀具磨損加快，使用壽命縮短。因此，干式高速切削對刀具的綜合性能提出了更高的要求，其應(yīng)具有更的強(qiáng)度、沖擊韌性、紅硬性和耐磨性。未來可應(yīng)用于干式高速切削的刀具主要有：立方氮化硼刀具（CBN）、聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）、聚晶金剛石刀具（PCD）、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具、陶瓷刀具（Al2O3、Si3N4）、金屬陶瓷刀具（Cermets）等。
1、聚晶立方氮化硼刀具
立方氮化硼（CBN）材料的硬度高達(dá)3200-4000HV[4]，其熱導(dǎo)率為1300W/m，具有良好的抗化學(xué)腐蝕性，且在1200℃的高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性。CBN的高耐熱性和高紅硬性使其非常適合用于干式切削。CBN刀具[5]主要用于加工鑄鐵和淬火鋼。采用CBN刀具進(jìn)行干式切削可實現(xiàn)淬硬工件（淬火硬度60-70HRC）的以車代磨加工。用CBN刀具干式切削鑄鐵可大幅度提高切削速度，改善刀具壽命。另外，氮化硼（BN）同素異構(gòu)體之一的聚晶立方氮化硼（PCBN）是硬度僅次于金剛石的人工合成物質(zhì)，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性。在800℃時其硬度比陶瓷和硬質(zhì)合金在常溫時的硬度還要高，摩擦系數(shù)也只有硬質(zhì)合金的1/4—1/2，在1200-1400℃高溫下也不與鐵系材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其粘結(jié)擴(kuò)散作用比硬質(zhì)合金要小得多，而且具有加工效率高、刀具壽命長和加工質(zhì)量好等突出特點。這些性能都使PCBN刀具尤其適用于干式切削。實驗表明，用PCBN刀具進(jìn)行干式切削，刀具壽命反而高于濕式切削，從而被廣泛用于高速切削耐磨有色金、黑色金屬、化學(xué)活性材料、高硬度高強(qiáng)度材料等方面。
表3 立方氮化硼與金剛石性能對比
立方氮化硼刀具主要分為三種：整體聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具、聚晶立方氮化硼和硬質(zhì)合金的復(fù)合刀片（PCBN/CC）以及電鍍立方氮化硼刀具。聚晶立方氮化硼的制備方法主要可分為三種：燒結(jié)型、生長型和生長-燒結(jié)型[6]，燒結(jié)型又可分為含結(jié)合劑PCBN、純PCBN兩種情況。除了上述制備PCBN的方法之外，還有采用放電等離子技術(shù)[7]燒結(jié)制備PCBN。
與其他刀具相比較，聚晶立方氮化硼刀具比硬質(zhì)合金刀具切削速度大幅度提升，大大縮短了加工時間，減小了切削力，在切削過程中不積攢切削廢料而且更加耐用。相對于陶瓷刀具，PCBN刀具抗沖擊能力更具有優(yōu)勢，在加工方面陶瓷刀具適合于粗加工，而PCBN刀具表面粗糙程度更小適合于精加工。由此可知，立方氮化硼（CBN）和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具在未來干式高速切削中具有很大的應(yīng)用前景。
2、新型氧化鋁陶瓷刀具
在陶瓷刀具中，目前應(yīng)用最為廣泛的是Al2O3系列陶瓷刀具，Al2O3系列陶瓷刀具切削加工性能優(yōu)良，它具有硬度高、耐磨性能好、高溫力學(xué)性能優(yōu)良、抗氧化性特別好（切削刃即使處于紅熱狀態(tài)下也能長時間切削，不與鐵類元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)）、機(jī)械強(qiáng)度比其他陶瓷高的特性，可應(yīng)用于高速切削、超高速切削、和硬切削以及一些難加工材料的切割等。此外，Al2O3對大部分金屬的潤濕性[8]差，很難與金屬粘結(jié)，因此加工面的光潔度很高。同時，氧化鋁刀具的比重約為硬質(zhì)合金的三分之一，氧化鋁刀具的價格比硬質(zhì)合金刀具便宜（以體積價格計算），這也是氧化鋁刀具的優(yōu)勢之一。但是，這類材料一般較脆，即熱韌性不好，故不適用于進(jìn)行斷續(xù)切削，較適用于進(jìn)行干車削而不適用于干銑削。由表4可知，對于不同的氧化鋁刀具材料[9]，其切削性能存在很大差距，即不同的刀具材料配比在Al2O3陶瓷刀具金屬切削時有決定性作用。
表4 氧化鋁系陶瓷物理、機(jī)械性能
（1）純Al2O3陶瓷：其高溫性能很好，適于進(jìn)給量較小的半精加工鑄鐵和鋼材，但它的抗沖擊能力較差，抗彎強(qiáng)度較低，切削時刀刃容易產(chǎn)生微崩。通常在純Al2O3陶瓷中添加ZrO2作為燒結(jié)助劑來提高其斷裂韌性[10]。
（2）Al2O3-碳化物陶瓷刀具：在Al2O3中添加碳化物可以提高Al2O3陶瓷的抗沖擊強(qiáng)度，通常將TiC作為添加劑通過熱壓燒結(jié)制成Al2O3-TiC陶瓷刀具，適于高速粗、精加工耐磨鑄鐵、淬硬鋼及高強(qiáng)度鋼等難加工材料。Al2O3-TiC陶瓷的抗彎強(qiáng)度在常溫或者高溫下均比純Al2O3陶瓷高，而且高溫下（1000℃以上），其（抗彎強(qiáng)度）下降速度較慢。
（3）Al2O3-碳化物-金屬陶瓷刀具：在Al2O3中同時添加碳化物和少量粘結(jié)金屬，通過熱壓燒結(jié)形成的金屬陶瓷刀具。金屬成分的存在提高了Al2O3與碳化物的連結(jié)強(qiáng)度，改善了刀具性能，適用于加工淬火鋼、合金鋼、錳鋼、冷硬鑄鐵、鎳基和鈷基合金以及非金屬材料。還改善了刀具的抗振性能，可用于間斷切削及有切削液使用的加工。
（4）Al2O3-氮化物組合陶瓷刀具：在Al2O3中添加氮化物（硼化物）的陶瓷刀具具有好的抗熱震性，其基本性能和加工范圍同Al2O3-碳化物-金屬陶瓷刀具相當(dāng)，雖然其抗彎強(qiáng)度及硬度低于Al2O3-TiC金屬陶瓷刀具，但更適合間斷切削。尤其添加了TiB2作為粘結(jié)劑制成的陶瓷刀具的耐沖擊性和耐磨性優(yōu)于其他添加劑刀具。
（5）增韌的Al2O3陶瓷刀具：它是在Al2O3基體中添加增韌或增強(qiáng)材料制成的。常用的主要增韌方法有：ZrO2相變增韌、第二相顆粒彌散增韌和晶須增韌等，其中，ZrO2相變增韌通過吸收刀具主裂紋尖端的大部分能量以達(dá)到增韌目的。第二相顆粒彌散增韌是由于第二相顆粒使周圍產(chǎn)生殘余從而引起裂紋偏轉(zhuǎn)或裂紋被釘扎，提高了材料的抗斷裂性，從而使Al2O3陶瓷的韌性有顯著提高。沈毅等教授在《硅酸鹽通報》中的第二相SiC顆粒彌散增韌氧化鋁陶瓷的殘余應(yīng)力計算[11]中就介紹了第二相顆粒彌散增韌機(jī)理。晶須增韌是利用了晶須的加強(qiáng)棒作用，常用的晶須有SiC晶須[12]和Si3N4晶須[13，14]。SiC晶須具有強(qiáng)度高、硬度高、導(dǎo)熱性好及抗熱震性好等許多優(yōu)點，SiC晶須[15，16]在加強(qiáng)基體的同時，還可使應(yīng)力在基體內(nèi)分散，非常適合加工鎳基耐熱合金和低速加工鑄鐵及非金屬脆性材料。Si3N4晶須加入到Al2O3基體中，可以提高陶瓷的抗熱沖擊性，適合切削硬度為HRC45的鎳鉻鐵耐熱合金材料。
陶瓷和金屬陶瓷陶瓷刀具具有良好的耐熱性、高溫硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合干式切削加工鑄鐵和淬火鋼，同時可在較高切削速度下進(jìn)行長時間切削加工，但Al2O3基陶瓷刀具的缺點是強(qiáng)度和韌性較低；與Al2O3基陶瓷刀具相比，Si3N4基陶瓷刀具的高溫機(jī)械沖擊性能較好，但在加工鋼材時化學(xué)穩(wěn)定性欠佳。金屬陶瓷實際上是含鈦基化合物、粘結(jié)劑和鎳或鎳鉬等粘結(jié)而成的一類硬質(zhì)合金。氮化硅（Si3N4）陶瓷刀具特別適合于在斷續(xù)切削和鑄鐵有砂皮情況下對鑄鐵和球墨鑄鐵進(jìn)行干式切削。金屬陶瓷刀具在加工硬度>40HRC的工件時紅硬性較差，主要適于加工高精度工件和表面質(zhì)量要求較高的工件。
3、涂層刀具
涂層刀具是在某些材質(zhì)好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具上通過涂層技術(shù)涂覆上一層或多層耐磨性高、難溶性強(qiáng)的金屬化合物。涂層刀具具有切削效率高、精度高等優(yōu)點。涂層通常起到兩方面的作用：一方面它具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)，減弱了刀具基體的熱作用；另一方面，它能夠有效地改善切削過程的摩擦和粘附作用，降低切削熱的生成，從而減少了工業(yè)所用的冷卻液，有利于環(huán)境保護(hù)，基于這些優(yōu)點，現(xiàn)代制造業(yè)越來越離不開涂層刀具。
對于涂層刀具而言，刀具的好壞取決于涂層技術(shù)的應(yīng)用和涂層材料的選擇。涂層技術(shù)[17]主要包括化學(xué)氣相沉積涂層法（CVD）和物理氣相沉積法（PVD）。
（1）化學(xué)氣相沉積涂層法（CVD）
化學(xué)氣相沉積涂層法是應(yīng)用揮發(fā)性化合物氣體發(fā)生分解或化學(xué)反應(yīng)后在鍍件上沉積成膜的方法；沉積物以分子、原子、離子等微觀形態(tài)在鍍件表面沉積，形成金屬或化合物的涂層，這樣的涂層必須在能量激活的條件下完成，經(jīng)過物料氣化，擴(kuò)散到基體表面并在基體表面發(fā)生反應(yīng)形成覆蓋層。該種方法的優(yōu)點主要有：涂層源的制備較容易；涂層與鍍件之間的結(jié)合度高，厚度可達(dá)7～9微米；可涂覆單層或多層涂層。但是涂層在1000攝氏度以上時會使涂層和鍍件之間產(chǎn)生一層脆性的脫碳層相，從而降低刀具的性能；而且涂層內(nèi)部會產(chǎn)生微小裂紋是其主要缺陷。
（2）物理氣相沉積法（PVD）
物理氣相沉積法是應(yīng)用氣相反應(yīng)過程所蒸發(fā)或濺射出來的金屬原子發(fā)生氣相反應(yīng)，從而在刀具表面沉積出所要求的化合物原理做到；在真空條件下，用蒸發(fā)或濺射形式將涂層材料汽化成分子、原子、或電離成離子，通過氣相過程在硬質(zhì)合金的表面沉積成涂層。該方法的優(yōu)點有：沉積所需溫度低有利于保證刀具的質(zhì)量；涂層內(nèi)部為壓應(yīng)力，有利于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層；物理方法不產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)。但也存在一些不足，例如涂層所需器材復(fù)雜，工藝步驟多，時間長，成本較大；所制刀具形式單一，應(yīng)用范圍受限。
涂層材料常用的涂層材料[18]有金剛石、碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、復(fù)合涂層等八大類數(shù)十個品種，常見的涂層刀具有金剛石涂層刀具、Al2O3涂層刀具、TiC合金刀具、TiN涂層刀具及其三種混合的TiC-Al2O3-TiN復(fù)合涂層刀具、立方氮化硼（CBN）涂層刀具等。涂層刀具的分類和結(jié)構(gòu)如表5和圖3所示：
 
表5 涂層刀具 圖3 涂層結(jié)構(gòu)示意圖
金剛石涂層[19]具有硬度高和耐磨性強(qiáng)、熱導(dǎo)率極佳、彈性模量高、摩擦系數(shù)低、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點，成為加工難加工材料的理想涂層材料，并且其制造簡單，成本較低，所以更多的適用于車削和現(xiàn)代干式高速切削加工，顯著提高了生產(chǎn)率。但金剛石刀具在切削過程中若處于600oC以上高溫時，容易碳化而使耐磨性降低，此外，在高速切削各種低碳鋼時，刀具中的碳會擴(kuò)散到被切削材料中去，使刀具的磨損急劇增大，降低刀具的壽命，從而增加生產(chǎn)成本。金剛石涂層刀具在干式切削加工過程中，對工件表面粗糙度影響最大的因素是切削進(jìn)給量，在較高切削速度下，只要進(jìn)給量選擇合理，就能使工件的表面粗糙度得到很好的控制。
Al2O3涂層具有很好的耐熱性和抗氧化的特點，它可以使切削過程形成的熱量隔離開，并且他可以和多種涂層材料一起形成復(fù)合涂層，更加增強(qiáng)刀具的切削性能，比如TiC-Al2O3-TiC涂層，該復(fù)合涂層具有優(yōu)良的隔熱性和低摩擦性，可以使其獲得更長的壽命。
立方氮化硼涂層具有很高的耐熱性，它可以承受1400~1500oC的溫度，并且具備了良好的導(dǎo)熱性和較低的摩擦系數(shù)、高硬度、高熱穩(wěn)定性、與鐵磁材料較低的親和性的卓越優(yōu)點，經(jīng)該涂層涂覆的刀具在粗加工領(lǐng)域可以做到不崩刃、不碎裂，但其加工技術(shù)成本高、要求精度高，操作復(fù)雜。
4、金剛石刀具
聚晶金剛石（PCD）[20]材料的硬度為7000-8000HV，約為CBN材料的兩倍，其熱導(dǎo)率可達(dá)2100W/m·K，熱膨脹系數(shù)很小。PCD刀具切削時能迅速將切削熱從刀尖傳遞至刀體內(nèi)部，從而減小因刀具熱變形引起的加工誤差，避免刀具發(fā)生熱損傷。PCD刀具主要用于加工銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金等有色金屬材料，也可用于加工耐磨性極好的高性能材料如纖維增強(qiáng)型塑料、金屬復(fù)合材料、木材復(fù)合材料等。實驗表明：用PCD刀具干式切削鋁合金可達(dá)到很高的切削速度和理想的刀具壽命，采用鋒利的切削刃和大正前角進(jìn)行干式切削時，可使切削壓力和積屑瘤達(dá)到最小。
金剛石具有自然界物質(zhì)中最高的硬度和導(dǎo)熱系數(shù)。但由于金剛石價格昂貴，加工、焊接都非常困難，所以除特殊超精密采用單晶金剛石刀具加工產(chǎn)品外，一般機(jī)械加工采用由高溫高壓技術(shù)人工合成金剛石基的切削刀具（即聚晶金剛石（PCD））。PCD刀具具有均勻的硬度和導(dǎo)熱性，低的熱脹系數(shù)，高的彈性模量和較低的摩擦系數(shù)使之比較適合做干式切削刀具而且其刀刃非常鋒利，可加工各種有色金屬和極耐磨的高性能非金屬材料。隨著PCD刀具的大量使用發(fā)現(xiàn)，由于天然單晶金剛石和人造聚晶金剛石刀具制造工藝復(fù)雜，成本較高，應(yīng)用于切削加工中使刀具成本增加，所以開始用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在硬質(zhì)合金表面生成一層金剛石薄膜制成的金剛石涂層干式切削刀具。它主要用于有色金屬及高硬度，高耐磨材料以及高速精密加工，而且被加工材料的硬度越高，脆性越大其耐磨性也越好。它與有色金屬的摩擦系數(shù)約為硬質(zhì)合金的一半，可以減小切削力，且不易產(chǎn)生積屑瘤，可以大大提高加工工件的表面精度。因此，金剛石涂層刀具所具有的這些特性，可以保證其在干式切削加工中具有良好的性能。
在干式切削硅鋁合金實驗中，金剛石薄膜涂層刀具的使用壽命大大高于硬質(zhì)合金YG6刀具的壽命。刀具損壞的主要形式是薄膜涂層的破損脫落，在涂層沒有脫落前，刀具磨損量很小。刃口薄膜脫落后，后刀面涂層能夠起到一定的支撐作用，這時刀具還可以繼續(xù)工作，而且表面粗糙度值很小，刀具磨損緩慢，壽命得到很大提高。通過提高涂層與基體的粘接強(qiáng)度，可以大大提高金剛石涂層刀具干式切削的壽命。在干式切削鋁硅合金時，金剛石薄膜涂層刀具在開始階段切削試件表面粗糙度值不穩(wěn)定，這主要是由于金剛石顆粒形成的刃口不平，進(jìn)入刀具正常磨損階段后，工件表面粗糙度值將會很穩(wěn)定，切削路程也很長，體現(xiàn)出很好的干式切削性能。
三種主要金剛石刀具材料—PCD、CVD和單晶金剛石各自的性能特點為：PCD焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最高，抗磨損性和刃口質(zhì)量居中，抗腐蝕性最差；CVD抗腐蝕性最好，機(jī)械磨削性、刃口質(zhì)量和斷裂韌性和抗磨損性居中，可焊接性差；人工合成單晶金剛石刃口質(zhì)量、抗磨損性和抗腐蝕性最好，焊接性、機(jī)械磨削性和斷裂韌性最差。金剛石刀具是目前高速切削（2500-5000m/min）鋁合金較理想的刀具材料，但由于碳對鐵的親和作用，特別是在高溫下，金剛石能與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此它不宜加工鐵及合金工件。所以面對金剛石刀具正在進(jìn)一步改善中。
5、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具
超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是一種高硬度、高強(qiáng)度和高耐磨性兼?zhèn)涞挠操|(zhì)合金，它的WC粒度一般在0.2－0.5μm以下，是普通硬質(zhì)合金WC粒度的幾分之一到幾十分之一，具有硬質(zhì)合金的高硬度和高速鋼的高強(qiáng)度。根據(jù)Hall-petch關(guān)系[21]，硬質(zhì)合金中WC的晶粒尺寸越小，缺陷越小，粘接相Co的平均自由程越短，則合金的硬度和強(qiáng)度就越高，同時韌性也相應(yīng)的提高。因此，超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金[22]是實現(xiàn)高硬度、高強(qiáng)度“雙高”硬質(zhì)合金的一種有效途徑。超細(xì)納米硬質(zhì)合金及其涂層刀具已顯示出在現(xiàn)代高速切削、少/無冷卻液切削和加工高溫合金、鈦合金、噴涂材料、淬火鋼等難加工材料的明顯優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)的各個領(lǐng)域?，F(xiàn)已被制成棒狀刀具，如加工集成電路板的微型鉆頭、點陣打印機(jī)打印針頭、整體孔加工刀具、銑刀、牙鉆、木工工具和精密模具等。超細(xì)晶粒WC硬質(zhì)合金由于晶粒細(xì)化（WC平均粒度≤0.5μm，納米晶粒硬質(zhì)合金中WC平均粒度≤50nm），作刀具可以磨出精度極高、極鋒利的切削刀具和刀尖圓弧半徑，可大大提高刀具材料的強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能，可以制作大前角、小進(jìn)給量和小吃刀量的精細(xì)刀具，如小直徑立銑刀、小鉸刀等，目前主要用作整體式刀具[23]。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具主要用于制作小尺寸整體刀具，用于高速加工孔、齒輪和攻絲，也可以較高的速度加工鈦及其合金和高溫合金等超級合金。硬質(zhì)合金立銑刀和麻花鉆普遍用高強(qiáng)度、高硬度的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金制造，以保證其中心刃的切削性能。
如上所述，目前可應(yīng)用于干式高速切削的刀具主要有：立方氮化硼刀具、陶瓷刀具和金屬陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、金剛石刀具、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具，其性能對比如表6所示，上述刀具各自具有優(yōu)缺點，還難以滿足干式高速切削對刀具材料所提出的綜合性能需求，需要進(jìn)一步開發(fā)綜合性能更加優(yōu)異的新型刀具材料，滿足干式高速切削對刀具材料提出的綜合性能要求。
表6 各種刀具的優(yōu)缺點
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（五） 創(chuàng)新點與項目特色
本項目基于綜合性能優(yōu)異的高熵合金，旨在設(shè)計和開發(fā)一種適于干式高速切削的新型高熵合金刀具材料，重點研究高熵合金刀具材料的設(shè)計和成型工藝，相關(guān)研究內(nèi)容國內(nèi)外未見公開報道。課題研究將為高熵合金刀具材料及其在干式切削領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，對新型機(jī)械加工刀具與干式高速切削領(lǐng)域的研究可能是一個新貢獻(xiàn)。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問題及預(yù)期成果
1、技術(shù)路線圖
圖5 技術(shù)路線圖
項目研究的技術(shù)路線如圖所示，具體的實驗方法如下：
（1）高熵合金刀具材料設(shè)計方法
面向干式高速切削應(yīng)用環(huán)境特點，以Nb、Ta、W、Fe、Ni等元素為基礎(chǔ)組元，充分考慮材料的耐溫特性、結(jié)構(gòu)特性、耐磨特性等，采用第一性原理計算、Calphad技術(shù)，設(shè)計出滿足干式高速切削刀具需求的高熵合金刀具材料組分。
（2）高熵合金刀具材料制備技術(shù)
采用電弧熔煉或粉末燒結(jié)工藝制備所設(shè)計組分高熵合金試樣，考察不同制備工藝參數(shù)（加熱電流、物料添加方式、氣氛、溫度、時間等）下合金的成形性和致密度，采用XRD、SEM、電子探針等對所制備合金的微觀組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析，優(yōu)化出合金成形的最佳工藝參數(shù)。
（3）微觀組織結(jié)構(gòu)表征
采用XRD對所設(shè)計和制備的高熵合金的相組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析，采用SEM、EPMA對合金的元素分布，相分布和微觀形貌進(jìn)行表征分析。
（4）高熵合金刀具材料性能表征分析
采用顯微硬度儀、力學(xué)性能試驗機(jī)和摩擦磨損試驗機(jī)等對高熵合金刀具材料的硬度、強(qiáng)度、斷裂韌性、沖擊韌性和摩擦磨損性能等進(jìn)行測試，考察測試條件、合金組分和制備工藝對刀具材料性能的影響。
2、擬解決的問題
（1）面向干式高速切削應(yīng)用環(huán)境的高熵合金刀具材料設(shè)計方法
（2）高熵合金刀具材料的制備成形工藝
3、預(yù)期成果
（1）發(fā)表論文1篇，申請發(fā)明專利1項；提交課題研究報告1份；
（2）開發(fā)出紅硬性好，硬度高、耐磨性優(yōu)異的高熵合金刀具材料，優(yōu)化出高熵合金刀具材料的最佳制備工藝。
（七） 項目研究進(jìn)度安排
1、2019/05～2019/07
高熵合金刀具材料的設(shè)計——采用第一性原理計算和Calphad方法設(shè)計出具有優(yōu)異紅硬性、硬度和耐磨性的高熵合金刀具材料組分；
2、2019/08～2020/03
高熵合金刀具材料的制備工藝——采用電弧熔煉法和粉末燒結(jié)法制備高熵合金刀具材料，研究制備工藝參數(shù)對刀具材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律；
3、2020/04～2020/05
撰寫項目研究報告，準(zhǔn)備結(jié)題。
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項目有關(guān)的研究積累和已取得的成績
項目申請者在華熳煜老師的指導(dǎo)下，查找并閱讀了大量與刀具相關(guān)的中英文文獻(xiàn)，比較清楚地了解了刀具的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對目前用于干式高速切削的各種刀具做了詳細(xì)的了解和對比。同時，在前期對自己所研究的刀具材料做了一定的研究。在此基礎(chǔ)上，項目申請者對所申請項目的內(nèi)容有一定的認(rèn)知并制訂了較為詳細(xì)的研究方案。
項目申請者開展了相關(guān)的基礎(chǔ)預(yù)研工作，設(shè)計和制備了一種新型的高熵合金材料（圖4），該材料顯微硬度可達(dá)1000HV，耐溫性可達(dá)1500oC，在干式高速切削刀具方面具有很好的應(yīng)用前景，下一步將重點研究該刀具材料的制備工藝，對其成分和性能進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。另外，還將開展該刀具材料在干式高速切削方面的應(yīng)用探索，相關(guān)工作都是本項目研究的重點內(nèi)容。
 
圖4 前期研究制備的高熵合金刀具材料及其應(yīng)力應(yīng)變曲線
基于目前的研究成果，項目申請者已撰寫了一篇關(guān)于干式高速切削刀具研究進(jìn)展的文章（干式高速切削刀具研究進(jìn)展），現(xiàn)準(zhǔn)備投稿；正在撰寫發(fā)明專利1項（一種新型刀具材料）。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
課題組具備電弧熔煉爐、真空燒結(jié)爐、光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計、摩擦磨損試驗機(jī)等本項目研究所需的主要實驗儀器和設(shè)備，尚缺少的條件包括X射線衍射儀、電子顯微鏡等，課題組與中南大學(xué)、湖南大學(xué)分析測試中心建立了良好的合作關(guān)系，擬通過外協(xié)予以解決。
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